黃土高原治溝造地水利設(shè)施綜合配置與管理

符素華，劉寶元，吳 歌，崔樂(lè)樂(lè)，馬理輝

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，土壤侵蝕與干旱農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875； 3.黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，陜西 榆林919000)

0 引言

治溝造地工程是黃土高原退耕還林還草工程之后的又一重大工程，是解決耕地后備資源不足的重要舉措[1]。該工程的實(shí)施有助于增加優(yōu)質(zhì)耕地，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。張信保等[2]認(rèn)為，治溝造地是黃土高原淤地壩建設(shè)的繼承和發(fā)展，可快速造地，變荒溝為良田。

黃土高原地區(qū)一方面干旱缺水，另一方面暴雨成災(zāi)，解決好用水和排水問(wèn)題，是治溝造地流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提升、生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵[3-6]。水資源的高效利用不僅能促進(jìn)區(qū)域資源和經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)，也具有很好的環(huán)境效益。本研究在黃土高原多次暴雨災(zāi)后考察基礎(chǔ)上，針對(duì)黃土高原在災(zāi)情中存在的問(wèn)題，提出了治溝造地流域水利設(shè)施綜合配套利用技術(shù)，以保障治溝造地耕地安全，提高耕地產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)水資源永續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展。

1 洪澇與干旱災(zāi)害損失和成因

1.1洪水災(zāi)害的危害

黃土高原歷次暴雨及特大暴雨事件中，耕地及淤地壩等都存在嚴(yán)重?fù)p毀的現(xiàn)象。如1994年的“94.8”暴雨中，最大點(diǎn)雨量為159.7 mm，黃河中游淤地壩水毀率為9%～94%，平均水毀率為46.8%，壩地沖毀率6.1%～45.7%，平均沖毀率為12.2%[7]。2010年9月19日，山西省呂梁市遭遇的暴雨中，暴雨中心北川河流域方山縣大武鎮(zhèn)7 h降雨量為201 mm，農(nóng)作物受災(zāi)面積2.04萬(wàn)hm2，農(nóng)作物絕收面積3 400 hm2，塘壩沖毀132座，該次暴雨造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10.95億元[5]。2012年7月27日，山西省呂梁市遭遇的洪災(zāi)中，3 h最大降雨量達(dá)197 mm，直接經(jīng)濟(jì)損失約13億元，其中農(nóng)業(yè)損失3.24億元，農(nóng)作物絕收面積8 200 hm2，水利設(shè)施損失1.29億元，損毀淤地壩98處，渠道13.54 km[5]。2017年7月26日，黃河中游山陜區(qū)間中北部降大到暴雨，暴雨中心降雨量達(dá)247.3 mm，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)42.32億元[8]。

1.2洪水災(zāi)害成因

(1)流域內(nèi)排洪溝渠缺失或缺乏排洪系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃。流域內(nèi)地塊、坡面和坡腳缺乏有效的排洪通道，排洪通道被道路和耕地等其他用地?cái)D占，上下游排洪溝道連通性不好。當(dāng)遭遇較大坡面徑流時(shí)，水流就自創(chuàng)水路，往低洼處匯集，導(dǎo)致田面、道路和淤地壩等嚴(yán)重?fù)p毀。

(2)工程設(shè)施不配套。主要體現(xiàn)在淤地壩的建設(shè)上，淤地壩通常由壩體、溢洪道和放水建筑物3大部分組成，但常常這3大部分配套不完全。如2017年7月26日大暴雨后對(duì)岔巴溝178座淤地壩進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，97座淤地壩(占調(diào)查淤地壩的54%)僅有壩體，為悶葫蘆壩；8座淤地壩3大部分齊全，占調(diào)查淤地壩數(shù)量的4%。178座淤地壩中損毀85座，其中62座僅有壩體，14座僅有壩體和溢洪道，6座僅有壩體和放水建筑物，僅有3座壩體、放水建筑物和溢洪道3大部分齊全。從損毀比例來(lái)看，僅有壩體淤地壩的損毀率為64%，遠(yuǎn)高于3大部分齊全淤地壩損毀率的38%。

(3)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低。多數(shù)排水渠按照10年一遇暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)。在黃土高原，小雨量出現(xiàn)的頻率高，入滲率高，徑流系數(shù)小，不會(huì)造成大的災(zāi)害；但大暴雨或特大暴雨徑流系數(shù)大，流量也大，因此常導(dǎo)致低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的排水設(shè)施抗洪能力低，一遇大暴雨就出現(xiàn)損毀。

(4)管理不善。有建設(shè)經(jīng)費(fèi)，無(wú)運(yùn)行經(jīng)費(fèi)，導(dǎo)致一些水利項(xiàng)目“重建輕管”或“只建不管”。該維護(hù)的淤地壩和排水渠因泥沙淤積而喪失了防洪排水功能，出現(xiàn)小患釀大禍。

(5)農(nóng)民缺乏防災(zāi)意識(shí)。南方的暴雨常常大于黃土高原，但從田面受損率來(lái)看，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于北方。南方一旦出現(xiàn)暴雨，農(nóng)民自覺(jué)出現(xiàn)在田頭開(kāi)溝放水，使田地排水暢通。在“7.26”暴雨調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，岔巴溝流域溝頭燕窩缽子損壞的主要原因是缺乏排水溝，大水浸泡地埂和田面，最后出現(xiàn)陷穴和暗管，導(dǎo)致土地被毀。另外對(duì)淤地壩的壩體管理不善，在壩體上栽種作物，增加了壩體入滲，降低了壩體的穩(wěn)定性。

1.3旱災(zāi)及成因

干旱是最普遍的自然災(zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大，全球每年由干旱所造成的損失為60億～80億美元，遠(yuǎn)高于其他自然災(zāi)害[9]。黃土高原總體呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)，受干旱影響面積以每10年4%的速率增加[9-10]。黃土高原的干旱災(zāi)害原因之一是缺乏蓄水工程，農(nóng)作物靠天吃飯，缺乏必要的灌溉保障。其次是已有農(nóng)田水利工程缺乏經(jīng)常性維修和配套管理，破壞嚴(yán)重，蓄排能力差，抗旱災(zāi)能力弱，旱澇保收面積減少。合理利用流域內(nèi)的水資源，新建小型水利工程或妥善管理維護(hù)已有水利工程，蓄水抗旱，降低干旱所帶來(lái)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，是黃土高原生態(tài)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。為此，需要合理布設(shè)流域內(nèi)的蓄水設(shè)施以保障農(nóng)業(yè)干旱用水。

2 水利設(shè)施綜合配置與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

為充分利用流域內(nèi)水資源，降低洪水及干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，需在流域內(nèi)構(gòu)建蓄(水)、排(水)、防(洪、鹽漬化)、灌(溉)為一體的水利綜合配套設(shè)施。流域塘壩蓄水不僅可以提供生活生產(chǎn)用水，也可以提供景觀用水。尤其在黃土高原的干旱年份，塘壩蓄水灌溉更是農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的保障。治溝造地兩側(cè)邊坡設(shè)置排(截)水溝，用以保護(hù)新造壩地免受洪水威脅。排洪渠布設(shè)于治溝造地兩側(cè)用于防洪排洪，田間排水渠用于防澇和防鹽漬化。

2.1蓄水減洪抗旱設(shè)施

在治溝造地流域，應(yīng)以小流域?yàn)閱卧C合考慮灌溉用水、景觀用水和生活用水，布設(shè)流域內(nèi)的蓄水壩或塘壩。建議在自然村附近或治溝造地的上游，根據(jù)地形地貌特點(diǎn)，選擇合適斷面修建蓄水壩(塘壩)，如修建骨干壩，其設(shè)計(jì)參考SL289—2003《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》，本文僅介紹小型蓄水壩或塘壩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)塘壩)設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)。

2.1.1灌溉設(shè)計(jì)保證率選取及頻率計(jì)算

為保證干旱年的農(nóng)業(yè)用水，塘壩應(yīng)考慮為多年調(diào)節(jié)型塘壩，以充分?jǐn)r蓄豐水年的水量保證干旱年的水資源利用。根據(jù)GB50288—2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，黃土高原塘壩興利庫(kù)容的灌溉設(shè)計(jì)保證率取50%～75%，設(shè)計(jì)保證率選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)治溝造地流域具體情況確定，應(yīng)同時(shí)考慮需要灌溉的坡地果園面積和治溝造地面積。若流域內(nèi)坡地果園面積少，以治溝造地為主，治溝造地面積全部為灌溉面積，設(shè)計(jì)保證率選取規(guī)范中的上限值75%。如果流域內(nèi)有大面積的坡地果園，治溝造地面積相對(duì)較小，需根據(jù)流域水資源量和灌溉面積綜合確定設(shè)計(jì)保證率，但是對(duì)于治溝造地仍需保證75%頻率干旱年的供水，其面積為保灌面積，在用水時(shí)優(yōu)先考慮。

頻率設(shè)計(jì)采用P-Ⅲ型頻率曲線，其參數(shù)優(yōu)化用萬(wàn)飈等[11]的《水文頻率分析軟件(專(zhuān)用版V2.6)》，該軟件提供了不同的參數(shù)優(yōu)化方法，且根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以直接計(jì)算不同頻率下的年降水量和次洪峰流量等設(shè)計(jì)值，或根據(jù)年降水量或次洪峰流量等計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率，詳細(xì)可參見(jiàn)該軟件的使用說(shuō)明。根據(jù)P-Ⅲ型頻率曲線的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，選取設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)的年降水量值作為設(shè)計(jì)年降水量，并據(jù)此選取典型年。典型年選取時(shí)，年內(nèi)的雨量分配遵循最不利原則，即按照主要作物(果樹(shù))生長(zhǎng)期最需水且又最干旱的年作為典型年，將此年的年內(nèi)降雨量分配按比例系數(shù)法修訂到設(shè)計(jì)年降水量，并根據(jù)典型年計(jì)算出主要作物(果樹(shù))的節(jié)水灌溉需水量，由此確定出流域灌溉用水量和興利庫(kù)容。

2.1.2洪水設(shè)計(jì)頻率選取及洪峰流量計(jì)算

為保證防洪安全，塘壩需配有溢洪道。溢洪道的尺寸根據(jù)洪峰流量和塘壩的庫(kù)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)野外調(diào)查暴雨后骨干工程的損毀情況及目前國(guó)民經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)狀，建議提高洪水的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以減少洪災(zāi)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。SL289—2003《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》中的最高標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，但根據(jù)野外調(diào)查實(shí)際情況和生態(tài)安全的要求，建議塘壩按100年一遇進(jìn)行設(shè)計(jì)，1 000年一遇進(jìn)行校核。我國(guó)缺乏小流域的暴雨洪水實(shí)測(cè)資料，黃土高原推薦采用FU S等[12]的小流域洪峰流量公式(1)進(jìn)行洪峰流量的計(jì)算。

(1)

式中Qpout——洪峰流量，m3/s

ROout——流域平均徑流深度，mm

A——流域面積，km2

Pout——設(shè)計(jì)頻率的降雨量，mm

Pout可根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅抠Y料，采用萬(wàn)飚等[11]的《水文頻率分析軟件(專(zhuān)用版V2.6)》計(jì)算。徑流深可采用徑流曲線數(shù)或徑流系數(shù)法計(jì)算，若采用徑流曲線數(shù)法，可借助于小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模型工具計(jì)算；若采用徑流系數(shù)法，可用鄰近流域的降雨徑流觀測(cè)資料計(jì)算。

2.2治溝造地陡邊坡排水設(shè)施

流域內(nèi)治溝造地兩側(cè)陡邊坡的安全直接關(guān)系到溝底新造耕地及陡邊坡的安全。陡邊坡應(yīng)與公路兩側(cè)的邊坡相似，修建排水溝渠防洪，保護(hù)邊坡及其下溝道和作物在大暴雨期間的安全。排水溝渠宜采用抗蝕性較好的材料修建或采用生態(tài)溝渠。

排水溝的大小根據(jù)設(shè)計(jì)洪峰流量確定。洪峰流量采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，式(1)和(2)均是采用黃土高原集水區(qū)或小流域的洪峰流量資料建立，因此可以直接用于排水溝或截水溝的設(shè)計(jì)。當(dāng)匯水面積>0.1 km2時(shí)，可采用式(1)計(jì)算洪峰流量；當(dāng)匯水面積<0.1 km2時(shí)采用式(2)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)排水渠或截水溝的尺寸[13]。設(shè)計(jì)洪水建議采用100年一遇。

(2)

需要注意的是，尺寸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮渠道的不沖不淤流速。GB/T 16453.4—2008《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范：小型蓄排引水工程》規(guī)定，渠道允許最大流速<0.6 m/s，不淤比降最小為1%。

2.3治溝造地防洪排洪設(shè)施

為保障流域內(nèi)溝底新造耕地的安全，應(yīng)在新造耕地兩側(cè)與邊坡的交接處修建排洪溝渠用以排洪。排洪溝渠的過(guò)水?dāng)嗝娉叽绨凑?00年一遇暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量根據(jù)匯水面積的大小按照式(1)或(2)進(jìn)行計(jì)算，建議盡量采用生態(tài)溝渠。地勢(shì)較低的一條排洪溝渠溝底高程應(yīng)低于田間排水渠的渠底高程。

2.4治溝造地田間排水設(shè)施

面積較大的治溝造地耕地應(yīng)配套田間排水工程設(shè)施(排水溝渠)，用于防止鹽漬化和防澇，保障新造耕地的安全和提高土地生產(chǎn)力。排水溝渠的過(guò)水能力按照10年一遇的暴雨來(lái)設(shè)計(jì)，渠道的過(guò)水能力(流量)按照式(2)進(jìn)行計(jì)算，田間排水工程應(yīng)以生態(tài)溝渠為主。為了防止鹽堿化，排水渠深度大于毛管上升水的高度(一般0.8～1.3 m)。

3 水利設(shè)施管理與利用

為了降低塘壩和排水溝渠的洪水損害風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期發(fā)揮作用，保障造地安全和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)禁止在溝渠、邊坡及壩體上種植農(nóng)作物，若為生態(tài)溝渠，應(yīng)保障溝道內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)良好，植被覆蓋度高。對(duì)田間排水溝渠應(yīng)經(jīng)常維護(hù)，及時(shí)清理溝道中的淤積泥沙，保持溝底高程在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。對(duì)流域內(nèi)的壩體、放水建筑物、溢洪道及排洪溝渠應(yīng)定期檢查和維護(hù)。暴雨后及時(shí)檢查以上設(shè)施是否有損壞和淤堵。對(duì)有損壞的設(shè)施應(yīng)及時(shí)修繕，對(duì)發(fā)生嚴(yán)重泥沙淤堵的渠道段應(yīng)及時(shí)疏通，以保障排水溝渠能正常行洪，降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保障造地和道路等的安全，減少經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

水資源永續(xù)利用和治溝造地安全是治溝造地流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提升、生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，本文在總結(jié)黃土高原流域水資源利用現(xiàn)有問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了在治溝造地流域構(gòu)建蓄(水)、排(水)、防(洪、鹽漬化)、灌(溉)、管(理)為一體的水利綜合配套技術(shù)體系。在蓄排水工程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)新時(shí)期生態(tài)安全的要求和黃土高原的實(shí)際情況，建議洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)由以前的50年一遇提高到100年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)提高到1 000年一遇。灌溉設(shè)計(jì)時(shí)灌溉面積需綜合考慮治溝造地面積和山地果園面積，興利庫(kù)容設(shè)計(jì)保證率選取時(shí)需水與流域水資源量需協(xié)調(diào)，但應(yīng)保障75%頻率年治溝造地的節(jié)水灌溉用水量。推薦了兩個(gè)適用于不同匯水面積的洪峰流量計(jì)算公式，以期為流域的蓄排水工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。該技術(shù)有利于黃土高原治溝造地流域水資源的永續(xù)利用和保障治溝造地的防洪安全。