利用超声测钎对秦岭特高压工程土壤流失的研究

雷 磊，吴 健，万 昊，2，王 良，王焕郎，姚金雄，杨 威

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100； 2.国网(西安)环保技术中心有限公司，陕西 西安 710100； 3.国网陕西省电力公司，陕西 西安 710100； 4.西安理工大学电气工程学院，陕西 西安 710048)

0 引言

水土是生存和发展的基本条件，是一种不能够被取代的基础资源，在生产和生活上都对人类有着重要的作用。因气象和地质灾害影响，西北地区的风蚀和江南地区的水蚀现象尤为严重[1]。为了调节我国能源分布不均匀以及适应需求逆向的分布，特高压输电工程的建设现在被国网公司高度重视[2]。在这些工程的建设过程中，会不可避免地对建设地区的水土流失造成一定的影响[3-4]。秦岭地区横跨多个区域，不可避免地会受到这些输电工程的影响。秦岭地区自然地貌复杂，其土壤流失情况影响因素并不确定，虽然对于秦岭一些地区的土壤流失情况有了一些研究，但是对于输变电工程建设后秦岭地区土壤流失情况的研究仍然很少，并且在工程建设后是否能得到良好的治理也并不清楚。目前，对于土壤流失情况的计算有着多种方法和手段[5-8]，但大多核心内容均依托于测钎法。因此，本文利用超声测钎法对输变电工程建中影响到的秦岭部分地区的土壤流失情况进行研究。

1 土壤侵蚀模数计算

土壤流失情况主要由土壤侵蚀模型来决定，其中最常用的方法为测钎法。

1.1 测钎法计算公式

为了更直观地表征区域的水土流失情况，本文利用土壤侵蚀量来描述水土流失的严重程度，以下是本文给出的几种土壤侵蚀量计算模型。

1)考虑到特高压输电工程的输电杆塔大部分布设在山坡中，因此给出坡面土壤流失量计算公式：

(1)

2)进一步细化，按照时间长度，土壤侵蚀模数可以分为日土壤侵蚀模数、月土壤侵蚀模数以及年土壤侵蚀模数，土壤侵蚀模数可以表征土壤侵蚀强度，模数越大，代表土壤侵蚀越严重。

日土壤侵蚀模数Di(单位：t/km2)：

(2)

式中，ρ为每个测点土壤容重(单位：kg/m3)；hi为第i个测钎的日侵蚀深度(单位：mm)。每个测点9个测钎。月土壤侵蚀模数Mk(单位：t/km2)：

(3)

式中Mk为每个月中日土壤侵蚀强度Di的和。

年土壤侵蚀模数T(单位：t/(km2·a))：

(4)

式中T为每个月土壤侵蚀强度Mk的和。

1.2 无线超声测钎

传统测钎法往往采用人工测量的方法[4]。在水土流失监测初期，在监测地点选定一个适当的坡面，由环水保人员将9根测钎按照3×3排列的方式，同一排和同一列的测钎相隔1 000 mm。将其垂直于坡面埋入土壤里面一部分，并记录每一根测钎暴露在外面的高度。过一段时间后，再由环水保人员去监测点观测并记录测钎暴露在外面的高度。将2次记录的高度做差就可以得到这个坡面在这段时间由于外界干扰而得到土壤流失的高度，再由这个高度，根据土壤侵蚀模型计算得出土壤侵蚀模数和土壤流失量。

传统测钎法是通过测钎这种工具来测量土壤流失高度的最原始的方法，其有着很多的局限性：传统测钎法需要环水保人员经常性地前往监测点进行观察和记录测钎高度。如果监测点处在较为偏僻的区域，对于环水保人员来说就是一件较为麻烦的事情，甚至会导致整体水保工作效率低下。传统测钎法由于是由人工进行观察和测量测钎高度，它的精确性就会受到人类行为的影响，会有一些测量误差，而水土流失高度本来就是一个比较小的数值，如果再由测量误差进行影响的话，对于土壤侵蚀模数和水土流失量的计算就可能会产生比较大的影响。

因此，本文在测钎法计算土壤侵蚀模数的过程中采用了较为先进的无线超声测钎的方法。无线超声测钎是在超声测钎的基础上改进而来，它测量水土流失厚度的方法与超声测钎相同：即在传统测钎的基础上加一个超声探头，利用超声探头发出的超声波来测量水土流失厚度。

新型超声测钎如图1所示。具体工作原理为：由超声波探头发出超声波，超声波会经历2个反射面，第一个是标准反射面，第二个是被测反射面。标准反射面的距离是固定的，可根据从标准反射面收到的反射超声波测得当前的声速，再根据声速和被测反射面反射回来超声波的时间来测量被测反射面的距离。得到的距离即为水土流失的厚度，而之前的超声测钎的供电还有数据传送都是通过连接在超声波探头处的数据线将数据传送到本地。无线测钎则不需要冗长的数据线，它直接通过4G信号就可以将测得的数据传送到本地。

图1 超声测钎原理图

利用无线超声测钎可以准确便捷地测量出监测地点的土壤流失厚度，无线超声测钎的安插方法和传统测钎相同，如图2所示。

图2 秦岭地区超声测钎点位布置

2 土壤侵蚀模数因素

2.1 土壤侵蚀模数与坡度的关系

为了研究土壤侵蚀模数与坡度的关系。在秦岭段的4个站点中取商洛市镇安县作为试点。分别在平地(坡度为0°)、5°、10°、15°坡面上进行实验计算，结果如图3所示。可以看出随着坡度的增加，水土流失情况逐渐严重，平缓土地的水土流失情况最轻。

图3 土壤侵蚀模数与坡度的关系

2.2 土壤侵蚀模数与时间的关系

对于秦岭段4个站点中商洛市镇安县的土壤模数随时间的变化情况进行计算，可以得到从2020年5—9月镇安县监测点的土壤侵蚀模数(单位：t/(hm2·a))分别为：580、543、517、475、460、423。可以看出，随着时间的增加，土壤侵蚀模数逐渐减小，并且减小的速度还有着增加的趋势。经与现场人员沟通，这种现象的出现应该是人工治理之后的结果。

2.3 土壤侵蚀模数与地理位置的关系

对于秦岭段4个站点中的土壤模数根据地理位置的变化情况进行计算，计算结果如表1所示。可以看出，随着地理位置越靠近南方，土壤侵蚀模数逐渐减小。就秦岭段而言，越靠近北方，土壤流失情况越严重。

表1土壤侵蚀模数与地理位置的关系

单位：t/(hm2·a)

3 结语

本文定量研究了陕西输变电工程秦岭段水土流失情况的时空分布特征，并对不同时间度、坡度和地理位置等条件下不同土壤侵蚀强度进行了分析，研究结果补充了秦岭段山区土壤侵蚀研究的空白。结果表明，输变电工程秦岭段土壤侵蚀强度受坡度和地理位置的影响；但随着时间的增加，侵蚀强度从强烈和中度向轻度和微度转化，说明秦岭段水土监测的设立对秦岭山区的水土保持发挥了良好的示范作用。