线性建设项目水土保持监测方法简析——以陕北某输气管道工程为例

冀文慧，贾莲莲

（1.陕西省水土保持生态环境监测中心，西安710004；2.黄委会黄河上中游管理局，西安710021）

该输气管道工程陕西段长度约200km，横跨毛乌素沙地和黄土丘陵沟壑两个地理单元，生态环境脆弱。通过水土保持监测结果表明：项目区通过植物、工程措施的合理布设，土壤流失控制比到达合理水平，水土保持各项措施合理有效，水土保持措施评价指标均达到规范要求。

1 项目区基本概况

1.1 自然概况

输气管道工程跨越毛乌素沙漠、河谷川台、石质山区、黄土丘陵沟壑区等地貌单元，地形地貌较为复杂，地势陡峭，地形起伏大。项目区春季干旱多大风，夏季高温多雷雨；秋季凉爽而短促，冬季干寒且漫长，日照充足。年内降雨集中在6－9月，12月至次年2月降水很少。主要土壤类型为风沙土、黄绵土。质地粗，无结构，透水性强，持水力弱，土质松散，肥力很差，易风蚀。

黄土丘陵区的原始植被少有保存，仅有次生的白羊草、茭蒿、铁干蒿、针茅草、酸枣、黄刺玫等组成的草灌丛。人工种植的主要有杨、柳、榆、刺槐、油松、侧柏等乔木林；柠条、沙柳、花棒、踏郎、紫穗槐、沙蒿等灌丛、半灌丛，草木樨和沙打旺等。乔木林主要分布在农田、道路边以及渠河岸地段。

1.2 水土流失现状

项目区生态环境本底稳定性差，易遭受破坏，且由于近期大规模开发建设活动的作用，使生态环境遭到日益严重的破坏。管线工程经过的地带，有风成沙丘、黄土丘陵沟壑等地貌类型。水土流失类型复杂多样，有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀等，水土流失强度不一，以中、强度流失为主，部分地区达极强度。

本项目水土流失特点为工程施工方式种类多、强度大，在20～30m范围内的作业带中进行管沟开挖、回填和施工等，大面积破坏地表植被，增大地表裸露面积。工程管道线路长，沿途经过地貌类型有风成沙丘、黄土丘陵沟壑等，水土流失类型及土壤侵蚀强度各异，集中堆放与回填等工序复杂，管线施工造成的水土流失总量较大。沟头防护、防风固沙等治理措施复杂，水土流失治理难度较大。

2 监测内容和目标

2.1 监测内容

①项目区水土保持生态环境变化监测，包括水土流失防治责任范围动态监测、降雨、地形、工程挖方、填方数量及面积、弃土、弃渣量及堆放面积等的监测；②水土流失及其危害监测；③水土保持措施效果监测，包括防治措施的数量与质量及水土流失治理度、扰动土地整治率、土壤流失控制比、拦渣率、林草覆盖度、植被恢复系数等6项量化指标的监测。

2.2 监测目标

①监测数据能定量反映本项目水土保持措施的实施质量及实施效果。②监测结果能说明项目区的水土保持生态环境变化。③对监测对象在气象灾害条件下做出快速反应，以达到能快速采取防护措施提供决策支持的目的。

3 监测方法

监测手段以调查与定位观测相结合，主要通过踏查、询问调查、抽样调查等手段，同时选取一些典型地段利用仪器设备定点观测［2－5］。

3.1 扰动面积监测

对于管线敷设区，因其线性分布，采用分层抽样调查法监测扰动宽度。根据管线长度与抽样扰动宽度相乘得扰动区面积。分层抽样调查法如下：

根据地貌类型的不同共分为两个层：第一层，沙漠滩地；第二层，黄土丘陵。

总体平均数的分层抽样估计值：

总体平均数估计值的误差限：

式中：Pc——可靠性百分数，本次监测中取90%。

监测点总数N由式（3）求得。

式中：tα——概率为α相对应的学生氏t分布双侧分位数，在90%可靠性下取1.66；sh——h层内某一调查指标的标准差。

各层数量指标平均数误差限Δ（¯yst），由式（4）计算。

自由度f＝Nh－L，估计精度Pc由式（5）求得。

3.2 水土流失量监测

（1）水力侵蚀。针对不同地表扰动类型水土流失强度的监测，采用定位观测方法，即侵蚀沟量测方法、简易小区法等。

①侵蚀沟测量法。在管线施工扰动地表选择有代表性地段，选定样方（20m×5m），用皮尺在全坡面的上、中、下分设量测断面，量测每一断面全部紊沟、细沟的深度和宽度，算出断面平均冲刷深和宽，再量测沟线长，计算调查区侵蚀总体积，推算土壤流失量。计算公式如式（6），式（7）。

式中：∑S1，∑S2，…，∑Sn——1，2，…，n断面量测沟谷面积求和；B——调查范围宽；L——调查范围长；N——量测断面数；R——泥沙容重，通常黄土为1.25～1.35g／cm3。

②简易小区法：在施工扰动带选取适当的坡面布设径流小区（20m×5m），边界用石棉瓦围成矩形边墙，在小区低端设置土工布积水槽。每次降雨结束后通过量测泥沙沉积量，推算土壤流失量。

（2）风力侵蚀。采用定点观测，选取对照样地利用集沙仪和测钎法对观测数据进行分析计算，得出加速风蚀系数。

3.3 防治效果监测

（1）林草措施监测。采用系统抽样法获取基础统计数据，依次推断各项监测指标。选有代表性的地块作为标准地，标准地的面积为投影面积，要求乔木林20m×20m、灌木林5m×5m、草地2m×2m。分别取标准地进行观测并计算林地郁闭度、草地盖度和类型区林草的植被覆盖度。计算公式为：

式中：D——林地的郁闭度（或草地的盖度）；C——林（或草）植被覆盖度（%）；fd——样方内树冠（草冠）垂直投影面积（m2）；fe——样方面积（m2）；f——林地（或草地）面积（hm2）；F——类型区总面积（hm2）。

标准地的灌丛、草本覆盖度调查，采用目测方法按国际通用分级标准进行。

（2）工程措施监测。采用典型调查与普查相结合，调查水土保持工程措施的布设、数量、质量、稳定性等。

4 监测结果与分析

4.1 降雨监测

根据各县（区）气象站资料调查结果，项目区多年平均降水量366～411mm之间，降雨集中在7－8月，该时段内的降雨量占全年总降雨量的50%～60%。项目区近年降雨量情况见图1。从图中可以看出，降雨量自2003－2006年总体呈逐渐下降趋势，靖边县降雨量波动最为明显，神木县与榆阳区降雨量变化大致相同。

图1 项目区降雨量变化

4.2 扰动面积监测

（1）样本容量的确定。首先进行预调查，预备调查的方法采用在所分2个层上每层随机布设样点，分别调查管线宽度数据。经计算，此项目样本容量26，即需要调查的样点数。实际抽样调查中，在按照精度和可靠性确定了样本容量后，为使抽样推断结论更保险，在所确定样本容量的基础上增加10%。即总体样本数为29个。

层权Wh＝某层线路长度／陕西段线路总长

第h层调查样本容量＝nWh

经计算，第一层为15，第二层为14既可满足抽样精度要求。

（2）监测点的布设。各层监测点采用每5km设1个，地形相近线段测点适当减少，地形多变线段监测点适当加密，各类监测样点交错布设，共计42个样点。

（3）总体平均数、误差限和精度。总体均值估计值：

估计误差限：

（自由度f＝Nh－L）

估计精度（Pc）：

抽样调查结果见表（1）。

表1 管线施工扰动宽度抽样调查成果

（4）扰动面积监测结果。监测结果表明，项目建设扰动原地貌共计702.9hm2。其中，管道作业带649.93hm2（沙漠滩地 353.98hm2，黄土丘陵区295.95hm2）；输气站场10hm2；伴行公路35hm2；施工场地1.5hm2；弃渣场6.5hm2。

4.3 水土流失监测

（1）风力侵蚀。选择典型地段，采用集沙仪、插钎＋水准仪等方法进行原地貌固定沙地、工程作业带扰动区风蚀深度、沙丘位移及风蚀量对比观测。2005年与2006年监测结果见表2－3。

①沙丘移动观测主要采用插杆法，分别选择扰动后裸露面与原地貌沙丘对比观测，在垂直沙丘走向的迎风坡脚、丘顶和背风坡脚分别插上标志杆（木杆、钢钎），间隔一定时间，量测并记录其位置及标杆高度的变化，便可得出沙丘移动的方向、速度以及沙丘不同部位的蚀积状况，如表2所示。

表2的监测结果表明，2005年作业带沙缘线平均位移52.5cm，是原地貌半固定沙丘位移的4.29倍；2006年作业带沙缘线平均位移84.5cm，是原地貌半固定沙丘位移的5.04倍。

②近地层输沙量测定。采用集沙仪法，集沙仪的进沙口正对风向，见于野外风速风向的多变性，对于＞9m／s的风，一般集沙0.5～2min，对于＜9m／s的风，集沙2～5min。自然界影响风的搬运能力的因素十分复杂，它不仅取决于风力的大小、沙粒的粒径、形状和比重，还受沙砾的湿润程度、地表状况和空气稳定度等影响。风蚀量监测成果如表3所示。

表2 沙丘位移监测成果cm

表3 风蚀量监测成果表 cm

观测结果表明，2005年度管道作业带裸露面风蚀深度、侵蚀量分别是原地貌固定沙地的3.22，2.36倍。2006年风蚀深度、侵蚀量分别是原地貌固定沙地的2.16，3.15倍。

（2）水力侵蚀

①侵蚀沟测量法。在管线施工扰动地表选择有代表性地段，选定样方（20m×5m），用皮尺在全坡面的上、中、下分设量测断面，量测每一断面全部紊沟、细沟的深度和宽度，算出断面平均冲刷深和宽，再量测沟线长，计算调查区侵蚀总体积，利用公式推算土壤流失量。

观测结果表明汛期平均侵蚀量1 044t／km2。由于它忽略了坡面面蚀量，所以结果往往偏小。根据捷克扎契1982年的研究，观测值比实际侵蚀量偏小10%～30%。

②简易观测小区。在作业带扰动地表设置监测小区（20m×5m），小区边界用石棉瓦围成矩形边墙，小区底端设置土工布集水槽，每次降雨结束后通过测定泥沙沉积量，推算土壤流失量。监测结果见表4。

表4 管线作业带水蚀监测成果表

5 结论

（1）线性工程由于涉及范围广，所经地区生态类型多样，地貌类型复杂，全面调查几乎是不可能的。因此，通过利用抽样调查的方式获取所需数据，并以此对区域的整体特征进行推断，是一种新的水土保持监测方法尝试，同时结合常规方法对项目区实施全方位监测，具有一定的现实意义。

（2）监测结果表明：①管线工程所经地区水土流失以水力、风力侵蚀为主，植物、工程措施能够很好地发挥防护作用，起到了良好的水土保持效果。②植被恢复系数：风沙区植被盖度10%～30%，非流沙面积50%～70%，植被恢复系数达到98.88%。③拦渣率：工程施工中能有效地减少弃渣量，少量的弃渣，就地平整，恢复植被，拦渣率达97%。④扰动土地整治率：防治责任范围内扰动土地治理率达到97.62%。⑤水土流失治理度：施工第一年各标段管道敷设为主，至2005年7月底，管道全线施工完毕，管道沿线采用沟埋的方式，土方开挖、回填量大，管沟开挖与回填量基本持平，管道沿线产生的弃渣量不大。由于沿线地貌类型不同，管线爬坡与河道穿越较频繁，同时沿线途经大量耕地。因此防护措施多样，主要包括作业带植被恢复、耕地复垦、站场道路硬化、绿化、浆砌护坡、截水沟、挡土墙、临时挡土墙、排水工程等。水土流失总治理度为97.09%。⑥林草覆盖率：工程施工扰动面积702.93hm2，施工期末林草措施面积为463.2 hm2，林草植被覆盖度为65.89%。监测结果表明：项目区生态效益，蓄水保土效益，经济效益以及社会效益均得到了显著发挥和提高。

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