管道工程水土流失防治措施体系构建的思考

2016-12-20康玲玲王泽元

中国水土保持 2016年11期

关键词：平原区管道工程水土保持

康玲玲，刘坤，王泽元

(1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003； 2.济南树人项目管理有限公司，山东济南250000；3.华北水利水电大学，河南郑州450011)

管道工程水土流失防治措施体系构建的思考

康玲玲1，刘坤2，王泽元3

(1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003； 2.济南树人项目管理有限公司，山东济南250000；3.华北水利水电大学，河南郑州450011)

管道工程；水土保持措施体系；平原区；山丘区

管道输送具有平稳连续、物料损失小、占地少、质量易保证、安全性高、输送量大和费用低等优势，已成为世界各国输送油气的首选方式。管道工程大多为长距离输送(如西气东输、西油东进)，在工程建设过程中会跨越不同的地貌类型和侵蚀类型区，有的受交通道路、河流、现有基础设施的限制还需要采用穿(跨)越的方式，因此由管道工程建设造成的水土流失不容忽视。在阐述管道工程水土保持措施体系构建必要性的基础上，结合管道工程水土流失和水土保持措施的研究现状，提出了该项研究的主要内容，以及完成研究所采取的技术路线。

管道输送是一种经济、环保的运输方式，已有140余年的发展历史。管道输送具有平稳连续、物料损失小、占地少、质量易保证、安全性高、输送量大和费用低等优势，已成为油气输送的首选方式。1865年美国建成了世界上第一条输油管道，目前全世界已建成输油管道250万km，并且以每年4万km的速度递增，承担了95%以上的原油输送任务。尤其发达国家和中东产油区的油品运输已实现管道化，发达国家的原油管输量占总输量的80%，天然气管输量达总输量的95%，其中美国的输油管道已超过29万km，输气管道已超过30万km[1]。

随着我国经济快速发展与油气资源需求剧增，输油气管道凭借其独特的优势，已成为我国能源输送的发展重点。自1959年我国第一条长输油气管道——新疆克拉玛依油田至独山子炼油厂原油外输管道建成投产以来，50多年间我国长距离输油、输气管道建设已取得长足进展。现如今，我国70%的石油和99%的天然气都是通过管道运输的。

“十一五”期间，我国新建油气管网2.8万km，总投资1.8万亿元，形成了初具规模的跨区域油气管网，架构了我国“北油南运”“西油东进”“西气东输”“北气南下”“海气登陆”的油气空间输送格局。 “十一五”期末，我国长输干线油气管网总长度达到8万km，海上油气管道近5万km，构成东北、西北、西南、海上四大油气通道。“十二五”期间，我国加快西北、东北、西南和海上进口油气战略通道建设，重点建设项目包括中哈原油管道二期、中缅油气管道境内段、中亚天然气管道二期，以及西气东输三线、四线工程，全国约新建天然气管道4.5万km、原油管道9万km、成品油管道2万km[2-3]。

1 管道工程水土保持措施体系构建研究的意义

管道工程在施工过程中的开挖、临时堆土、回填等环节均会对土壤结构、土壤养分造成破坏，改变土地利用类型，使土壤退化，引起水土流失。仅“十五”期间，我国的管道类项目总计就达3 321个，且基本呈逐年上升趋势，随着国际能源的开发及我国能源需求的增加，“十一五”“十二五”期间我国管道类建设项目的数量持续增加[4]。据统计，平均每建设1 km输油(气)管道，就会新增355 t的水土流失量；同时还有大量土地被占用，如“十五”期间的管道工程总占地为10.6万hm2，其中山丘区占地达4.4万hm2。

管道工程较长，且存在一定的施工宽度，在施工过程中的开挖与碾压，造成环境的人为分割，在某些地区会阻碍动物的迁徙与交流，并造成一定程度的植被破坏。长距离输油(气)管道的建设，还会人为割裂原本一体的景观，形成人为屏障，使景观破碎度提高[5]。因此，构建管道工程水土流失防治措施体系十分必要。

2 管道工程水土流失特点

2.1 平原区管道工程水土流失特点

一般情况下，为降低施工难度与建设成本，同时满足油气输送需求，管道工程大多布局在平原区。平原区管道工程的水土流失特点与危害大体可归纳为以下几个方面：

(1)水土流失时间长，造成的后果较为隐蔽。管道工程在施工过程中往往会将站场阀室区、施工生产生活区等布设在平原区，这就使得扰动面积增大，扰动时间延长。由于是平原区，所以在施工中即使造成较为严重的水土流失，一般也不会引起足够重视。

(2)表土剥离量大。管道工程管沟开挖深度主要由管径、冻土深和安全层厚度等因素来决定。除东北和西北严寒地区外，大多为1.2～1.5 m，加上其他区域剥离的表土，管道工程建设将会产生大量的临时堆土。由于施工期较长，这些堆置表土很容易流失，因此造成表土资源的流失与浪费。

(3)在水网密集的平原区，管道工程水土流失的危害更加严重、直接。管道工程穿(跨)越河道时会产生大量泥渣，并且河道两岸的穿(跨)越施工可能引起河岸的坍塌，大开挖穿越会加剧河道底部的侵蚀，使下游河道淤积严重，影响行洪[6-7]。

(4)在一些特殊平原区，还会产生较为严重的风蚀。如黄泛区平原、滨湖滨海平原，施工产生的临时堆土会产生较严重的风蚀[8]。

(5)在东北高寒地区的平原，还会产生冻融侵蚀，并且使多年冻土受到扰动，在管道运行后还会产生融涨、冻胀等地质危害[9]。

(6)管道工程在平原区会大量穿越公路、铁路、河道等，穿越方式通常有定向钻、顶管及大开挖三种。穿越工程会产生大量的弃土(渣)，并且施工场地占地面积较大，产生的水土流失量也较大。

2.2 山丘区管道工程水土流失特点

山丘区是我国水土流失防治的重点区域，我国山丘地貌分布广泛，管道工程在山丘区施工造成的水土流失与平原区既有共性，又有其特性。山丘区管道工程的水土流失特点与危害，大体可以归纳为以下几个方面：

(1)管道工程所经区域的高陡边坡的开挖，在无防护措施的情况下会发生崩塌滑坡的危险，特别是管道工程施工道路的修建和管沟开挖，均会产生较严重的水土流失。

(2)山丘区的生态条件本身就比较脆弱，特别是北方土石山区与西南土石山区。大型管道工程所经之处，都会造成大量的地表扰动，破坏原地貌，并造成珍稀表土资源的大量流失，且以后恢复也比较困难[10-11]。

(3)山丘区的土壤侵蚀类型复杂，水蚀、风蚀及冻融侵蚀都有可能存在，在不同的施工时间、不同的施工位置，其侵蚀的主要外营力是不同的[12]。

我国的山丘主要分布在东北黑土漫岗丘陵区、北方土石山区、南方红壤丘陵区、西南土石山区。不同区域的水土流失主导因子不同，在生产建设过程中要多方考虑土地利用现状、坡度、积温、植被等生态背景因素，结合施工本身特点，因地制宜地布设水土保持措施，防止水土流失。

3 管道工程水土保持措施研究现状

水土保持措施的布设是生产建设项目水土保持工作的重要部分，布设经济、合理、可行的防护措施就能有效地控制人为水土流失，最大限度地减少生产建设造成的水土流失，提高生产建设项目在建设期和运行期的安全度，取得良好的经济、生态和社会效益。

目前，针对水土保持防治措施的研究主要集中在3个方面：一是措施总体布局的研究。这类研究多基于不同区域管道存在的问题进行具体分析，如洪传勋等对新疆管道工程水土保持措施布设体系的研究[13]，赵铭军对西南土石山区的川气东输管道工程水土保持措施体系的研究[14]，张瑞斌等对江苏南部平原水网区管道工程水保措施的研究[15]。二是针对生产建设项目水土流失防治措施体系中植物措施的研究。哈岸英等针对西气东输工程宁夏段水土保持生物恢复与植物措施的研究[16]，赵永军等针对开发建设项目植物措施配置的研究[17]，以及一些学者针对不同侵蚀类型区植物措施的研究等。三是临时措施的研究。生产建设项目造成的水土流失主要发生在施工准备期和施工期，这两个阶段的水土保持防治措施主要是临时措施，李国召等分析归纳了临时防护措施的适用范围与条件[18]，包应宗总结归纳了水土保持临时措施布设的6项原则[19]。

整体来说，针对管道工程水土保持措施布设的研究不多，且一般是根据实际情况，采取相应的措施，在平原区以临时措施与植物措施为主，特殊区域如站场阀室区、河流穿越区会布设相应工程措施。对不同地貌类型布设不同的措施考虑也较少，而且对于如何采取有效的工程措施的研究显得尤为缺乏。

4 管道工程水土保持措施体系构建研究的内容

4.1 管道工程基本特征分析

主要根据已建、在建管道工程主体设计的基本资料，从工程类型、性质、管径、输油气相关技术指标、敷设方式、规模、项目组成、分布概况、占地面积与性质、施工工艺与方法等方面分析揭示管道工程的基本特征。

4.2 管道工程水土流失分析

鉴于我国幅员辽阔，气候类型多样，不同地貌类型区的水土流失主导因子存在很大差异，应在大量搜集已有生产建设项目资料的基础上，综合分析不同地貌类型区的环境特点，结合管道工程的施工工艺与方法，探究不同地貌类型区管道工程的水土流失特点及表现形式，分析其形成原因。主要研究内容包括以下几个方面：

(1)管道工程水土流失成因分析。根据管道沿线地形、地貌特点，结合施工工艺与方法的差异，分析管道工程建设过程中所产生水土流失的主要影响因子与成因。

(2)管道工程水土流失特点分析。按平原区、山丘区分别分析管道工程的水土流失表现方式与特点。

(3)管道工程水土流失危害分析。根据不同类型区水土流失方式与特点，以及管道所经不同类型区的差异与周边环境情况，结合实际发生的典型实例，分析其可能造成的水土流失危害。

4.3 管道工程水土流失防治措施研究

水土流失防治措施的布设是以水土流失特点为基础的。在分析不同地貌类型区及防治分区水土流失特点的基础上，合理布设各类防护措施，使之既能有效地防治水土流失又能节约成本。主要研究内容为：

(1)防治分区研究。根据管道工程基本特征及其施工工艺、方法和沿线地貌特点，研究提出水土流失防治分区划分原则、方法、步骤与基本框架。

(2)不同地貌类型区防治措施体系研究。在研究提出管道工程水土流失防治措施体系布设原则的基础上，按平原区、山丘区等不同地貌，研究建立相应的防治措施体系，说明分区措施布设情况与特点，明确不同类型区分区措施的差异性。

(3)代表性措施的典型设计要点研究。在研究提出不同类型区水土流失防治措施布设原则的基础上，结合管道作业带、站场阀室加压站、施工生产生活区、隧道及弃渣场、施工道路、附属设施，以及跨越工程、穿越工程等防治分区的基本情况，研究提出不同部位、不同时段优选的防护措施，并给出相应典型设计，明确代表性措施的典型设计要点与注意事项。

5 体系构建研究技术路线

以生产建设项目水土保持学和水土保持专业理论为基础，运用生态学、土壤学、林学等基础知识，通过查阅、剖析不同地貌类型区管道工程的水土保持方案、监测及设施验收报告，结合针对部分管道工程的实地调查和管道工程施工工艺方法分析，探索管道工程在不同地貌类型区的主要水土流失影响因子、水土流失特点与危害，提出管道工程合理划分防治分区的原则与方法，针对不同区域的不同侧重点，提出不同类型区的水土流失防治措施体系，并给出代表性措施的典型设计与图件。

(1)工程数量的选择应至少覆盖水蚀或风蚀一种水土流失类型区，所选管道工程规模应至少穿越平原、山丘区中的一种地貌。选择的生产建设项目要分布在全国主要水土流失类型区中。

(2)以水土保持学理论建立区域水土流失主导因子的框架。在基础数据的选择过程中注意选择与水土流失密切相关的自然特点、施工特点，以及工程所在区域的水土保持背景资料(表1)。

表1 管道工程基础数据

(3)水土流失防治措施体系的布设要紧密联系项目所在区域的特点。生产建设项目水土保持的核心是减少人为活动造成的水土流失，只有在充分了解项目区环境特点的基础上，结合项目建设的特点，才能科学合理地布设防治措施，才能最大限度地起到保护生态和控制水土流失的作用。因此，应充分体现以下几个原则：①工程措施应注重水土资源的保护与利用，并尽可能采用当地的材料；②临时措施要做到适宜(类型)、及时(时间)和高效(成本低效果好)；③植物措施应注意与当地环境与工程特点相结合。

在防治措施体系的布设上，应按平原区、山丘区分别考虑，根据实际情况并结合工程建设特点总体考虑水土保持工程措施、植物措施和临时措施。在研究措施体系的基础上，详细讨论一些典型措施的设计要点，并给出相应的典型设计图件、实施位置与时间。

具体的技术路线如图1所示。

图1 技术路线框图

6 结语

我国社会和经济的发展现处于特殊时期，油气的需求量逐年上升，输油(气)管道凭借其运输量大、效率高、费用低、能耗小等独特优势，成为我国能源输送的重点方式。管道工程作为典型的线型生产建设项目，其防治措施的布设首先应结合线型生产建设项目水土流失防治措施的布设原则，通过实地调查和施工工艺分析，探索管道工程在不同地貌类型区的主要水土流失影响因子、水土流失特点与危害，提出合理划分管道工程防治分区的原则与方法，构建不同地貌类型区的水土流失防治措施体系。

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