水电工程公路边坡的土质分析——以新疆阜康抽水蓄能电站上下库连接公路为例.pdf

近年来随着抽水蓄能电站在全国各地蓬勃发展，人们对其影响当地生态环境的认识也不断加深。在我国西北寒旱地区，电站施工过程中产生的地表扰动可能会使其脆弱的生境进一步恶化。为了评价寒旱地区电站人工边坡的生态状况及土质特性，本文以新疆阜康抽水蓄能电站为例，分析了上下库连接公路在工程扰动后2 6 个边坡的土壤理化性质，对含水量、pH值及有机质、总氮和总磷的含量进行了测定，探讨了海拔高度、坡度角、坡面受光类型及边坡原始植被对上述指标的影响。结果表明，在西北寒旱地区因水电工程施工扰动后的边坡，其含水量、有机质含量及氮含量均发生显著下降，土壤碱性增强，但是磷含量变化不大。进一步分析表明，海拔高度对人工边坡土壤的含水量有一定影响，边坡的坡度角会影响有机质含量和含氮量。上述研究为西北寒旱地区工程扰动后的人工边坡土壤改良提供了理论依据，对促进抽水蓄能电站施工扰动后的生态重建与恢复有一定指导作用。关键词寒旱地区；抽水蓄能；工程扰动；人工边坡；土质分析中图分类号S153文献标识码A文章编号10 0 2-2 6 51（2 0 2 3）0 3-0 0 18-0 7Soil Analysis of Side Slopes of Roads in Hydro-power Engineering ProjectCase study of the Roads Connecting the Upper and Lower Reservoirsat Fukang Pumped Storage Power Station,XinjiangYan Liangping Liang Yue Cui Botao Wang Paipai Xue Yanhong Liu Shiping(1.Xinjiang Energy Storage Branch of Xinyuan Holding Co.,LTD.,State Grid.Urumqi,Xinjiang,830011;2.Seabuckthorn Development and Management Center of Water Resources Ministry(Development andManagement Center of Plants for Water and Soil Conservation),Beijing,100038;3.College of Biology&Pharmacy,China Three Gorges Univ.，Yi c h a n g,H u b e i,4430 0 2)“基金项目：国网新源控股2 0 2 1年科研项目“新疆阜康抽水蓄能电站抽水蓄能工程扰动后寒旱高陡边坡植被恢复关键技术研究与应用服务”；中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司阜康EPC总承包部委托项目（FK EPC-FW-2 0 2 10 0 9）；三峡库区生态环境教育部工程研究中心开放基金课题（RZST2020-5）收稿日期：2 0 2 2-0 1-0 9作者简介：严良平（198 0-），男，福建省福清市人，高级工程师，长期从事水电工程建设管理和生态治理工作。18修回日期：2 0 2 3-0 2-0 3第3期严良平，梁月，崔博涛，等：水电工程公路边坡的土质分析Abstract:In recent years,with the rapid development of pumped storage power stations across the country,peoplesunderstanding of the impacts on the local ecological environment has been deepened.In the cold and arid areas ofnorthwest China,the possible ground disturbance during the construction of the power station may furtherdeteriorate the fragile habitat.In order to evaluate the ecological status and the soil characteristics of the artificialside slopes formed during the power station construction,the Fukang Pumped-storage Power Station in Xinjiangwas selected as the example for the analysis on physical and chemical properties of 26 artificial slope soilsalong the roads connecting the upper and lower reservoirs after the engineering disturbance.It was investigatedthe pH value and the content of water,organic matter,total nitrogen and total phosphorus for the discussion of theinfluences of altitude,slope angle,light receiving type of slope and original vegetation on the slopes.The resultsshowed that after the disturbance by the hydro-power engineering construction,the water content,organic mattercontent and nitrogen content had decreased significantly and the pH was obviously alkaline,while the phosphoruscontent had little changed.Further analysis showed that the altitude has a certain influence on soil moisture,and theslope angle would affect the organic matter content and nitrogen content of the artificial side slopes.The abovestudies provide a theoretical basis for soil improvement of artificial side slopes after engineering disturbances in thecold and arid areas of northwest China,and play a certain guiding role in promoting ecological reconstruction andrestoration after construction disturbances of pumped storage power stations.Key words:cold and arid areas,pumped storage,engineering disturbance,artificial side slopes,analysis ofsoil characteristics近年来随着国家能源转型的持续深化，作为新型清洁能源之一的抽水蓄能电站，可起到削峰填谷、调频调相和安全调度等作用，正在全国范围内快速发展 2 。但在其施工过程中，伴随着开挖坝肩、填筑坝基、开挖上下水库连接道路、填筑边坡等系列工程的扰动，常形成大量裸露边坡，一方面影响了当地土壤理化性质、地貌景观、植被及生物多样性，另一方面加剧了泥石流、滑坡等地质灾害或荒漠化的风险，制约着经济社会的可持续发展4。由于在人类活动较少的地域更加有利于抽水蓄能电站的建设与运行 5，因而它在我国广阔的西北地区发展速度很快。但是在以新疆为代表的西北寒旱地区，平均海拔高，降水量少，土层贫，盐碱含量高，生态环境较脆弱 7，加之还有放牧活动等因素的影响，造成了这些地域的抗水电工程干扰能力较弱。抽水蓄能电站建成后，常形成大量裸露边坡，而且这些边坡的生态恢复与植被重建难度很大，自然演替过程十分漫长10 。将人工扰动后的边坡植被进行生态重建是一种可行的办法12，但是首先需明确边坡在工程扰动前后的环境因子差异，针对不同工程干扰边坡水土变化特征而进行差异性修复 13。本文以新疆阜康抽水蓄能电站为例，针对工程干扰后的不同海拔、不同坡度、不同类型的2 6 个边坡土壤特性进行了分析，研究结果为当地的土壤改良奠定了基础，对西北寒旱地区抽水蓄能电站施工扰动后的生态恢复具有一定的参考意义。1研究区概况阜康抽水蓄能电站位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州，地理坐标为东经8 7.9 8，北纬44.16。工程所在地海拔1540 2 40 0 m，在温带大陆性气候的影响下，当地寒冷、干旱特征明显15。工程扰动后上下库连接公路两旁形成了大量3545的边坡，土质以岩石、砂砾、岩质土为主。为了对植被恢复提供依据，本文在上下库连接公路处，选取了不同海拔、不同坡度、不同路段、不同类型的2 6 个边坡（表1）土壤进行了系统分析。2石研究方法2.1土壤取样在确定的采样点上，先用小土铲去掉表层土壤，然后采用“之”字采样法倾斜向下2 0 2 5cm切取。为减少土壤差异，提高土样代表性，在同一采样地采集7 个土壤样品置于保鲜袋中进行含水量分析，混合均匀后取出1kg进行理化性质分析 16 。2.2自然含水量及pH值分析按照罗爽等17 描述的方法，在每个样地取1520g土壤，置入10 52 的烘箱中处理7 8 h至恒重，19亚热带水土保持第35卷表1上下库连接公路边坡地的分布特征编号平均海拔文（m）LZD11692LZD21817LZD31836LZD41847LZD51820LZD61918LZD71892LZD81890LZD91995LZD102021LZD112103LZD122125LZD132104LZD142135注：分别以草地（CD）和森林（SL）作为正对照，反映工程扰动前的边坡状况。然后置入干燥器中冷却，30 min后称重，用质量差土样质量，g。计算含水量，每个样品设置三个重复。采用电位法2.5土壤速效磷的测定测定土壤的pH值 18 。称取通过1mm孔径筛子的风干采用碳酸氢钠提取比色法分析土壤的速效磷含土，放入50 ml烧杯中，然后加入适量蒸馏水用玻璃量 2 。取过1mm筛孔的风干土，加入0.5mol/L的碳棒搅拌1min，静置半小时后，用酸度计的指示电极酸氢钠溶液，振荡30 min后，用干燥无磷滤纸过和参比电极插入土壤悬液中，读取pH值。每个样品滤，在滤液中加入硫酸钼锑抗混合显色剂，摇匀并三个重复。静置30 min后测定波长6 6 0 nm的吸光值，根据标准曲2.3有机质含量测定线中的磷含量计算其浓度。采取重铬酸钾消煮法测定土壤的有机质含量。2.6统计分析方法称取通过0.2 mm筛孔的风干土样，放入干燥的硬质所有数据均采用GraphPadPrism5.0进行统计试管中，加入0.4mol/L的重铬酸钾一浓硫酸溶液分析和作图，样本容量为2 8，重复数3，以0.0 1的概5mL，18 0 消煮10 min后冷却，然后以邻啡啰啉亚率值进行显著性检验分析。铁溶液为指示剂进行滴定，计算剩余的重铬酸钾的3结果与分析含量。实验以二氧化硅作为空白对照。每个处理三3.1扰动边坡的相对含水量分析个重复。水分条件是该地域的一种重要的生态限制因2.4土壤全氮测定子，因此本文首先测定了工程扰动后的不同边坡其采用半微量凯氏法测定土壤的全氮含量 2 0 。称相对含水量的差异，为植被恢复及土壤水分管理和取通过0.2 5mm筛的风干土样，置入干燥的开氏瓶灌溉提供依据。测定结果表明，大多数上下库连接底部并用少量无离子水湿润，加入2 g加速剂（硫酸公路边坡的含水量都低于8%，表明缺水严重，其中钾、五水硫酸铜与硒粉按照10 0：10：1的比例混LZD1、XZD 5和XZD12这三块边坡的含水量相对较匀）和5mL浓硫酸后消煮2 h，待冷却后置入半微量高，其含水量接近8%，但仍然低于工程扰动前的正定氮仪上进行蒸馏。在冷凝管末端加上含有5mL浓对照CD（草地）与SL（森林）边坡（图1）。度为2%的硼酸指示剂，用0.0 1mol/L盐酸标准溶液为了进一步分析含水量差异形成的原因，本文滴定馏出液。比较了不同边坡的海拔高度、坡度角、坡面类型和TN=（V-V 0)XC H x 0.0 14/m 10 00(1)式中：TN为土壤全氮，%；V为滴定试液时所用酸标准溶液的体积，mL；V O 为滴定空白时所用酸标准溶液的体积，mL；C H 为酸标准溶液的浓度，mol/L；0.0 14为氮原子的毫摩质量；m为烘干20坡向坡度原始植被编号平均海拔(m)阳坡37阳坡43阴坡37阳坡37半阳坡33阳坡39半阳坡39阳坡42阳坡31阳坡39阴坡47阴坡42半阳坡43阴坡39坡向灌丛XZD1乔木林XZD2乔木林XZD3乔木林XZD4乔木林XZD5草地XZD6乔木林XZD7灌丛XZD8灌丛XZD9灌丛XZD10乔木林XZD11乔木林XZD12灌丛CD灌丛SL原始植被类型对含水量的影响（图1A-D）。结果表明，坡度角、坡面类型及原始植被类型对含水量的影响不大，而随着海拔高度从16 9 2 m上升到2135m的过程中，土壤含水量呈下降的变化趋势(R=0.3193)。坡度原始植被1809阳坡1864半阳坡231918半阳坡251920半阳坡411897半阳坡411864阳坡1825184320092107203120391883820131641阳坡40阳坡40阴坡42阳坡42半阳坡39阳坡38阴坡35半阳坡42灌丛乔木林乔木林乔木林乔木林灌丛灌丛灌丛灌丛草地乔木林灌丛草地乔木林第3期注：A-D分别表示不同海拔、不同坡度角、不同受光类型及不同坡面的原始植被对含水量的影响，以CD和SL为正对照，分别与受损边坡进行比较，*代表差异达到极显著水平（P0.01，n=3）。3.2扰动边坡的酸碱度分析由于新疆阜康抽水蓄能电站所处的天山北麓地区大部分土壤属盐碱土，本文利用电极法测定了28（2 6+2）个边坡土壤的酸碱度。结果表明，除了未受工程扰动的森林（SL）边坡呈中性外，其他所有地块均为碱性，包括另一个未受工程扰动的草地A1019-8761692C1019-8-7-6+注：A-D分别表示不同海拔、不同坡度角、不同受光类型及不同坡面的原始植被对土壤pH值的影响。*代表差异达到极显著水平(P 0.01,n=3)。21严良平，梁月，崔博涛，等：水电工程公路边坡的土质分析A0.31B0.37SL*(%)喜水0.20.1+0.01692C0.370.2（%）0.10.0+SL6000.2-CD*881864海拔高度（m）SLCD阴坡半阳坡阳坡图1工程扰动边坡的含水量分析（CD）边坡，这一方面说明工程扰动后土壤的碱性变化加剧（图2），另一方面说明森林生态系统抗工程扰动能力强，生态系统更稳定。进一步分析表明，因工程扰动后造成的土壤碱性变化趋势与边坡的海拔高度、坡度角、坡面受光类型及原始植被状况没有明显的相关关系（图2 A-D）。B1019800880-8CDSL18641920海拔高度（m）8SL阴坡半阳坡阳坡图2 工程扰动边坡的酸碱度分析CD*R2=0.3193R2-0.10960.1-0.0+19202135213588881020坡度角（）D0.30.20.10.0+8-76+0D1019876+30CD*草本灌木林乔木林8SL1020坡度角（）草本灌木林乔木林40SL*30408SL*5050亚热带水土保持第35卷3.3扰动边坡的有机质含量分析土壤有机质是土壤肥力高低的一个重要指标，可改善土壤的物理性状和缓冲能力，对贫地区的土壤改良至关重要。由于研究区土壤以砂土类型为主，有机质含量普遍不高，共有11块扰动边坡的有机质含量低于2%，表明在植被重建的过程中这些地方需要补充有机质以改良土壤（图3A-D）。但是CD和SL的有机质含量均高于10%，显示工程扰动对A2001150-100-50-01692C200150100-500注：A-D分别表示不同海拔、不同坡度角、不同受光类型及不同坡面的原始植被对土壤有机质含量的影响。*代表差异达到极显著水平（P0.01，n=3）。3.4扰动边坡的总氮含量分析为了评价上述工程扰动边坡的氮素营养水平，本文利用半微量凯氏定氮法测定了它们的总氮含量，结果显示大多数工程扰动边坡的含氮量均低于0.2%（图4），其中有10 块边坡的含氮量低于0.05%，显示处于严重缺氮状态，需要在后期的土壤改良中予以重视。正对照CD和SL的含氮量远高于这些工程受损的边坡，显示工程扰动对土壤含氮量的影响较大。同时，结果显示边坡含氮量与有机质的含量高度正相关，其相关系数R2达到0.9 58 1。与对土壤有机质的含量影响类似，海拔高度、坡面受光类型及坡面原始植被对含氮量影响不大（图4），同是坡面的坡度角在一定程度上可以影响边坡的含有机质含量的影响较大。进一步分析表明，海拔高度、坡面受光类型及坡面原始植被对土壤有机质含量的影响不大（图3），可是坡面的坡度角在一定程度上可以影响边坡的有机质含量，从图4B中可以看出，随着边坡角度的增加，有机质的含量有一定的上升趋势，两者之间有一定的弱相关作用（R=0.24)。B2001SL*150CD*10050-18641920海拔高度（m)SL*CD8阴坡半阳坡阳坡图3工程扰动边坡的有机质含量分析氮量水平，随着边坡角度的增加，含氮量有一定的上升趋势（图4B）。3.5扰动边坡的速效磷含量分析土壤速效磷，系指土壤中存有的能在短时期内为植物所吸收利用的那一部分磷，在农业生产上测定土壤速效磷可以观测和了解土壤对作物的供磷状况，为合理施用磷肥提供科学依据。与其他的指标不同，与正对照CD和SL相比，大多数工程扰动后的边坡土壤磷并不缺乏（图5），可能与盐碱性质有关，海拔高度、坡面受光类型、坡面的坡度角及原始植被对含磷量影响不大。表明在土壤改良中，磷营养的改良处于次要地位。SL*CDR2=0.2421350D200715010050-010CD草本灌木林乔木林20坡度角（）SL30405022第3期严良平，梁月，崔博涛，等：水电工程公路边坡的土质分析A87642-8.801692C81642-0+E8(ay/a)6-4-2-0-0注：A-D分别表示不同海拔、不同坡度角、不同受光类型及不同坡面的原始植被对土壤含氮量的影响，E表示含氮量与有机质含量的相关性分析。*代表差异达到极显著水平（P0.01，n=3）A8060-4001692C8060-(ay/au)40-0注：A-D分别表示不同海拔、不同坡度角、不同受光类型及不同坡面的原始植被对土壤含磷量的影响。B81SLCD1864海拔高度（m）SL*CD。88阴坡半阳坡R2=0.958150100有机质含量（g/kg）图4工程扰动边坡的含氮量分析B806088800818641920海拔高度（m）0000阴坡半阳坡阳坡图5工程扰动边坡的含磷量分析SL6CD4219202135D876482阳坡1502008002135040200+08060-40-2010CD*草本灌木林乔木林8881020坡度角88。草本灌木林乔木林20坡度角（）SL080030）8304040505023亚热带水土保持第35卷4结论4.1抽水蓄能电站工程施工后所形成的人工边坡其含水量、酸碱度、有机质含量、含氮量均发生了明显变化，而对含磷量影响不大，所以未来土质改良应重点放在前四个指标上。4.2随着海拔高度增加，不同人工边坡土壤的含水量呈现下降趋势，这与刘月华等 2 2 的研究结果不一致，这可能由于本研究所采用的土样均来自工程扰动后的边坡，而前人的研究均采用自然边坡所致。4.3坡度角影响着土壤有机质含量和含氮量这一对高度正相关的指标，而坡面受光类型、原生植被对人工边坡的影响不大。4.4经抽水蓄能电站工程施工扰动后的人工边坡，其有机质含量和氮素营养严重缺少，共10 块边坡需要外源补充氮元素，在生态恢复过程中应注意增施有机肥和氮肥，可考虑在生态恢复中以豆科植物为主，以充分发挥其固氮和氮素的改良作用。参考文献1袁寿其，方玉建，袁建平，等我国已建抽水蓄能电站机组振动问题综述 J水力发电学报，2 0 15，34(11):1-15.2 任海波，余波，王奎，等“双碳”背景下抽水蓄能电站的发展与展望 J内蒙古电力技术，2 0 2 2，40(03):25-30.3钱继源，张鹏，袁翔植被混凝土生态修复技术在抽水蓄能电站边坡中的应用 J人民黄河，2 0 2 2，44(S1):147-148.4陈晶，余振国，孙晓玲，等基于山水林田湖草统筹视角的矿山生态损害及生态修复指标研究 J环境保护，2 0 2 0，48(12)：58-6 3.5林学瑞，张茨林，黄立南南亚热带地区大型抽水蓄能电站库区森林植被调查研究 刀 中国水土保持，2022(02):61-65.6 冯黎，王社亮西北地区发展抽水蓄能电站的意义与面临的主要问题 刀：西北水电，2 0 14(0 2)：1-4.7 张雪梅，祁向坤，岳跃民，等喀斯特峰丛洼地石漠化治理自然地域分区 J生态学报，2 0 2 0，40（16)：5490-5501.8 白永飞，潘庆民，邢旗草地生产与生态功能合理配置的理论基础与关键技术 J科学通报，2 0 16,61(02):201-212.9纵向群，王轩抽水蓄能电站生态边坡支护技术探讨J人民黄河，2 0 2 2，44(S1)：16 2-16 3.10】陈占才连云港临洪水利枢纽运行调度模式探析J：江苏水利，2 0 2 1(0 6)：6 0-6 3.11】白钰，曹媛，刘战平山西宁武县汾河流域山水林田湖草生态保护修复思路与实践 J西北水电，2020(S2):16-21.12 刘强，李熙，江世雄，等输变电工程边坡生态防护关键问题及发展趋势 J人民长江，2 0 2 2，53（S1)：16-20.13黄志元，刘宝华，崔星怡，等输变电工程对土壤环境的影响及其防控 J农业资源与环境学报，2 0 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