隴東黃土塬區固溝保塬工程治理模式研究

王小帆，霍艾迪，朱興華，趙彥斌，姜 程，鄭小路

（1.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安710054；2.長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西西安710054；3.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安710054；4.慶陽市水土保持生態環境監測分站，甘肅慶陽745000）

隴東黃土塬區能源富集,是我國重要的能源、化工基地［1］,長期以來,由于土質疏松、降雨時空分布不均,因此水土流失十分嚴重［2］,造成溝頭不斷前進、塬面逐年萎縮,已對當地農業和經濟的發展造成了嚴重危害,給塬區人民的生產生活造成極大的不便。據慶陽市水土保持局調查,該市各流域水土流失面積占比均在90%以上,個別地區高達98%,經濟發展帶來的城市拓展、基礎設施建設、石油煤炭資源開發等人類活動,使塬面萎縮速度愈發驚人。目前,黃土塬區的馬蓮河一級支流火巷溝溝頭已伸入到慶陽市西峰區市區腹地,距市中心不足 1 000 m［3］。

過去60多a來,經水土保持、水利、農業及相關科研部門長期聯合探索,“固溝-護坡-保塬”的黃土塬區治理理念日趨清晰,提出了一系列綜合治理措施［4-9］,如黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站歷經60多a探索,提出了“塬面徑流調控、坡面植被恢復、溝道水沙集蓄”三道防線治理模式,以硯瓦川流域為基礎提出了基于徑流調控利用的多元綜合治理模式。2014年慶陽市政府對固溝保塬工程進行專題部署,制定并實施塬面保護治理總體規劃,這是黃土塬區實施的一項重大水土保持和土地整治工程,目前有些固溝保塬工程建設已接近尾聲。固溝保塬治理模式可分為哪幾種類型、今后應如何卓有成效地開展？對此,筆者在典型的黃土塬區——董志塬對固溝保塬工程建設情況進行了實地調研,對固溝保塬實施方案中典型溝道的治理模式進行了分類總結,對實施固溝保塬工程建設的火巷溝進行遙感影像解譯和治理效果評估,以期為今后固溝保塬工程建設提供技術參考。

1 董志塬西北塬區固溝保塬主要治理模式

固溝保塬工程建設,源于20世紀50年代以來南小河溝土地整治的實踐經驗［10-11］。據實地調查,目前董志塬西北塬區固溝保塬治理模式主要有簡單填埋型（硯瓦川)、排水+填埋型（火巷溝)、排水+填埋+護坡型（馮家畔溝)、排水+填埋+生態護坡型（驛馬大溝)4種類型,見圖1。

圖1 固溝保塬工程主要治理模式

1.1 簡單填埋型

對侵蝕溝簡單填埋是董志塬治溝保塬最常見的一種工程措施,分為直接傾倒和經過夯實兩種方式。填埋物主要分兩種,一是其他地方的黃土,二是城市建筑廢棄物與黃土的混合物。例如硯瓦川流域對溝頭的治理就采用直接傾倒、填埋城市建筑廢棄物與黃土的混合物（見圖1（a)),這種方式在慶陽市最為常見,原因是節省成本并間接解決了城市廢棄物處理的問題,但此方式填埋物未進行人工固化直接傾倒溝內,廢棄物裸露,受雨水沖刷,會造成地下水水質污染。對于沒有足夠回填物來源的大型溝道的溝頭防治,應該充分考慮高塬溝壑區“徑流主要來自塬面,泥沙來自溝谷”的實際情況,在水文分析的基礎上,采用化整為零的方式在塬面修建澇池等攔蓄塬面徑流,同時布設溝頭防護工程。

1.2 排水+填埋型

該模式一般有懸臂式跌水、陡坡式及臺階式跌水混合泄水防護工程,如實施固溝保塬的重要工程——火巷溝溝頭治理工程（見圖1（b)),該工程在填埋土體之上修建橫向排水渠,徑流匯流后排泄入溝。這種治理模式可在一定程度上防止徑流對坡面的沖刷,但侵蝕溝局部區域導流設計不合理,尤其是在泄水結構選擇和工程設計方面未根據溝頭水文、地形條件精確計算匯水量,尚未解決地下水淘蝕問題,易引發重力侵蝕,導致填埋工程從底部坍塌。

1.3 排水+填埋+護坡型

該模式是在排水+填埋型治理的基礎上,在溝道兩邊修筑護坡工程,對坡面土體進行加固,防止土體流失,如對馮家畔溝的治理（見圖1（c))。常見的護坡方式有干砌石和混凝土砌石護坡、格狀框條護坡等,與排水+填埋型治理模式相比,護坡工程可截留降雨、削弱濺蝕,更好地防止填埋土體的流失。

1.4 排水+填埋+生態護坡型

生態護坡就是綜合工程力學、土壤學、生態學和植物學等學科的基本知識對邊坡進行保護,形成由工程和植物組成的綜合護坡系統。排水+填埋+生態護坡型治理模式就是在對溝道進行填埋后,利用植物與巖土體的相互作用（根系錨固作用)對邊坡表層進行防護、加固,不但降低填埋土體的孔隙水壓力,而且還可以截留降雨、恢復遭受破壞的自然生態環境,是一種有效的固土手段,如對驛馬大溝的治理（見圖1（d))。此模式防護效果最為明顯,溝道侵蝕得到明顯控制。

2 火巷溝治理效果分析

火巷溝緊鄰慶陽市西峰區東城區,溝頭距離城區居民住宅區不足50 m,由于城市生活及企業排水引起溝岸塌陷,部分企業廠房已懸空,隨時都有塌陷的危險,從2000年開始對該溝道采取簡單填埋的方式進行治理。據對2000年10月19日（晴)ETM影像（見圖2)和2017年5月17日（晴)快鳥衛星影像（見圖3)的解譯,分析火巷溝固溝保塬治理效果。盡管從2000年開始進行了填埋式治理,但溝頭仍在不斷侵蝕前進,17 a間火巷溝溝頭仍前進了48 m,原因是缺乏合理的徑流調控措施,人為機械夯實的黃土與原始固結黃土相比結構穩定性更差,導致該工程短期內效果明顯,但長期而言易在汛期被徑流沖蝕。因此,近期在簡單填埋治理的基礎上配套建設了徑流調控（排水)工程等,以綜合防治溝道侵蝕、防止溝頭前進。

圖2 2000年10月19日ETM影像

圖3 2017年5月17日快鳥衛星影像

3 固溝保塬科學治理模式研究

3.1 厘清溝頭前進致災原因，針對主控因子“對癥下藥”

慶陽市不同流域溝道侵蝕致災主要原因不盡相同。溝道若臨近城區,則城市不合理的排水系統可能加劇侵蝕；溝道若在農區（農村、農田),則因黃土具有濕陷等性質,故直接被降雨沖刷后易形成落水洞等,引起坍塌造成溝頭前進［12］。雖然造成溯源侵蝕、水土流失的原因都是徑流沖刷,但溝道所在區域不同,徑流產生的方式也不同,因此針對不同溝道應先厘清其徑流產生方式,再“對癥下藥”,采取相應工程措施。對臨近城區的溝道,合理修建排水渠道或管道,禁止直接向溝道放水；對農區溝道,可栽植深根性灌木,固土綠化、阻止雨水直接沖刷土壤。

此外,針對黃土塬區普遍存在的重力侵蝕災害［13］,基于常見滑坡治理虹吸排水法［14］,結合黃土自身橫向滲透性差的特性［15］,提出一種圖4所示的輻射井（二叉樹)虹吸-泵吸排水裝置,用來降低侵蝕溝的地下水位、治理黃土塬區侵蝕滑坡：通過打井監測溝壑坡腳處地下水位,在合適高程處布置橫井,橫井管道采用二叉樹輻射狀連接,覆蓋面積大、密集度高、匯水性好,土壤中賦存的地下水經反濾層、濾布雙重過濾后進入管道中；豎井垂直管道中放置液位計感應探頭,通過壓力傳感器準確測算出地下水位,一方面將其轉化為電信號無線傳輸至云平臺,可遠程獲知地下水位的變化情況,另一方面轉化的電信號傳遞至控制器,控制器根據水位高低切換合適的排水方式；在溝底修建蓄水池,將蓄積的地下水抽至塬上供居民使用；在塬面匯水區域可修建梯級排水系統,就地攔蓄、利用。此裝置構造簡單、匯水性好、造價低廉,可配合溝頭回填措施,防治黃土崩塌、滑塌,控制溝道溯源侵蝕,但目前具體應用的實踐經驗不多。

圖4 二叉樹排水法降低坡腳地下水位示意

3.2 建立水蝕模型，模擬大時空尺度下水土流失響應機理

當前實施的固溝保塬工程建設多依賴于經驗,缺乏科學的理論體系支撐,沒有系統的規范作指導,大部分措施只重視小尺度范圍治理（如僅溝頭填埋)而忽略了中大尺度（如流域)的反饋效應,只重視短時間尺度的治理效果而忽視中長期時間尺度的反饋,部分治理措施的效果差強人意。因此,在實施治理措施之前,建議采用水蝕模型,針對不同溝道的固溝保塬工程措施,定量評估中大空間尺度、中長時間尺度的實施效果以及整個流域的反饋效果,即超前判識工程效果,確保固溝保塬工程建設的實效。

3.3 依據“三區三線”，制定科學系統的防治體系

劃定“三區三線”是黨中央對空間規劃的明確要求［16］,“三區”指生態、農業、城鎮三類空間,“三線”指根據生態空間、農業空間、城鎮空間劃定的生態保護紅線、永久基本農田邊界、城鎮開發邊界。固溝保塬工程是一舉多得的民生工程,其有效實施直接影響黃土塬區城鎮“三區三線”精準落地,因此應依據政府部門確定的“三區三線”,著眼城鎮、農業、生態空間布局,基于用地分類、城鎮邊界,劃分地質災害高易發區和高危險區,根據溝道具體情況,采取相應的治理模式（見表1)。根據董志塬土地利用現狀調查、農田及林地規劃,結合高危險區域分析,在不影響經濟發展的情況下,應適當縮減農田、營造防護林,在保證生態空間面積不減小的情況下,合理規劃固溝保塬工程,有效防止溝頭前進。

表1 “三區三線”及對應的固溝保塬治理模式

截至目前,慶陽市固溝保塬工程已治理水土流失面積1.09萬km2,占全市水土流失面積的47%,取得了顯著的成效,應通過總結評估,為今后系統、科學、經濟地開展固溝保塬治理提供借鑒,爭取在未來做到水不下塬、坡不滑塌、溝不擴展,促進治理區生態環境和農村人居環境得到明顯改善,農業與農村產業結構不斷優化,生態文明建設取得顯著成效。