小流域地區的水土保持與生態景觀工程設計研究

尚瑞朝

(河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心,石家莊 050000)

0 引 言

水土保持技術作為維系自然生態平衡以及加強環境保護措施實行的重要內容之一,多被應用在水土流失地區的治理方案中,該技術能有效根據其流失基礎特征以及相關定性走勢規律進行相關問題的治理［1-2］。提高生態循環能力以及保障生態穩定安全是促進流域水土保護的重要指導方針,生態文明建設進程的推進使水土保持建設的內容和指導方針不斷豐富發展,加強環境治理與產業之間的關聯關系是有效助推生態建設的重要內容［3-5］。大流域為骨干,小流域為單元,山水田林路以及蓄水排灌的統一規劃和綜合治理是我國水土工作的重點［6］。小流域是涵蓋二三級支流以下的小型自然生態復合生態系統,其以分水嶺和下游河道出口斷面為界,具有較好獨立性和封閉性的匯水區域。加強對小流域水土保持工作的治理,不斷挖掘出其發展潛力,對于區域經濟的發展以及當地環境資源條件的改善均具有重要的現實價值和理論意義［7-8］。

河北某山區隸屬國家水土保持重點治理區,本文以該地區的某流域為研究對象,對其水土保持現狀及相關生態景觀設計等方面進行分析研究,以更好地為其水土工作的處理獻計獻策。

1 小流域地區水土保持及生態景觀設計

1.1 流域概況

本研究選取的某流域位于河北省,該流域地處的鎮級具有78km的生態農業觀光帶,農產資源發展成為該區域經濟發展的重要內容。該研究區氣候為暖溫帶半濕潤季風氣候,春季少雨干燥,夏季溫熱,高溫及多濕度較為明顯;秋季涼爽多晴天,冬季寒冷干燥。該氣候多表現為降水集中且雨熱同期,夏季和冬季的平均氣溫分別為 26.4℃和零下2.6℃,降雨量從夏季到秋季逐漸減少,夏季降雨量在全年降水量中的占比超過60%,且冬季無霜期大于150天。該地區的年均日照時數和年均輻射量分別為 2 627.5h和121.34千卡/cm2［9-10］。該流域區的主要地質巖石類型為火成巖,偏南部山區和東部、北部分布有花崗巖和變質片麻巖,巖石發育完整,因受大陸性季風氣候的影響,偏東北部巖石的風化作用明顯［11］。土壤種類主要為棕壤土,土壤為微酸性,且整體有機含量較低,涵水性較差。同時,該流域面積為11.18km2,農業為該地區主要的生產方式,包括小麥、玉米等農作物以及桃子、櫻桃、板栗等經濟林果。圖1為該流域的土地利用情況。

該流域主要土地利用類型為耕地和林地,其面積占比為61.53%和24.15%。林地主要集中在南部坡麓梯田及近山階地上,其次占比較小的土地利用類型為工礦用地、居民地和水體。較好的山林生態環境及生態旅游資源,豐富特色的農林產品是該流域發展的優勢點所在,但土地結構的零散以及較為嚴重的水土流失情況較大程度制約著該流域的發展［12］。導致水土流失問題突出的原因在于,生態資源與相關水土保持工作配置之間的協調性較低,缺乏完整的規劃體系,且未將生態景觀設計理念與環境保護相結合［13-14］。因此,為更好實現該流域的可持續發展,研究依托于該流域現有發展格局,從水、土、林、田、湖、草等方面進行小系統保護設計,并借助水土保持和景觀生態相關理論基礎,進行流域生態景觀規劃設計,在有效實現水土涵養的基礎上發揮其資源優勢,激發生態農業及觀光旅游的發展潛力。

1.2 生態景觀規劃設計

對該流域進行生態景觀設計時,要借助工程林草措施進行水土保持,以斑塊-廊道-基底模式原理進行景觀設計,并確定流域主導功能進行區域劃分,兼顧生態效益和景觀效益的同時實現其設計規劃。斑塊-廊道-基質能有效描述景觀空間的一致性,通過不同空間單元的連接、帶狀結構以及其背景結構等實現其生態廊道的建設,在一定程度上能保證系統的穩定性和協調性［15］。該流域以山體為主要骨架結構,表現出立體環狀的格局,并在縱向維度上可劃分為不同山體高度的空間構造,其對應的農林結構為生態林、經濟林和農田。故本研究在此基礎上,使該三部分分別承擔水源涵蓋、水土保持和觀光旅游功能,通過在流域河道設計建溝工程實現中心水體景觀廊道的設計。圖2為框架示意圖。

圖2 框架示意圖

該流域景觀廊道在布局整體水體景觀以及整治環境問題發揮著重要作用,故本研究對流域實行淤泥清疏、綠化植被栽種等措施,包括生態護岸工程、谷坊工程等等。根據該流域的自然地形高程,進行不同撫育管理示范帶的布設。其中,上部的保水修復帶主要是通過林草的更新管理來實現生態自我修復;中部經濟林示范帶則在控制水土流失的情況下,栽種具有較高經濟價值的樹種;下部農田則進行梯田建設,實現對地形坡度的調整來改變地表徑流流程,達到徑流攔截效果等。同時,輔助建設蓄排工程來引水入庫,提高水資源利用率。該三帶的建設面積分別為277、103、168hm2。4區的劃分則分別為山區雨水集蓄區、生態農業示范區、護水休閑區以及傳統村落風貌展示區,其對應的面積或擬設面積分別為174、178、99、86hm2。圖3為流域生態景觀總體布局圖。

圖3 流域生態景觀總體布局圖

以干挖方式實現淤泥的清除。該方式所要求的技術手段較低,具有較好的適應性,且該流域淤泥中的水分含有量較少,對淤泥的清除能有效恢復河流的調控能力,使河道蓄水能力回歸正常。在護岸工程中,以“可滲透”駁岸這種生態形式來避免原硬質河岸對河岸線的破壞,該形式具有較好的親水性,且在保證水體自凈能力的同時維系生態平衡,其內容包括松木樁、漿砌、階梯型石籠、谷坊形式,具體內容見圖4。

在4種護岸工程形式中,松木樁是通過采用置石、疊石來進行布置,并借助相關樹種的補種來減少水流對土壤的沖刷性,實現岸坡穩定,松木樁的高和直徑分別為3和15cm,樁徑至少高于水位15cm。對于漿砌石護岸內部則主要是鵝卵石。階梯型石籠以鍍膜鋼絲編織成蜂巢格網,并裝填具有透氣性的物料。針對被侵蝕的溝道,按照《水土保持綜合治理技術規范》(GB/T 16453.4-2008)規定進行谷坊修建,以發揮其固穩、蓄沙的功效［16］。同時,將谷坊位置設置在支溝和毛溝中或者支流的下游匯合處,確保其能實現貯沙。對于其材料的選擇,要確保建材具有較好的承壓性能,且谷坊間距要保證其下游溢水口底與上游相鄰處的基部處于同一高度水平上。其間距的計算公式如下:

(1)

式中:h為谷坊底部與溢水口底之間的高差;i為原溝底的比降;i1為堆積淤泥后未經沖刷的比降。

依據10年一遇暴雨情況和相關實際情況,設計谷坊的頂部長度和高度分別為7和2m,其迎水坡和背水坡分別為1∶0.1和1∶0.8,谷間間距為80m。在護岸設計過程中,注重多種植物品種的配置,以實現較好的感官體驗和美覺體驗。

在三防護帶設計過程中,在水土保護生態修復中設置圍欄及專職管護,并依據當地實際情況,選取側柏及黑松為主要樹種,其種植密度為1 500和800株/hm2,種植面積為176和103hm2。借助魚鱗坑進行整地,每坑為長徑1m、短徑0.6m 的半圓形,深度0.6m,且使其沿等高線進行排設,每個坑周邊需挖設寬度和深度為20cm的八字截水溝,并設置95hm2的封禁區,1.5m的圍欄。對于經濟林示范帶,其整體規格則為深度和直徑均為0.6m的穴狀圓形,主要栽種植物為經濟作物,密度620株/hm2,根據市場變動情況以及不同樹種的生長習性,進行相應植株行距的確定以及種植規模的確定。對于梯田景觀的設計,則根據交通情況以及地形分布情況進行大彎就勢、小彎取直的辦法進行設計,地面坡度在5～15m之間,以更好實現對地表徑流的攔蓄排水,設置相應等排水溝。對于4個區域的設計,則從實際設施部署、樹種選擇、項目設施設計等方面進行布局。

加強對流域的水土治理以及生態景觀的設計,能獲得一定程度的經濟效益和生態效益。生態環境的治理改善不僅能減少環境治理成本,還能助推生態旅游資源的發展。研究確定水土保持措施的使用年限為20年,對其創造的直接收益進行計算,公式如下:

B′=B-(K+C)

(2)

式中:K為治理過程的前期投資金額;C為累積運行費用;B為累積產出效益。

2 小流域水土治理及景觀設計應用成效

本研究對設計流域進行了相關水土治理,并根據實際情況進行生態景觀設計,確定了“一廊三帶四區”的功能設計格局,對各部分生態治理及相關工程設施設計進行了描述。對研究提出的治理方案的生態效益、經濟效益以及社會效益進行分析,更好地對該流域的治理效果進行評估。流域水土保持能力的提升主要體現在土壤蓄水能力的提高,表1為不同帶區土壤特性變化情況。

表1 不同帶區土壤特性變化情況

從表1可以看出,當進行各種生態景觀工程設計后,不同帶區植株的土壤特性均存在不同的變化。在物理性質上,研究區流域的土壤較治理前,其平均含水量和土壤孔隙情況增加幅度均在0.1%以上,最大增值幅度達到2.89%和1.24%。在化學性質上,各帶區的植物養分含量均有所提升,其有機碳、含氮量以及含磷量的增加幅度最大均超過3.5%。上述結果表明,該流域的土壤蓄水能力以及養分涵養能力均得到提升,表明該水土保持工作的有效性。同時,對各項水土措施的蓄水量和保水量進行計算,結果見表2。

表2結果表明,在進行各項治理措施后,該流域的蓄水能力和保水能力均得到不同程度的提升,其效率提升均在35%以上。其中,梯田工程及水土保持工程所帶來的保水量達到理論10.91×104和5.47×104m3。借助等效方法,河道清淤資金補助和建設費用為5和2萬元,故研究提出的水土保持工程能在效益上獲得65.49萬元,具有較高的經濟效益。

表2 保水及蓄水效益情況

3 結 論

小流域的水土治理工作在我國水土保持工作中具有十分重要的意義。本文以某小流域為研究對象,對其進行水土工作處理和景觀設計。結果表明,生態景觀工程設計后,土壤的平均含水量和土壤孔隙情況增加幅度均在0.1%以上,最大增值幅度達到2.89%和1.24%。同時,該流域的蓄水能力和保水能力得到提升,其效率提升均在35%以上。其中,梯田工程及水土保持工程所帶來的保水量達到理論10.91×104和5.47×104m3。整體表現出較高的生態效益和經濟效益,有效實現了生態環境修復以及流域綜合治理工作的提升。加強對流域生態景觀工作的后期管護工作以及管理機制的完善,能有效實現綜合治理工作的提升。