冀文慧，賈蓮蓮

（1.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，西安710004；2.黃委會黃河上中游管理局，西安710021）

該輸氣管道工程陜西段長度約200km，橫跨毛烏素沙地和黃土丘陵溝壑兩個地理單元，生態(tài)環(huán)境脆弱。通過水土保持監(jiān)測結果表明：項目區(qū)通過植物、工程措施的合理布設，土壤流失控制比到達合理水平，水土保持各項措施合理有效，水土保持措施評價指標均達到規(guī)范要求。

1 項目區(qū)基本概況

1.1 自然概況

輸氣管道工程跨越毛烏素沙漠、河谷川臺、石質山區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)等地貌單元，地形地貌較為復雜，地勢陡峭，地形起伏大。項目區(qū)春季干旱多大風，夏季高溫多雷雨；秋季涼爽而短促，冬季干寒且漫長，日照充足。年內降雨集中在6－9月，12月至次年2月降水很少。主要土壤類型為風沙土、黃綿土。質地粗，無結構，透水性強，持水力弱，土質松散，肥力很差，易風蝕。

黃土丘陵區(qū)的原始植被少有保存，僅有次生的白羊草、茭蒿、鐵干蒿、針茅草、酸棗、黃刺玫等組成的草灌叢。人工種植的主要有楊、柳、榆、刺槐、油松、側柏等喬木林；檸條、沙柳、花棒、踏郎、紫穗槐、沙蒿等灌叢、半灌叢，草木樨和沙打旺等。喬木林主要分布在農(nóng)田、道路邊以及渠河岸地段。

1.2 水土流失現(xiàn)狀

項目區(qū)生態(tài)環(huán)境本底穩(wěn)定性差，易遭受破壞，且由于近期大規(guī)模開發(fā)建設活動的作用，使生態(tài)環(huán)境遭到日益嚴重的破壞。管線工程經(jīng)過的地帶，有風成沙丘、黃土丘陵溝壑等地貌類型。水土流失類型復雜多樣，有水力侵蝕、風力侵蝕、重力侵蝕等，水土流失強度不一，以中、強度流失為主，部分地區(qū)達極強度。

本項目水土流失特點為工程施工方式種類多、強度大，在20～30m范圍內的作業(yè)帶中進行管溝開挖、回填和施工等，大面積破壞地表植被，增大地表裸露面積。工程管道線路長，沿途經(jīng)過地貌類型有風成沙丘、黃土丘陵溝壑等，水土流失類型及土壤侵蝕強度各異，集中堆放與回填等工序復雜，管線施工造成的水土流失總量較大。溝頭防護、防風固沙等治理措施復雜，水土流失治理難度較大。

2 監(jiān)測內容和目標

2.1 監(jiān)測內容

①項目區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測，包括水土流失防治責任范圍動態(tài)監(jiān)測、降雨、地形、工程挖方、填方數(shù)量及面積、棄土、棄渣量及堆放面積等的監(jiān)測；②水土流失及其危害監(jiān)測；③水土保持措施效果監(jiān)測，包括防治措施的數(shù)量與質量及水土流失治理度、擾動土地整治率、土壤流失控制比、攔渣率、林草覆蓋度、植被恢復系數(shù)等6項量化指標的監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測目標

①監(jiān)測數(shù)據(jù)能定量反映本項目水土保持措施的實施質量及實施效果。②監(jiān)測結果能說明項目區(qū)的水土保持生態(tài)環(huán)境變化。③對監(jiān)測對象在氣象災害條件下做出快速反應，以達到能快速采取防護措施提供決策支持的目的。

3 監(jiān)測方法

監(jiān)測手段以調查與定位觀測相結合，主要通過踏查、詢問調查、抽樣調查等手段，同時選取一些典型地段利用儀器設備定點觀測［2－5］。

3.1 擾動面積監(jiān)測

對于管線敷設區(qū)，因其線性分布，采用分層抽樣調查法監(jiān)測擾動寬度。根據(jù)管線長度與抽樣擾動寬度相乘得擾動區(qū)面積。分層抽樣調查法如下：

根據(jù)地貌類型的不同共分為兩個層：第一層，沙漠灘地；第二層，黃土丘陵。

總體平均數(shù)的分層抽樣估計值：

總體平均數(shù)估計值的誤差限：

式中：Pc——可靠性百分數(shù)，本次監(jiān)測中取90%。

監(jiān)測點總數(shù)N由式（3）求得。

式中：tα——概率為α相對應的學生氏t分布雙側分位數(shù)，在90%可靠性下取1.66；sh——h層內某一調查指標的標準差。

各層數(shù)量指標平均數(shù)誤差限Δ（ˉyst），由式（4）計算。

自由度f＝Nh－L，估計精度Pc由式（5）求得。

3.2 水土流失量監(jiān)測

（1）水力侵蝕。針對不同地表擾動類型水土流失強度的監(jiān)測，采用定位觀測方法，即侵蝕溝量測方法、簡易小區(qū)法等。

①侵蝕溝測量法。在管線施工擾動地表選擇有代表性地段，選定樣方（20m×5m），用皮尺在全坡面的上、中、下分設量測斷面，量測每一斷面全部紊溝、細溝的深度和寬度，算出斷面平均沖刷深和寬，再量測溝線長，計算調查區(qū)侵蝕總體積，推算土壤流失量。計算公式如式（6），式（7）。

式中：∑S1，∑S2，…，∑Sn——1，2，…，n斷面量測溝谷面積求和；B——調查范圍寬；L——調查范圍長；N——量測斷面數(shù)；R——泥沙容重，通常黃土為1.25～1.35g／cm3。

②簡易小區(qū)法：在施工擾動帶選取適當?shù)钠旅娌荚O徑流小區(qū)（20m×5m），邊界用石棉瓦圍成矩形邊墻，在小區(qū)低端設置土工布積水槽。每次降雨結束后通過量測泥沙沉積量，推算土壤流失量。

（2）風力侵蝕。采用定點觀測，選取對照樣地利用集沙儀和測釬法對觀測數(shù)據(jù)進行分析計算，得出加速風蝕系數(shù)。

3.3 防治效果監(jiān)測

（1）林草措施監(jiān)測。采用系統(tǒng)抽樣法獲取基礎統(tǒng)計數(shù)據(jù)，依次推斷各項監(jiān)測指標。選有代表性的地塊作為標準地，標準地的面積為投影面積，要求喬木林20m×20m、灌木林5m×5m、草地2m×2m。分別取標準地進行觀測并計算林地郁閉度、草地蓋度和類型區(qū)林草的植被覆蓋度。計算公式為：

式中：D——林地的郁閉度（或草地的蓋度）；C——林（或草）植被覆蓋度（%）；fd——樣方內樹冠（草冠）垂直投影面積（m2）；fe——樣方面積（m2）；f——林地（或草地）面積（hm2）；F——類型區(qū)總面積（hm2）。

標準地的灌叢、草本覆蓋度調查，采用目測方法按國際通用分級標準進行。

（2）工程措施監(jiān)測。采用典型調查與普查相結合，調查水土保持工程措施的布設、數(shù)量、質量、穩(wěn)定性等。

4 監(jiān)測結果與分析

4.1 降雨監(jiān)測

根據(jù)各縣（區(qū)）氣象站資料調查結果，項目區(qū)多年平均降水量366～411mm之間，降雨集中在7－8月，該時段內的降雨量占全年總降雨量的50%～60%。項目區(qū)近年降雨量情況見圖1。從圖中可以看出，降雨量自2003－2006年總體呈逐漸下降趨勢，靖邊縣降雨量波動最為明顯，神木縣與榆陽區(qū)降雨量變化大致相同。

圖1 項目區(qū)降雨量變化

4.2 擾動面積監(jiān)測

（1）樣本容量的確定。首先進行預調查，預備調查的方法采用在所分2個層上每層隨機布設樣點，分別調查管線寬度數(shù)據(jù)。經(jīng)計算，此項目樣本容量26，即需要調查的樣點數(shù)。實際抽樣調查中，在按照精度和可靠性確定了樣本容量后，為使抽樣推斷結論更保險，在所確定樣本容量的基礎上增加10%。即總體樣本數(shù)為29個。

層權Wh＝某層線路長度／陜西段線路總長

第h層調查樣本容量＝nWh

經(jīng)計算，第一層為15，第二層為14既可滿足抽樣精度要求。

（2）監(jiān)測點的布設。各層監(jiān)測點采用每5km設1個，地形相近線段測點適當減少，地形多變線段監(jiān)測點適當加密，各類監(jiān)測樣點交錯布設，共計42個樣點。

（3）總體平均數(shù)、誤差限和精度?？傮w均值估計值：

估計誤差限：

（自由度f＝Nh－L）

估計精度（Pc）：

抽樣調查結果見表（1）。

表1 管線施工擾動寬度抽樣調查成果

（4）擾動面積監(jiān)測結果。監(jiān)測結果表明，項目建設擾動原地貌共計702.9hm2。其中，管道作業(yè)帶649.93hm2（沙漠灘地 353.98hm2，黃土丘陵區(qū)295.95hm2）；輸氣站場10hm2；伴行公路35hm2；施工場地1.5hm2；棄渣場6.5hm2。

4.3 水土流失監(jiān)測

（1）風力侵蝕。選擇典型地段，采用集沙儀、插釬＋水準儀等方法進行原地貌固定沙地、工程作業(yè)帶擾動區(qū)風蝕深度、沙丘位移及風蝕量對比觀測。2005年與2006年監(jiān)測結果見表2－3。

①沙丘移動觀測主要采用插桿法，分別選擇擾動后裸露面與原地貌沙丘對比觀測，在垂直沙丘走向的迎風坡腳、丘頂和背風坡腳分別插上標志桿（木桿、鋼釬），間隔一定時間，量測并記錄其位置及標桿高度的變化，便可得出沙丘移動的方向、速度以及沙丘不同部位的蝕積狀況，如表2所示。

表2的監(jiān)測結果表明，2005年作業(yè)帶沙緣線平均位移52.5cm，是原地貌半固定沙丘位移的4.29倍；2006年作業(yè)帶沙緣線平均位移84.5cm，是原地貌半固定沙丘位移的5.04倍。

②近地層輸沙量測定。采用集沙儀法，集沙儀的進沙口正對風向，見于野外風速風向的多變性，對于＞9m／s的風，一般集沙0.5～2min，對于＜9m／s的風，集沙2～5min。自然界影響風的搬運能力的因素十分復雜，它不僅取決于風力的大小、沙粒的粒徑、形狀和比重，還受沙礫的濕潤程度、地表狀況和空氣穩(wěn)定度等影響。風蝕量監(jiān)測成果如表3所示。

表2 沙丘位移監(jiān)測成果cm

表3 風蝕量監(jiān)測成果表 cm

觀測結果表明，2005年度管道作業(yè)帶裸露面風蝕深度、侵蝕量分別是原地貌固定沙地的3.22，2.36倍。2006年風蝕深度、侵蝕量分別是原地貌固定沙地的2.16，3.15倍。

（2）水力侵蝕

①侵蝕溝測量法。在管線施工擾動地表選擇有代表性地段，選定樣方（20m×5m），用皮尺在全坡面的上、中、下分設量測斷面，量測每一斷面全部紊溝、細溝的深度和寬度，算出斷面平均沖刷深和寬，再量測溝線長，計算調查區(qū)侵蝕總體積，利用公式推算土壤流失量。

觀測結果表明汛期平均侵蝕量1 044t／km2。由于它忽略了坡面面蝕量，所以結果往往偏小。根據(jù)捷克扎契1982年的研究，觀測值比實際侵蝕量偏小10%～30%。

②簡易觀測小區(qū)。在作業(yè)帶擾動地表設置監(jiān)測小區(qū)（20m×5m），小區(qū)邊界用石棉瓦圍成矩形邊墻，小區(qū)底端設置土工布集水槽，每次降雨結束后通過測定泥沙沉積量，推算土壤流失量。監(jiān)測結果見表4。

表4 管線作業(yè)帶水蝕監(jiān)測成果表

5 結論

（1）線性工程由于涉及范圍廣，所經(jīng)地區(qū)生態(tài)類型多樣，地貌類型復雜，全面調查幾乎是不可能的。因此，通過利用抽樣調查的方式獲取所需數(shù)據(jù)，并以此對區(qū)域的整體特征進行推斷，是一種新的水土保持監(jiān)測方法嘗試，同時結合常規(guī)方法對項目區(qū)實施全方位監(jiān)測，具有一定的現(xiàn)實意義。

（2）監(jiān)測結果表明：①管線工程所經(jīng)地區(qū)水土流失以水力、風力侵蝕為主，植物、工程措施能夠很好地發(fā)揮防護作用，起到了良好的水土保持效果。②植被恢復系數(shù)：風沙區(qū)植被蓋度10%～30%，非流沙面積50%～70%，植被恢復系數(shù)達到98.88%。③攔渣率：工程施工中能有效地減少棄渣量，少量的棄渣，就地平整，恢復植被，攔渣率達97%。④擾動土地整治率：防治責任范圍內擾動土地治理率達到97.62%。⑤水土流失治理度：施工第一年各標段管道敷設為主，至2005年7月底，管道全線施工完畢，管道沿線采用溝埋的方式，土方開挖、回填量大，管溝開挖與回填量基本持平，管道沿線產(chǎn)生的棄渣量不大。由于沿線地貌類型不同，管線爬坡與河道穿越較頻繁，同時沿線途經(jīng)大量耕地。因此防護措施多樣，主要包括作業(yè)帶植被恢復、耕地復墾、站場道路硬化、綠化、漿砌護坡、截水溝、擋土墻、臨時擋土墻、排水工程等。水土流失總治理度為97.09%。⑥林草覆蓋率：工程施工擾動面積702.93hm2，施工期末林草措施面積為463.2 hm2，林草植被覆蓋度為65.89%。監(jiān)測結果表明：項目區(qū)生態(tài)效益，蓄水保土效益，經(jīng)濟效益以及社會效益均得到了顯著發(fā)揮和提高。

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