小型河道流域工程治理中水土保持技術與措施效益的應用分析

卞金欣

(德州市陵城區水利局，山東 德州 253500)

0 引 言

水土流失的主要來源之一為坡耕地，坡耕地的水土流失問題不但會使土壤的水分大量流失，進而降低土地的生產力，還會導致水質遭到破壞，影響水資源。在我國北方，降雨一般集中在7-9月份，次降雨雨強較大，易產生徑流而造成水土流失，而且北方的土石山區有將近700×104hm2坡耕地，占總耕地面積的1/4[1]。山東省屬于北方土石山區，由于山多坡陡、土壤存在粗骨化與石礫化發育，易受季節性干旱影響等方面的問題，嚴重制約了坡耕地的提升與發展[2-3]。小型河道流域水土保持綜合治理是一項系統性工程，在改善農業生產條件以及調整產業結構等方面取得顯著成效。而對小流域水土保持綜合效益進行科學合理的評價，能夠促進治理的可持續發展，對農業與國民經濟意義重大[4-5]。德州市地處山東省的西北部，地貌主要為黃泛漫沉積的坡地類，該地區流域相連，但水資源匱乏，使水土流失保持的難度較大。

因此，本文對易造成該地區小流域水土流失的因素進行分析，提出針對性技術措施，并結合相應的效益評價指標，對水土保持措施的綜合效益進行分析，旨在通過科學的水土保持技術措施，提高小型河道流域的綜合治理效益。

1 小型河道流域工程治理中水土保持技術措施

造成小型河道流域水土流失的原因眾多，其中占比最大的是人為和自然因素，并且根據不同的地區，兩種因素的占比會存在一定差異。在自然因素中，降水是最重要的因素，風力與溫度次之。降水會沖刷滲入地表土壤，風力會導致地表沙土流失，不斷變化的溫度則會影響地表植被的生長，同時也會加重由降水和風力侵蝕導致的水土流失程度[6-7]。此外，造成水土流失的關鍵因素還有耕地的坡度，其嚴重程度與坡度大小成正比，坡度越大則水土流失越嚴重。植被也是水土保持與水土流失的主要因素之一，植被能夠較好地防止風力侵蝕與降水造成的水土流失問題。大量的人為活動使小型河道流域內的植被覆蓋面積明顯減少，一旦遇上強降雨或大風天氣，則會造成嚴重的水土流失[8]。德州市的水土流失主要為風蝕與土壤侵蝕水蝕，采取的相應水土保持技術措施見圖1。

圖1 小型河道流域治理中水土保持的具體技術措施

圖1為影響小型河道流域水土流失的因素分析，以及水土保持可采取的具體技術措施。

第一種措施是在同等環境條件中，提高植被覆蓋率不但可以降低風力、降水等外界因素影響，還能改善土壤的物理性質及肥力，進而降低水土流失的速率。在坡度加大而肥力較弱的地方，結合人工散播灌木樹種，并在封山育林基礎上充分發揮自然生態修復力，防止或減少人為活動的干擾，使自然植被獲得充足的修復時間。通過人工栽培經濟林的方式，既達到水土保持的目標，還能創造土地經營經濟效益，提高當地居民的收入。

第二種措施可通過人為改變耕地地貌，防止降水產生較大徑流。培土壟式栽培能有效促進降水滲入地表，減少其對地表泥土的沖刷。通過進購專門的耕地機械設備，用其改變土壤的空隙度和松緊度，進而提高土壤微生物的活性以及肥力，達到水土保持的效果。

第三種措施是通過工程技術手段來實現水土保持，也是最重要的一種技術措施。可通過人為創造小地形進行攔蓄降水以減少坡地的徑流，進而達到預防泥石流等災害的發生。可以利用原有的溝渠治理工程，這些工程設施主要用于保護人工修建的道路、建筑的安全與暢通，同時能降低水的流速，起到水土保持的作用。在小型河道流域中修建蓄水工程設施，主要在低洼地區進行修建，攔蓄地表徑流并將其用作干旱時節的農田灌溉，以此提高農作物的產出及農民收入。據初步統計，德州市現可利用的坑塘有5 251座，將坑塘用來蓄水，年蓄水量可達8 800 m3。然而由于坑塘常年缺乏治理保護，導致其淤積嚴重，蓄水能力大幅下降。水利工程建設應重點增加攔蓄設施，利用坑塘等進行治理后蓄水，特別是打通縣鄉溝渠與坑塘水系連通。

第四種措施是從系統的角度來解決水土流失，主要以人工輔助種草育林結合自然生態修復的方式，在短時間內改善環境條件。同時，形成相對穩定的生物群落結構，以人為創造景觀異質性來提高生物群落對外界不良環境的抵抗力。

2 小型河道流域工程治理效益觀測方法

本文所研究的小型河道流域位于山東德州，據統計資料，德州市經過多年的水土保持治理，林木覆蓋率已達35% ，而土壤侵蝕模數已降至600t/(km2·a)以下。研究小流域的水土流失面積為15.81km2，水土流失類型主要為水力侵蝕。在該小流域內展開相應的治理中，水土保持技術措施主要包括修建蓄水池、谷坊、溝渠等，并實施坡改梯、保土耕作、經果林等工程。圖2為觀測到的小型河道流域工程治理中水土保持技術措施的效益內容。

圖2 小型河道流域治理水土保持的技術措施效益

從圖2中可知，水土保持的觀測效益主要有4種，各種效益之下對應著相關的技術措施。在坡面土壤侵蝕的觀測中，對比徑流小區是使用最為廣泛的一種方法。通過布設對照小區，來比較同等降水條件下產流的區別。但由于未直接在該小型河道流域布設徑流小區，因此本文參考《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/T 15774-2008)，并引用經過適當修正后的該流域附近水土保持檢測點歷年徑流觀測資料。保水量ΔWm(mm)的計算公式如下：

ΔWm=Cm1·P-Cmo·P=P(Cm1-Cm0)

(1)

式中：P為次年降雨量，mm；Cm0,Cm1分別為措施實施前與某種水土保持措施相應的徑流系數，在相同降水條件下對比產沙的區別情況。

取直徑為0.6cm、長為30～50cm、相距1m×1m或者2m×2 m形狀如釘子的鋼釬，分上中下與左中右各3排，沿著坡面垂直打入坡面或臺面。每次等級時段的末尾觀測釘帽露出地面的高度，對土壤的侵蝕度進行計算。對各種類型水土保持措施樣地容重ρ采用環刀法進行測量，實施某措施的保土量ΔS的計算公式如下：

(2)

式中：S為土地侵蝕模數，t/km2·a；Z為平均侵蝕深度，cm；ρ為土壤容重，g/cm3；Fe為某措施的實施面積，hm2；ΔSma,ΔSmb分別為實施措施后與實施措施前的土壤侵蝕模數，t/km2·a。

然后對比典型農戶與地塊有無措施的布設觀測點，并在確定后的觀測地塊中，根據不同面積，分別選擇約5～10個不同的采樣點。面積較小的用對角線采樣，面積適中的用棋盤式采樣，較大的面積用Z行進行采樣。將表層2～3cm的土壤及其上面的各種殘渣刮去，并向下進行采集土樣。土壤化學性質樣品采集是將0～20cm多點采集的土樣混合，重量約為1 000g。土壤性質及環境狀況分析測定見表1。

表1 土壤性質與環境狀況分析測定方法

通常采用樣方法與踏查法對植被狀況進行觀測，選擇有代表性的人工水保林和草地，分別布設觀測樣方，然后對各樣方的坡度、植物的種名、樹木灌木及草的高度、喬木林郁閉度，以及灌木與草地的覆蓋度等進行調查。對樣方的面積要求見表2。

表2 樣方的各種要求

采用典型地塊法與農戶調查法對經濟效益進行觀測，根據每年家庭內的收支經營情況，要求各農戶填寫相關調查表，并根據調查數據，計算該項目區的經濟效益。經濟效益主要包括實施水土保持措施前后，對比在該土地上生長的植物產品的增產量、增產值。種草經濟效益是對草養畜，以及提高載畜量節約土地這兩方面分別進行計算。該效益需要結合當地畜牧業生產進行計算。植物產品單位面積年凈產值j，以及節約牧業用地和提高土地載畜量ΔF的計算公式如下：

(3)

式中：y為該項措施的產品單價，元/kg；pb、pa分別為措施實施前后每年單位面積產量，kg/hm2；ub、ua為該項措施實施前后的單位面積年生產費用，元/hm2；V為發展畜牧總需飼草量，kg；Tb、Ta為天然草地與人工草地的單位面積產草量，kg/hm2；Fb、Fa為天然草地和人工草地的總需土地面積，hm2。

社會效益以典型農戶調查為主，包括調查人員協助農戶自報的方式進行。社會效益是指在實施期各年度，按單戶分項目連續進行記錄，在年終時進行匯總。

3 小型河道流域工程治理中水土保持技術措施與效益結果分析

根據小型河道流域的生態自然環境、社會經濟條件以及農業發展方向，依照全面貫徹落實科學發展觀以及人與自然和諧相處原則，在該小型河道流域實施相應的水土保持綜合治理措施。根據相關調查顯示，該流域內原有水土流失面積為1 581hm2，在該土地總面積的占比約為34%。按侵蝕強度劃分，水土流失面積的具體情況見圖3。

圖3 治理前后水土流失情況

圖3(a)中，將研究區的小流域按侵蝕程度等級劃分后，輕度、中度、強烈、極強烈的水土流失面積分別為1 143、191、229、17hm2，各占水土流失面積的72.3%、12.1%、14.5%、1.1%。隨著各項水土保持工程的建設完成，該流域內水土流失的情況有所改善，水土流失面積為146hm2，占地總面積為3.2%。圖3(b)中，在水土保持措施實施后，該流域水土流失總面積比治理前減少1 434hm2，占地總面積下降約30.8%。研究區參與保水效益計算的總共為5種水土保持措施，措施實施總面積約為1 434hm2，該區域總保水量為238.50m3。圖4為該項措施實施后的保水效益。

圖4 該項措施實施后的保水效益

由圖4可知，在5種措施中，水保林的保水量厚度最高，達到178.70mm；其次是經果林的保水量厚度為170.92mm；然后是坡改梯的保水量厚度為168.48mm；封禁林與保土耕作的保水量厚度分別為159.67和28.37mm。封禁林保水量為173.35×104m3，在5項措施中的保水量體積最大。其次是水保林、經果林以及坡改梯的保水量體積，分別為33.95×104、29.05×104、1.71×104m3。保土耕作的保水量體積微小，為0.43×104m3。

該流域實施5種保土措施后的保土量見圖5。

圖5 該項措施實施后的保土效益

由圖5可知，研究區措施實施后，該區域的總保土量為4.36×104t/km2·a。水保林的侵蝕模數最小，為561t/km2·a；坡改梯與經果林的土壤侵蝕模數均為650t/km2·a；保土耕作土壤侵蝕模數最大，為840t/km2·a。其中，封禁林的保土量最大，為6 032×104t；而坡改梯的保土量最少，為308×104t。

圖6為該項措施實施后的生態效益。

圖6 該項措施實施后的生態效益

由圖6可知，所有實施措施后的區域土壤養分含量均高于荒坡地，其中封禁林土壤的有機質、全氮、全磷含量最高，從總體上看，采取5種措施后對土壤的養分含量有一定的提高作用。研究區流域的荒坡地土壤水分較低，為24.52%，但其土壤溫度較高。各項措施近地表空氣溫度均比荒坡地要低，但空氣濕度均比荒坡地高。結果表明，原荒坡地采取措施后，土壤環境及地表小氣候均得到改善。表3為實施后兩年的經濟效益對比。

表3 實施措施后兩年山東德州市某小流域水土保持的經濟效益對比

由表3可知，自2020年起，各項措施生效后，該流域的增收值約為1 657.1萬元；2021年，該流域措施增收值約為2 355.8萬元，表明實施措施后該流域的經濟效益顯著。綜合各項調查得知，該項目實施使大部分農戶得到較多收益與便利。

4 結 論

小型河道流域水土治理是一項涉及面較廣的系統工程。本文分析了導致小流域水土流失的原因，提出了有針對性的治理措施，并選用具有代表性的效益評價指標來反映水土保持的綜合效益。結果表明，在水土保持措施實施后，該流域水土流失的總面積比治理前減少1 434hm2，占地總面積下降約30.8%，總保土量為4.36×104t/km2·a。各項措施近地表空氣溫度均比荒坡地要低，空氣濕度均比荒坡地高，土壤環境及地表小氣候均得到改善。