江西省典型山地风电场水土流失特征和防治措施研究

2023-07-28许健姜云保黎燕武蔡文彬刘勇李元

中国水土保持 2023年7期

许健　姜云保　黎燕武　蔡文彬　刘勇　李元

［关键词］风电场；水土流失；防治措施；顺坡溜渣；江西省

［摘要］风电场通常位于高海拔山地区，水土流失风险高、危害大，其水土流失防治措施体系建设十分重要。以江西省吉安市华润峡江玉峡风电场工程为例，从扰动面积、水土流失、挖填方量等方面分析山地风电场水土流失动态特征，探讨山地风电场水土流失防治措施体系建设和防治重点。结果显示：风电场风电机组区和道路工程区是新增扰动面积和水土流失量的主要区域，也是风电场水土流失防治的重点区域；水土保持措施应在施工期第1年布设完毕，这样才能起到有效防止水土流失的作用；单台风机挖填方量、造成的水土流失均小于同地区其他风电项目，表明其水土流失防治措施体系取得了显著成效；挡土埂和挂网喷播植草是两种有效的边坡防护措施，可为同地区其他风电项目水土保持设计提供参考。

［中图分类号］ S157［文獻标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）07－0015－05

风力发电技术成熟，具备规模化开发条件，商业化发展前景好，且风力发电几乎不产生污染物[1]，相比于火力发电具有更高的环境价值，推动风电行业发展是顺利实现“双碳”目标的重要举措[2-4]。风电场建设项目通常分布在风能资源富集的高海拔山地区[5]，风机位置选在山顶处且分布较为分散[6-7]，修建进场道路、施工及检修道路时不可避免会产生大量土石方挖填活动，破坏山地植被[8-9]，若水土流失防治措施布设不到位，则会产生严重的水土流失，甚至发生水土流失灾害事件。许多学者针对山地风电场水土流失特征和水土流失防治措施体系建设开展了相关研究，如张华明等[10]以江西省6处典型山地风电项目作为研究对象，定量分析项目占地、土石方、水土流失等指标特征，提出了防治重点和措施布设建议；贝耀平等[11]以安徽省丘陵山地风电场为研究对象，概述了风电场植被恢复的基本原则，并从多个层面提出了风电场的植被恢复方案。然而大多数研究只关注山地风电场水土流失的最终情况，缺少对山地风电场水土流失动态特征和变化规律方面的研究。本研究以江西省吉安市华润峡江玉峡风电场工程为例，选取扰动面积、造成的水土流失、挖填方量等特征指标，分析山地风电场水土流失动态特征，探讨山地风电场水土流失防治体系建设和防治重点，以期为我国南方山地风电场项目水土保持设计提供参考。

1 项目概况

华润峡江玉峡风电场工程涉及江西省吉安市峡江县罗田镇和吉水县盘谷镇、阜田镇，风场处于峡江县与吉水县交界处的万华山—乳峰寺—上垇—中垇—下垇一线的山脊上，开发范围包括东西向整个山脊线长约12 km，区域面积约30 km2，山脊海拔高程235～530 m。项目区地貌类型为丘陵、低山地貌，高程250～550 m，大部分区域坡度15°～20°，局地坡度30°～40°。属亚热带湿润季风气候区，四季分明，气候温和，雨量充沛，日照充足，场内不同地点多年平均气温17.5～18.2 ℃，多年平均降水量1 578.3～1 641.9 mm，汛期主要集中在4—9月，多年平均蒸发量1 352.5～1 497.6 mm，多年平均风速1.8～2.0 m/s，无霜期278～349 d。地带性土壤类型为红壤，土层深厚，土壤理化性质差，矿物质缺乏，易发生水土流失。项目区水热条件好，植物资源丰富，种类繁多，地带性植被为亚热带常绿阔叶林，主要树草种有杉树、湿地松、毛竹、铁芒萁、狗牙根等。

工程于2019年3月动工建设，2021年12月建成，共布置风电机组36台，装机规模82 MW，其中2.3 MW风电机组28台，2.2 MW风电机组8台，额定容量为2 500 kVA的箱式变压器36台；新建110 kV升压变电站1台，集电线路52.5 km（包括架空线路9.9 km和直埋电缆42.6 km）；修建进站道路260 m，施工及检修道路23.87 km，进场道路7.2 km。

2 水土流失防治分区

依据工程建设布局、施工时序和工艺、施工扰动特点、项目区地形地貌特征、土壤侵蚀类型和强度等，将山地风电场分为风电机组区、升压站区、集电线路区、道路工程区、弃渣场区、施工生产生活区共6个水土流失防治分区。①风电机组区。包括风机基础、箱式变电站和风机安装平台3个部分。共安装36台风电机组，配套安装36台箱式变压器，风机与箱式变压器采取“一机一变”的单元接线方式，通过地埋电缆连接，箱式变压器布置在距离风机20 m的位置；为了满足施工安装需要，在每个风机基础旁设置吊装场地，并与场内施工道路相连。②升压站区。升压站位于南北走向的斜坡上，北高南低，高程110～135 m。升压站区分为南、北两个区域，北侧为综合配电房、主变压器、SVG变压器等户外设备，南侧为综合楼、附属用房等生活建筑。③集电线路区。集电线路通常沿着施工检修道路进行布设，既方便施工，又减少占地。项目采用35 kV加工集电线路，风机发电机出口与箱式变压器之间采用1 kV低压电缆直埋敷设连接，通过变压器就地升压为35 kV接入35 kV架空集电线路。④道路工程区。施工道路总长31.33 km，行车道路宽4.5 m，路基宽5.5 m，采用山皮石和混凝土两种路面形式。⑤弃渣场区。依据项目实际情况，共布设3处弃渣场。⑥施工生产生活区。项目实际施工过程中未新增占地用于布设施工生产生活区，而采取租赁民房的形式。

3 研究方法

3.1 扰动面积

基于水土保持方案报告书、水土保持施工图、水土保持监测总结报告、1∶10 000地形图等提取扰动面积，结合无人机摄影测量、卫星遥感测量、人工实测等方法，确定风电场各水土流失防治分区新增扰动面积。

3.2 水土流失

工程水土流失主要发生在风电机组区、道路工程区、弃渣场区、升压站区等开挖或堆填坡面，依据相关规范标准布置观测样地，采取测钎法进行水土流失监测，其中风电机组区布设1个观测样地，道路工程区布设2个观测样地，弃渣场区布设1个观测样地。观测样地布置方法为：汛期前将直径0.5 cm、长100 cm的钢钎按照3×3的形式均匀布设9根，每根钢钎间距1 m（见图1）；钢钎沿坡面铅垂方向打入，钎顶与坡面齐平，并在钎顶涂上红漆，编号登记入册；在每组钢钎附近做上明显记号以便观测；汛期结束或每次暴雨后，通过观测钎顶与地面的高差（或测针数值变化量），计算土层流失深度和土壤侵蚀量。

此外，升压站区通过在出口处的沉沙池收集泥沙来测定水土流失，集电线路区通过室内资料分析和实地踏勘调研的方式获取水土流失。

3.3 挖填方量

基于施工日记、水土保持方案报告书、水土保持施工图、水土保持监测季报和总结报告等确定挖填方量，结合无人机摄影测量、人工现场复核等方式确定。

4 结果

4.1 扰动面积

2019—2021年每季度风电场各水土流失防治分区新增扰动面积见表1。由表1可知，2019—2021年风电场新增扰动面积共计31.17 hm2，其中风电机组区、升压站区、集电线路区、道路工程区、弃渣场区新增扰动面积分别为7.20、1.39、0.43、21.92、0.23 hm2，分别占风电场新增扰动面积的23.10%、4.46%、1.38%、70.32%、0.74%，由此可見风电场新增扰动面积主要集中在风电机组区和道路工程区，二者之和占风电场新增扰动面积的93.42%。从时间上来看，新增扰动面积主要集中在2019年第3、4季度，这是开挖回填活动发生的主要阶段；截至2020年第2季度，风机平台场地平整工作已经完成，道路工程建设基本竣工，这与2020年第2季度开始无新增扰动面积的情况相吻合。

4.2 水土流失

2019—2021年风电场水土流失达2 214 t，其中风电机组区、升压站区、集电线路区、道路工程区、弃渣场区水土流失分别为648、7、28、1 523、8 t，分别占风电场水土流失的29.27%、0.32%、1.26%、68.79%、0.36%。由此可以看出，风电场水土流失主要集中在风电机组区和道路工程区，二者之和占风电场水土流失的98.06%，也是风电场水土流失防治的重点区域。表2为2019—2021年各季度风电机组区和道路工程区水土流失变化。风电机组区水土流失主要发生在2020年和2021年第1、2季度，峰值发生在2020年第2季度，与新增扰动面积集中在2019年第3、4季度相比，水土流失发生的时间相对滞后；道路工程区水土流失持续时间较长，主要集中在2019年第2季度至2020年第2季度，其中2019年第2季度和2020年第2季度水土流失较大，这与项目区4—6月降水量较高有关。从2020年第3季度开始风电机组区和道路工程区的水土流失明显减少，主要原因是这一时期无新增扰动面积，且各水土流失防治区水土保持设施基本建成，道路边坡植被逐渐恢复。

5 风电场水土流失防治

顺坡溜渣是风电场水土流失的重要形式，尤其是道路工程区占地面积大、施工距离和周期长、挖填方量大，是发生顺坡溜渣的主要区域。顺坡溜渣距离远，造成大面积占压土地，极易引发地质灾害，给道路边坡稳定和行车安全带来极大威胁，且后期生态修复难度大、生态恢复治理成本高，需要设计单位、建设单位、施工单位等相关单位高度重视，提前采取拦挡措施。基于资料统计分析，华润峡江玉峡风电场工程风电机组区单台风机挖方量0.65万m3，单台风机填方量0.45万m3，单台风机水土流失18 t。与张华明等[10]研究结果相比，该工程挖填方量和水土流失量均小于同地区其他风电项目，表明该工程的施工工艺和水土保持措施体系建设较同地区其他风电项目更加完善，主要表现在：①充分利用现有的道路，最大程度减少土石方挖填和地表扰动；②对风机平台施工期进行重点管控；③实施了全面有效的水土流失防治措施体系。

5.1 风电场水土流失防治措施体系

基于水土流失防治总体布局思路，依据各水土流失防治区地形、土壤、植被、水土流失、施工工艺、施工时序、施工周期等特点，在主体设计和水土保持专项设计的基础上，结合现场调查，制定水土保持工程、植物、临时措施相结合的水土流失综合防治体系，见表3。

施工前需要对施工场地进行场地平整和剥离表土，剥离后堆放的表土采用苫布做好临时苫盖防护，施工结束后进行表土回填。施工过程中，在风电机组区风机平台四周设置挡土埂，在挖方边坡坡脚处设置排水沟，出口处设置沉沙池，当挖方边坡上方汇水量较大时，在坡顶设置截水沟，施工结束后在风机平台撒播草种，在风机平台周边的挖填边坡实施植草灌护坡；在升压站区四周设置临时排水沟，出口处设置沉沙池，站内设置雨水管和雨水口用于永久排水，施工结束后在升压站内实施园林绿化，并实施六棱空心砖植草护坡；道路工程区道路挖方边坡坡脚处布设临时排水沟，在道路工程施工结束后衬砌为永久排水沟，排水沟出口处设置沉沙池，填方边坡坡脚处设置临时挡土埂，道路工程施工结束后在集水面积较大的挖方边坡坡顶布置截水沟，在道路两侧的挖填方边坡处栽植攀缘植物和实施挂网喷播植草等植物护坡措施；在弃渣场区弃土坡脚布置浆砌石挡土墙，同时布设截（排）水沟、急流槽和沉沙池，在坡顶布置挡水埂，施工结束后在边坡处植草灌，平地区域植树种草恢复植被；雨天时对集电线路区实施临时苫盖，施工结束后撒播草种进行植被恢复。

5.2 典型措施

5.2.1 挡土埂

风电场风电机组区和道路工程区采用挡土埂措施。挡土埂布设在道路外侧和风机平台外侧，可将汇水道路路面汇水拦挡在区域内部并排入内侧排水沟内，有效防止路面汇水引起的水土流失。挡土埂断面宜为梯形，高14～16 cm，底宽30～45 cm，顶宽10～20 cm（见图2）。

5.2.2 挂网喷播植草护坡

道路挖方边坡存在较多高陡的岩质坡面，浆砌石护坡、喷播草籽、栽植爬山虎等措施因地质条件限制、成本高、修复周期长等，故无法达到预期的边坡防护和绿化效果[12]。风电场道路工程区采用挂网喷播植草的方式实现边坡绿化（见图3），其施工工艺为：修整坡面—人工挂铁丝网—人工挂稻草—喷射混合绿化基材（含草籽、黏合剂、保水剂、消毒剂等）—盖塑料薄膜保墒。稻草采用当地农作物作为基材，有效降低了成本；生长出的植被与周边环境融为一体，增加了景观效果。

6 结论

以江西省吉安市华润峡江玉峡风电场工程为例，从扰动面积、造成的水土流失、挖填方量等方面分析山地风电场水土流失动态特征，并提出山地风电场水土流失防治重点。山地风电场新增扰动面积和水土流失主要集中在道路工程区和风电机组区，二者新增扰动面积之和与水土流失之和均占90%以上，是风电场水土流失防治的重点区域。新增扰动面积主要集中在2019年第3、4季度，截至2020年第2季度无新增扰动面积；道路工程区水土流失主要集中在2019年第2季度至2020年第2季度，风电机组区水土流失相对滞后，主要集中在2021年第1、2季度，从2020年第3季度开始风电机组区和道路工程区的水土流失量明显减少。大量土石方开挖回填活动发生在施工期第1年，水土保持措施应在施工期第1年布设完毕，才能起到有效防止水土流失的作用。顺坡溜渣是山地风电场水土流失的主要形式，对道路边坡稳定和行车安全造成极大威胁，设计单位、施工单位、建设单位等应给予高度重视，严禁随意倾倒弃渣。

与同地区山地风电场水土流失情况相比，华润峡江玉峡风电场单台风机挖填方量、水土流失量均明显减少，表明其水土流失防治措施体系取得了显著成效。挡土埂和挂网喷播植草是两种有效的边坡防护措施，可为同地区其他风电项目水土保持设计提供参考。

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