連續式柳編跌水在侵蝕溝治理中的應用
——以拜泉縣松林小流域為例

徐金忠，劉 松，高德武，劉鳳飛

(黑龍江省水土保持科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150070)

東北黑土區是世界上僅有的四大片黑土區之一，是我國最大的商品糧產區，其糧食生產能力和農業可持續性關系到國家的糧食安全戰略[1]。當前，該區域正遭受著嚴重的水土流失，尤其是溝道侵蝕和黑土退化已成為制約當地農業可持續發展的主要因素。溝道侵蝕是土地退化主要的過程及最嚴重的表現形式[2]，是長期存在的一個最受關注的具有普遍性、緊迫性和復雜性的世界性環境問題[3]，其發生機理[4-5]、發育過程[6-8]、影響因子[9-10]等被廣泛關注，侵蝕溝防治措施也成為侵蝕溝相關研究的最終對象。處于發展階段的侵蝕溝多以溝頭前進(溯源侵蝕)、溝岸擴張和溝底下切三種表現形式作用于溝道，使侵蝕溝向長、寬、深三個維度擴展。溝頭防護工程是一種在侵蝕溝頭用于防止溝頭前進的水土流失防治工程措施，主要被用來制止坡面暴雨徑流由溝頭進入溝道或使之有控制地進入溝道，從而制止溝頭前進，保護地面不被溝壑切割破壞[11]。

連續式柳編跌水是排水式溝頭防護工程中跌水式溝頭防護工程的一種，是為防止溝頭前進、溝底下切和溝岸擴張，以柳條為主要材料，在侵蝕溝內修建的斜坡式消能建筑物[12]，一般適用于黑龍江省黑土丘陵區域內溝頭落差大于2 m的發展型侵蝕溝，目前已在黑龍江省拜泉-克山地區廣泛應用并取得良好效益。其特點是：柳條成活率高，不易沖毀，可長期運行，造價低廉，施工工藝簡單。利用連續式柳編跌水進行溝頭防護, 既能保障侵蝕溝溝頭的安全與穩定, 又能為侵蝕溝的生態修復提供有利條件, 從而起到保護生態環境和提高水體自凈能力的作用。

1 連續式柳編跌水的適用條件

連續式柳編跌水適用于位于耕地之中，溝頭侵蝕嚴重，溝道比降小，溝道邊坡緩，溝道較淺，部分溝段溝深大于2 m，需要削坡，匯水面積小于100 hm2的處于發展階段的侵蝕溝[12]。

2 水力計算

連續式柳編跌水工程的防御標準是10年一遇6 h最大暴雨[12]。一般通過對擬治理的典型侵蝕溝道進行實地踏查，確定溝頭位置，實測出侵蝕溝長度、均寬、均深，溝頭跌差、比降、匯水面積等參數，并結合工程需要，在保證工程正常運行的前提下，選擇有利于侵蝕溝道生態修復的兼顧安全性的連續式柳編跌水作為典型溝道溝頭防護措施。為了保證工程質量、節約工程投資，需要通過水力計算確定鋪設柳編跌水的溝槽寬度。下面以拜泉縣松林小流域典型侵蝕溝為例，對鋪設柳編跌水的溝槽寬度進行計算。

根據實測，拜泉縣興國鄉松林村孟大騾子屯侵蝕溝道長1.5 km，溝頂平均寬度20.4 m，溝道平均深度6.0 m，溝頭跌差3.2 m，平均比降3.1%，溝頭匯水面積98 hm2。為防止溝道發生溯源侵蝕，在溝頭修建連續式柳編跌水，設計長度200 m(侵蝕溝發展段長度)，那么溝槽寬度計算步驟如下。

2.1 計算設計流量

設計流量根據公式Q=0.002 78KIF[11]計算，式中：Q為設計流量，m3/s；K為徑流系數；I為降雨強度，mm/h；F為溝頭以上匯水面積，hm2。

(1)確定徑流系數。通過查詢黑龍江省水文圖集(1956—1992年平均年降雨量等值線圖、1956—1992年平均年徑流深等值線圖)，得到松林小流域多年平均降雨量為490 mm、多年平均徑流深50 mm ，計算得出徑流系數K=0.1。

(2)計算匯水面積。通過ArcGIS軟件，結合1∶1萬小流域地形圖，測得松林小流域匯水面積F=98 hm2。

(3)確定降雨強度。通過黑龍江省水文圖集分別查得多年平均最大6 h降雨量為48 mm、對應的模比系數為1.77，多年平均最大24 h降雨量為61 mm、對應的模比系數為1.83。經計算求得I=58.51 mm/h。

(4)計算設計流量。將上述參數代入流量計算公式，計算得到Q=0.002 78KIF=1.59(m3/s)。

2.2 試算溝槽過流能力

由此可見，設計流量Q

3 連續式柳編跌水施工工藝

3.1 施工條件

(1)施工應在秋季進行，并于土壤凍結前完工。

(2)柳條應為2～3年生活立木枝條，宜在采集后3日內鋪設。

(3)侵蝕溝周邊道路、水源供給應滿足施工要求。

(4)施工布局應少占地，盡量減少對原有植被的破壞。

3.2 溝道整形

(1)采用機械修整坡面時，表土應集中堆放，為下道工序做準備。

(2)削坡坡面應平整，坡比應達到設計要求。

(3)填方夯實應達到設計標準。

(4)邊坡處理后，測量放線，開挖鋪柳溝槽。

(5)根據測定的鋪柳溝槽位置，按設計尺寸，確定輪廓線。

(6)采用機械開挖，挖方堆放于鋪柳溝槽兩側的邊坡并攤平。

3.3 柳編工程

(1)鋪設廄糞層。在鋪柳溝槽內鋪10 cm厚廄糞或熟化土。從溝槽尾部向上逐級鋪設，柳條捆之間也可用廄糞或熟化土填實。

(2)定樁。沿垂直溝槽中心線方向距溝槽末端10 cm開始打樁，打樁入土50 cm，溝槽兩邊各預留50 cm，樁間距40～60 cm，均勻布設；行間距宜150 cm。

(3)鋪柳條枕、柳條。在溝槽末端沿垂直水流方向鋪柳條枕，柳條枕長度與溝槽寬度相等，用鐵絲將柳條枕固定于木樁上,覆蓋土；在柳條枕上鋪設一層柳條，柳條根部順水流方向，緊靠溝槽末端；在柳條上對應木樁的位置再鋪柳條枕，用鐵絲將柳條枕固定于木樁上。依此類推，逐級鋪設到溝槽封頭處。

(4)封頭。在溝槽頂端10 cm處沿垂直水流中心線方向，開挖寬20 cm、深20 cm的凹槽，長度與鋪柳溝槽寬度相等；凹槽內放入直徑20 cm的柳條捆，木樁固定，樁距同上級；在柳條捆上面鋪一層10 cm厚的柳條，鋪柳根部緊靠溝槽頂端，在相應位置再鋪直徑20 cm的柳條捆，鐵絲固定。最末兩級間柳條做切梢處理，長度應為最末兩級樁距加20 cm。

(5)鋪設柳條龍。封頭后，在溝槽內兩側鋪設柳條龍，長度同溝槽；打樁釘牢柳條龍，樁間距75 cm，用鐵絲把柳條龍固定在木樁上。之后全面覆蓋10～15 cm表土，并踏實。

(6)覆土。柳條龍鋪設后，用剝離的表土進行覆土，人工整平踏實。

(7)澆水。覆土后澆一遍透水。

(8)用鐵絲固定鋪柳時，不宜過緊，以人工踩踏不發生位移為度。

(9)楊樹樁亦可代替木樁，釘樁時應將楊樹根部端向下。

連續式柳編跌水縱剖面圖、俯視圖分別見圖1、圖2。

圖1 連續式柳編跌水(縱剖)

圖2 連續式柳編跌水(俯視)

4 效益分析

柳編跌水較漿砌石跌水施工工藝簡單，不需要專業的施工機械設備，對施工人員的專業素質要求較低，適合于村民自建。材料價格方面，柳條相比塊石、水泥、砂漿優勢明顯。漿砌石跌水長期受到徑流的沖刷，基礎很容易遭到破壞，對后期維護要求較高，而柳編跌水由于柳條成活率高，耐沖刷性好，后期管護較容易。柳編跌水非常適合在盛產柳條的黑土丘陵地區推廣應用。