西北黃土高原旱區(qū)水土保持工程措施研究與應(yīng)用

楊婉寧 劉曉東 霍云超

(1.陜西省禮泉縣水利管理站，陜西 禮泉 713200; 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

水土資源是中國(guó)西北旱區(qū)最重要的資源之一，由于其特殊的地理、氣候、水文等天然條件，加之一些人為因素的影響，水土流失問(wèn)題一直是西北環(huán)境治理的一大難題[1]。為遏制日益惡化的水土流失問(wèn)題，各級(jí)政府和研究機(jī)構(gòu)采取了調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、退耕還林、改變耕作方式和修建水土保持工程等一系列水土保持措施，并取得了一定成效[2,3]。有研究表明天然情況下，黃土高原流域的泥沙輸移比為1左右[4]，而各種工程措施的建設(shè)，顯著降低了流域的泥沙輸移比，比如無(wú)定河流域泥沙輸移比降低到0.2～0.4之間[5]。還有學(xué)者認(rèn)為，黃土高原水土保持工程措施具有更高的減沙潛力，比如有梗水平梯田對(duì)流域的減沙潛力可達(dá)到65%～90%，而當(dāng)梯田比大于40%時(shí)，其減少作用基本穩(wěn)定在90%左右[6]。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀分析

1.1 研究區(qū)位置

中國(guó)西北旱區(qū)位于中國(guó)西北部，東至內(nèi)蒙古錫林郭勒盟，西至新疆邊界，南到秦嶺—淮河的北麓，北到中蒙國(guó)界，轄6個(gè)省、56個(gè)地級(jí)市、397個(gè)縣，總面積373.3×104km2，約占全國(guó)國(guó)土面積的38.9%[7]。本文研究區(qū)位于西北黃土高原旱區(qū)的典型區(qū)域，總面積為320 km2。

1.2 研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀

研究區(qū)內(nèi)水土流失主要集中在坡耕地和荒山荒坡上，水土流失面積210 km2，占總面積的65.63%，受地形地貌、坡度、植被和氣候等因素的影響，研究區(qū)內(nèi)水土流失形勢(shì)嚴(yán)峻，危害也在不斷加劇。土壤侵蝕模數(shù)是反映一個(gè)地區(qū)土壤侵蝕程度的重要指標(biāo)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照土壤侵蝕模數(shù)將侵蝕程度劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈六類(lèi)[8]，各類(lèi)所對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)范圍如表1所示，研究區(qū)的土壤侵蝕程度從輕度到劇烈侵蝕都有，以中度侵蝕為主。

表1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

2 建設(shè)原則

為了實(shí)現(xiàn)研究區(qū)“高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃、高起點(diǎn)實(shí)施、高品質(zhì)建設(shè)、高效能運(yùn)轉(zhuǎn)”的要求，工程建設(shè)必須堅(jiān)持以下原則：

1)生態(tài)優(yōu)先原則。

首先要遵循生態(tài)學(xué)原理，運(yùn)用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)和系統(tǒng)工程理論，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先原則，構(gòu)建生態(tài)文明。從實(shí)際出發(fā)，因地制宜、全面規(guī)劃、科學(xué)配置各項(xiàng)水保措施，體現(xiàn)人水和諧、人與自然和諧的原則。

2)協(xié)調(diào)發(fā)展原則。

充分考慮區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境發(fā)展水平，區(qū)域內(nèi)城鄉(xiāng)發(fā)展水平。使研究區(qū)內(nèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，推進(jìn)研究區(qū)各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)方面相協(xié)調(diào)，促進(jìn)水資源的高效利用，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供保障。

3)科技示范原則。

研究區(qū)要堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，充分運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，以小流域?yàn)閱卧y(tǒng)籌山、水、田、林、路、草治理，溝坡兼治，治理與開(kāi)發(fā)相結(jié)合，工程措施和植物措施合理配置，突出最新科研成果應(yīng)用和新技術(shù)推廣，成為技術(shù)示范的基地。

4)可持續(xù)發(fā)展原則。

以社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展為原則，充分發(fā)揮項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、優(yōu)勢(shì)果業(yè)、特色禽畜產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)民增收致富。大力改善農(nóng)村生產(chǎn)生活條件，使區(qū)域水土流失得到控制，污染得到治理，生態(tài)環(huán)境得到明顯的改善，農(nóng)民健康指數(shù)和幸福指數(shù)提高，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益的共贏。

3 工程措施的應(yīng)用

水土保持措施一般分為工程措施和生物措施，工程措施屬于基礎(chǔ)措施，可以有效的防治水土流失，保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，合理的利用水土資源，常見(jiàn)措施有坡改梯、沉砂池、集雨窯、護(hù)坡、谷坊、淤地壩等。

1)坡改梯。

耕地侵蝕是流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要來(lái)源，坡改梯措施是將原有的坡面耕地改造成梯田，再配合推行地膜覆蓋、秸稈還田、提升肥料技術(shù)等措施，以達(dá)到提高土地生產(chǎn)力、控制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的目的。相關(guān)研究表明，坡改梯工程需布設(shè)在坡度小于25°的地面上，一般提倡在5°～20°的坡面上進(jìn)行建設(shè)[9]。研究區(qū)共進(jìn)行了590 hm2的坡改梯工程改造。

2)沉砂池、集雨窯。

沉砂池是減少水土流失的常用措施，可以有效的沉淀粒徑0.05 mm以上的粗顆粒泥沙[10]。集雨窯是一種蓄水工程，一般在山頂或者位置較高處進(jìn)行修建集水場(chǎng)，在集水場(chǎng)下部或者邊緣開(kāi)挖地下水窯收集雨水，收集的雨水用于農(nóng)田灌溉[11]。

沉砂池、集雨窯主要作為配套工程建設(shè)在梯田地塊中，這些坡面小型蓄排工程與坡耕地治理、經(jīng)濟(jì)林建設(shè)及原有工程相結(jié)合，同步進(jìn)行，合理布設(shè)，分層攔蓄，從而構(gòu)成完整的防御體系，保護(hù)梯田區(qū)、保護(hù)耕作區(qū)的安全。研究區(qū)共建設(shè)集雨窯100座、沉砂池100個(gè)。

3)護(hù)坡。

護(hù)坡是指在坡面上做的防止邊坡沖刷的各種鋪砌和栽植的統(tǒng)稱(chēng)，可以有效的防止邊坡沖刷，有利于水土保持，并且能夠與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)融合[12]。護(hù)坡不僅僅應(yīng)用于河道，在水土流失嚴(yán)重的邊坡處也多有應(yīng)用，為了營(yíng)造出與周邊生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的坡面防護(hù)景觀群，研究區(qū)設(shè)計(jì)了漿砌磚護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、生物袋護(hù)坡、蜂巢格室植草護(hù)坡、垂直綠化護(hù)坡和鋪草皮護(hù)坡等8種生態(tài)護(hù)坡，共計(jì)1 200 m2。

4)谷坊群。

谷坊是修建在易受侵蝕的溝道中的土、石建筑物，一般高3 m～5 m，基礎(chǔ)埋深為2 m～3 m，攔蓄量達(dá)數(shù)百至幾千立方米，用來(lái)防止溝底下切、溝岸擴(kuò)張，減輕山洪或泥石流危害[13]。研究區(qū)布設(shè)了漿砌石谷坊、籠石谷坊、土谷坊、編籬谷坊與干砌石谷坊5種材料的谷坊群，共計(jì)620 m。

5)淤地壩。

淤地壩是指在水土流失地區(qū)的各級(jí)溝道中，以攔泥淤地為目的而修建的壩工建筑物，這是我國(guó)黃土高原水土流失地區(qū)重要而獨(dú)特的治溝工程體系[14]，同時(shí)，淤地壩將泥沙攔蓄，使之成為可以旱澇保收的農(nóng)田，增加當(dāng)?shù)氐募Z食產(chǎn)量，可謂是控沙攔泥的“神器”，豐產(chǎn)增收的“聚寶盆”[15]。研究區(qū)共設(shè)計(jì)建造了28座淤地壩。

4 效益分析

通過(guò)水土保持工程措施的建設(shè)，在一定程度上提高了對(duì)區(qū)域地表徑流、泥沙的攔蓄能力，擴(kuò)大了區(qū)域內(nèi)植被覆蓋面積。采用定額計(jì)算法對(duì)工程措施在正常年份下的蓄水保水效益進(jìn)行計(jì)算，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]和本地治理實(shí)際，設(shè)定蓄水定額和保土定額，工程的蓄水保水效益如表2所示，蓄水保土效益計(jì)算公式分別如式(1)，式(2)所示：

Ew=m×Aw

(1)

Es=m×As

(2)

其中，Ew為蓄水效益，萬(wàn)m3；Es為保土效益，萬(wàn)t；m為工程措施的數(shù)量；Aw為某工程的蓄水定額；As為某工程的保土定額。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，坡改梯每年的蓄水效益為16.5萬(wàn)m3，保土效益為4.7萬(wàn)t；沉砂池每年的保土效益為0.04萬(wàn)t；集雨窯每年的蓄水效益為3萬(wàn)m3；護(hù)坡每年的保土效益為19.2萬(wàn)t；谷坊群每年的保土效益為0.06萬(wàn)t；淤地壩每年的蓄水效益為56萬(wàn)m3，保土效益為154萬(wàn)t；各措施合計(jì)每年實(shí)現(xiàn)蓄水效益75.5萬(wàn)m3，保土效益178萬(wàn)t，見(jiàn)表2。

表2 水土保持工程措施蓄水保水效益計(jì)算表

水土保持工程措施還具有一定的生態(tài)效益，工程初步控制水土流失，有利于區(qū)域綠化，生態(tài)環(huán)境也隨之得到了明顯改善。此外，水土保持工程的防災(zāi)減災(zāi)作用也很顯著，工程措施在一定程度上攔蓄山洪泥沙，降低了泥石流的危害。

5 結(jié)語(yǔ)

黃土高原地區(qū)常年遭受水土流失的影響，建設(shè)水土保持工程是進(jìn)行水土流失治理的重要措施。本研究以西北黃土高原旱區(qū)的典型區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，強(qiáng)調(diào)了研究區(qū)水土保持工程的建設(shè)原則，闡述了水土工程的應(yīng)用情況，采用定額計(jì)算法計(jì)算出工程措施的蓄水效益和保土效益。該研究區(qū)的建設(shè)為西北旱區(qū)進(jìn)行水土保持工程建設(shè)提供了重要的指導(dǎo)和借鑒作用。