输变电工程表土剥离技术指标研究

赵晓娟,郑树海,姚姬璇,王昕宇,段金贵,陈 卓,田堪良,

(1.西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌 712100; 2.国家电网有限公司 特高压建设分公司,北京 100052;3.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100;4.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

输变电工程是国家电力系统的基础工程,跨越不同的地形地貌,难免扰动地表、破坏植被,造成水土流失和生态破坏。表土的剥离、保护和利用是水土保持和生态修复的重要措施[1-2],制定科学合理的表土剥离保护指标对绿色电网建设具有重要意义。表土是指土地靠近表面的那层土壤,对于农田土壤来说,一般指的是土壤耕层,深30～50 cm;对于绿地、林地来说,一般包括枯落物层、腐殖质层和淋溶层的上部,深20～30 cm。表土是泥土中含有机质和微生物最多的地方,具有良好的肥力特性[3]。一般来说,土壤有机质含量的多少,是土壤肥力高低的一个重要指标[4-6],因此依据有机质含量来划分土壤养分等级、确定表土剥离厚度是一种较为合理可行的方法。表土的剥离厚度决定了表土的剥离量,而表土的剥离量是水土保持措施设计中时常遇到的问题[2],所处区域不同,剥离的厚度也应不同。为了保护利用表土,许多学者对表土剥离的厚度指标进行了研究。《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)、《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575—2012)中提出表土剥离厚度参考值可取20～80 cm,且不同地区参考值范围可有所差别;《水电工程水土保持设计规范》(NB/T 10344—2019)中规定表土剥离深度应结合现场调查和表土检测数据进行确定,宜控制在30 cm以内,若土壤符合质量要求,则剥离深度可放宽到50～80 cm或更深。但相关规范划分的区域范围较为宽泛,时常会造成表土剥离厚度难以确定、缺乏依据及表土利用效率低下等问题。输变电工程跨越不同的土壤类型区,表土的剥离厚度更应有科学合理的指标。本研究以白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输变电工程为例,对土壤养分进行分析、分级,旨在更好地保护和利用输变电工程建设期间的表土资源,为输变电工程表土剥离制定出科学合理的技术指标,为国家绿色生态文明建设提供科学依据和技术支撑。

1 研究材料与方法

1.1 研究材料

1.1.1 土样采集

依托白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输变电工程开展相关研究,分别采集工程沿线四川省、重庆市、湖北省、安徽省及陕西省不同土层深度的表土(见表1),然后测定其土壤有机质含量作为实测值,并与收集的土壤有机质含量预测值(土壤有机碳分布数据集)进行对比分析。同时,将收集到的全国土壤有机碳分布数据集参照全国第二次土壤普查中土壤有机质分级标准来划分出土壤养分等级,利用ArcGIS软件绘制出全国范围的土壤养分分级图及表土剥离分级图,最终为输变电工程提供全国范围内适宜的表土剥离指标。

表1 有机质采样信息

1.1.2 数据集来源

国家地球系统科学数据中心发布的中国高分辨率国家土壤信息格网基本属性数据集_90米土壤有机碳(2010—2018)[7],是全国范围的土壤有机碳含量高分辨率空间分布数据集,其根据中国的土壤分布规律,选取具有代表性的5 000多个土壤剖面,采用深度函数自适应拟合、集合式机器学习等方法生成了90 m分辨率土壤有机碳分布图,垂直方向包括6个土层深度:0～5 cm、>5～15 cm、>15～30 cm、>30～60 cm、>60～100 cm、>100～200 cm。本研究将该数据集作为有机质预测值,与实际采样测得的有机质含量进行对比分析。根据《建设占用耕地表土剥离技术规范》(DB22/T 2278—2015)及相关研究要求,考虑土壤质量和成本两个因素,耕作层土壤剥离厚度一般应在20～40 cm,土层较厚的区域经论证可以扩大到60 cm。故本研究将利用>30～60 cm土层的有机质数据进行划分处理,进而确定表土剥离厚度指标。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤养分差异分析

土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法,由于该方法只能氧化90%的有机碳,因此将测得的有机碳数值乘以校正系数1.1,得到有机碳含量,再乘以平均换算系数1.724得到土壤有机质含量[4]。分层采集土样,即对照数据集分别在0～5 cm、>5～15 cm、>15～30 cm、>30～60 cm土层深度处采样,且每层土壤采集3个重复样,计算其有机质含量的平均值。

对应实际采样点的位置信息查询数据集的有机质含量预测值,将其与实测值的差异性进行分析与评价,使用均方根误差(RMSE)和一致性指数(d)检验数据集预测值的精度,以判断其作为表土剥离划分依据的可行性。公式为

(1)

(2)

RMSE值越小、d值越接近1,表明误差越小,数据集的预测精度越高[8]。

1.2.2 表土剥离厚度指标划定

根据《建设占用耕地表土剥离技术规范》(DB22/T 2278—2015)要求,土壤有机质含量≥10 g/kg时应进行表土剥离。本研究依据表土养分分级标准及表土的利用方式,确定出适宜的表土剥离厚度指标,详见表2。

表2 表土剥离厚度技术指标

通过对相关标准规范[9]、植物的不同生长特性及输变电工程经济效益进行分析,针对不同表土利用方式确定不同的表土剥离厚度:在养分较低的区域即有机质含量<10 g/kg的区域,按照最低的剥离厚度要求进行剥离保护即可;在养分含量较高的区域,剥离厚度需要适当加深,以便最大化保护表土资源。采用ArcGIS 10.8软件的栅格计算器、重分类、编辑器等功能对收集到的有机碳数据集进行处理,最终绘制出全国土壤养分分级图及表土剥离分级图,并针对水土保持区划的一级区提出剥离建议。

全国水土保持区划的一级区分别为:Ⅰ——东北黑土区(东北山地丘陵区);Ⅱ——北方风沙区(新甘蒙高原盆地区);Ⅲ——北方土石山区(北方山地丘陵区);Ⅳ——西北黄土高原区;Ⅴ——南方红壤区(南方山地丘陵区);Ⅵ——西南紫色土区(四川盆地及周围山地丘陵区);Ⅶ——西南岩溶区(云贵高原区);Ⅷ——青藏高原区。

2 结果与分析

2.1 有机质含量预测值与实测值的差异性

实际采样时记录采样点的位置信息,即采样点的经纬度,并将其绘制成矢量数据,之后使用ArcGIS软件中的信息识别功能,查到数据集对应点的有机质含量的预测值,计算分析其与实测值的差异性,结果见表3。

表3 土样有机质含量的预测值精度分析

由表3可以发现,有机质含量的预测值都随土层深度的增加而逐渐降低,而实测值虽有部分数据随土层深度的增加而升高,但总体也呈降低的趋势。土样有机质含量实测值与预测值有所偏差,可能是工程建设扰动表土所造成的,因此对于可能发生过土层扰动、土层为回填土的区域,在进行表土剥离前,应调查其土壤背景,并采样测定其有机质含量。

由表3还可以发现,不同土层深度处的d值都大于0.7,说明数据集的预测值精度较高,>30～60 cm深度处的RMSE值最小、d值最接近于1,表明该深度的预测值最为准确。综上,有机质含量的预测值具有良好的可靠性,可以作为土壤养分等级及表土剥离等级划分的依据。

2.2 表土剥离厚度指标

将数据处理后得到全国土壤养分分级图(>30～60 cm)和全国表土剥离分级图,结果见图1和图2。

图1 全国土壤养分分级图(>30～60 cm土层)

图2 全国表土剥离分级图(>30～60 cm土层)

由图1和图2可以看出,青藏高原东部、东北和云贵高原地区土壤养分级别较高,西北沙漠地区土壤养分级别最低,整体上由东南向西北呈递减趋势。在中国东部,以水田和森林为主的南部地区的土壤养分级别明显高于以旱地为主的北部地区。当土壤有机质含量≥10 g/kg时,土壤养分级别较高,其对应的表土剥离级别也较高,表土的剥离厚度也应适当提高。为了方便输变电工程表土剥离工作的开展,本研究针对水土保持区划不同一级区提出剥离建议(见表4),具体的县级行政范围请参照水利部印发的《全国水土保持区划(试行)》。

3 讨论

考虑土壤自身存在的养分变异[10]及采样、测定的误差可以发现,中国高分辨率国家土壤信息格网基本属性数据集_90米土壤有机碳(2010—2018)对有机质的预测值是较为合理、准确的,尤其是在较深的土层,故以此数据集为基础来划分全国的表土剥离分级指标是可行的。处理得到的数据图表明,表土剥离不同等级的分布规律对应于水土保持区划范围是比较匹配的,可以方便快捷地指导输变电工程表土剥离技术指标的确定。由于输变电工程中表土剥离工作大部分集中在塔基建设中,可视为点状剥离,表土的利用方式大部分为原地利用,且依照原植被类型进行恢复,因此在考虑土壤养分的同时依照表土的利用方式来确定表土剥离厚度是较为合理可行的,研究结果可为输变电工程表土资源的保护提供科学依据。

4 结论

1)通过将白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输变电工程沿线土壤有机质含量实测值与采用ArcGIS软件处理全国有机碳数据集得到的预测值进行对比分析,结果表明预测值具有良好的可靠性,可以作为表土剥离等级划分的依据。

2)依据土壤有机碳分布数据集绘制得到了全国的土壤养分分级图和表土剥离分级图,参照表土利用方式可确定表土的剥离厚度,即:有机质含量<10 g/kg 的地区,土壤养分等级为5～6级,表土的剥离等级为2级,对应的剥离厚度为20～30 cm;而有机质含量≥10 g/kg的地区,土壤养分等级为1～4级,表土的剥离等级为1级,对应的剥离厚度根据需要加深10～20 cm。

3)针对全国水土保持区划一级区的表土剥离分级及水土保持功能,提出了科学合理的剥离建议,可方便输变电工程快速开展实际的表土剥离工作。