溝道水資源的水土保持開發利用模式研究

□陳維杰

降水經坡面的地表徑流及土內滲流而匯入溝道后，將形成小流域洪水并對溝床產生水力侵蝕。為防止和減輕這種侵蝕，同時最有效地開發利用小流域洪水資源，使其變害為利，人們經過長期的生產實踐和科學試驗，探索出了一種以蓄水為主兼具削峰、攔沙功效的小型集流壩。本文主要通過對研究區小流域集流壩的調研分析，著重概化推求布壩密度、蓄水規模、合理壩高等重要參數，并根據不同的自然條件歸納分類出幾種開發利用模式。

一、集流壩主要參數的確定

(一)布壩密度的研究。根據研究區的統計數據，筑壩密度與流域水文地質條件及溝道寬窄形狀有關。下表分別列出土石山區和黃土丘陵區兩類不同地域的典型小流域集流壩調查資料，從中可找出一定的規律性。

表1 典型小流域集流壩情況調查表

從上表可以看出，在豫西山區開展以工程措施為主的水土保持建設，當治理程度達到80%以上時，土石山區的布壩密度以掌握在0.5～0.6座/km2為宜，黃土丘陵區以0.6～0.75座/km2為宜。

(二)蓄水規模的研究。集流壩的蓄水規模和當地的降雨量、下墊面特性以及用水需求有關。下表分別列出兩類不同自然條件下的統計資料以概化出其經驗參數。

表2 典型小流域蓄水規模統計表

根據上述已成集流壩的統計資料可知，在豫西的降雨特性以及能夠滿足流域內生態、生產及生活用水的條件下，土石山區的單壩蓄水規模宜設計為5000～10000 m3，黃土丘陵區宜設計為10000～25000 m3。

(三)壩高與庫容的關系研究。壩高與庫容的關系主要取決于流域形狀。土石山區的流域形狀大多呈V型狹長狀，黃土丘陵溝壑區大多為U型寬闊狀。下表分別列出兩類地區代表流域內的有關統計資料以供分析研究。

表3 集流壩壩高與對應庫容關系

通過對兩大類型區典型流域內的集流壩壩高與對應蓄水量的統計分析，從而得出如下關系式：

土石山區：V=33H2.55

黃土丘陵溝壑區：V=113H2.34

二、開發利用模式的選擇

布壩密度、適宜蓄水規模及合理壩高確定后，即可依據當地的自然條件選擇開發方式。豫西一帶適宜的開發方式有以下三種：

一是攔水壩。這是集流壩的主要開發形式，其功效近期以攔(蓄)水為主，中后期以攔(蓄)泥沙為主(亦可稱“攔沙壩”)。據對汝陽縣兩座庫容分別為10000 m3和6000 m3的攔溝壩實測功效抽查分析，在次降雨在78～96 mm情況下，削峰效益達到42%～45%，減沙效益達到76%～85%。修筑攔溝壩的技術一般比較簡單，可根據下表分類優選壩型及根據《集雨節灌技術》有關集流壩設計內容進行規劃修建。

表4 不同壩型特點及適用范圍

二是截潛流。在黃土丘陵區，年內降雨分配極不均勻，暴雨集中，常常是洪水形成快、峰值高、挾沙量大，在這種自然條件下修建攔溝壩很難解決淤積問題。但豫西一帶的丘陵溝壑區多系近代河流沖積形成的潛水區，溝道含水層厚度較大但埋深較淺，巖性多為中粗砂和卵礫石，透水性比新淤壩地(淤積物多為粘土、壤土和細砂等)大得多，因此在這類地區(甚至包括土石山區的丘陵地帶)的河流上推行建造河床地面以下的截潛流壩就不失為一種有益的選擇。

據汝陽縣上店鎮1996年在砂礫質淤積河床上建成的4座截潛流工程(截水墻有漿砌石和粘土兩種類型)的運行情況看，這種類型的集水工程具有以下明顯優點：①位于河床以下，不影響溝河行洪。②與攔溝壩相比，淤積少，使用壽命長。③與淤地壩、攔沙壩相比，水源充沛，補給頻率高。④經砂層過濾，水質得以凈化，不僅可用于大田灌溉，還可用于人畜飲水和工副業生產用水，更適合于噴、滴灌用水。⑤不易被大自然和人為破壞，平時勿需專人看護。⑥適宜就地取材，易于在山區的中小河流上建造推廣。

三是人字閘。人字閘是一種半固定式蓄水閘門，屬輕型的小型擋水壩，適應范圍比較廣泛。據汝陽縣、欒川縣等地在山區河道及溝谷上的建閘經驗，這種形式集水壩的結構特點是：閘前水深H=1.5～3 m，撐桿傾角θ=60°～65°，撐、壓跨度R=0.75H，撐、壓桿結點高度h=0.84H。人字閘壩的優點是：①閘板為活動式，可裝可卸。蓄水期裝板蓄水灌溉，汛期卸板泄洪沖淤。②與攔溝壩相比，可利用洪水沖淤來擴大蓄水容積，從而延長使用壽命。③造價適中，一般每米壩長投資2000元左右，按每立方米庫容折算約為5～8元。④適宜山區小泉小水的攔蓄，與水渠、堤灌站、流動泵站配套使用十分方便。⑤適宜小面積地塊使用，一般二三十畝的地塊建一處小型人字閘工程，再配套自流渠(管)或流動泵站進行灌溉，效果極佳。⑥運行管理方便，不蓄水時可以將面板拆裝運走，而人字架為固定式，不需設專人看管。⑦可以梯級開發，有利于水資源的充分利用。⑧蓄水后狹谷可以成湖，有利于美化、凈化環境，改善流域小氣候。

三、運用方式的選擇

集流壩的主要功能是興利蓄水，為流域內的生態、生產、生活提供必要的水源，這也是其和一般的水土保持攔沙壩、淤地壩根本區別之所在。因用水戶大都與壩址相距有一定的距離，欲取用水還需配套一定的工程設施。根據配套工程設施的類型及布局特點，可將集流壩的運用方式劃分成以下四種類型：

一是壩——壩連環型，即建設集流壩系工程。通常情況下，集流壩系工程的組合形式是：從溝道上游至下游，從支毛溝至干溝，依次布設谷坊和集流壩。集流壩的布設特點是位于上游的容量相對小，位于下游的容量相對大。集流壩系的運用方式大致有兩種：一種是清洪分治、排洪蓄清、蓄排結合的方式，如人字閘、截潛流以及設置專用排洪道的攔溝壩，這種方式的效益目標是以供水為主；再一種是上壩攔沙落淤、下壩滯洪蓄清，這種方式的效益目標是近期以調水削峰為主，長遠以攔沙淤地為主。

二是壩——窖組合型，即先由集流壩將上游坡面來水蓄積起來，然后通過渠(或管)道輸送給水窖，再由水窖轉送至用水地點。當用于灌溉時，這種形式則適用于集流場與灌區相距較遠、需把水窖建在灌區內的工作方式。汝陽縣十八盤鄉干里村高莊組在溝道內建了一處總蓄水6000 m3的集流壩工程，然后埋管1200～1800 m，將水送至田間地頭，并建了4個水窖，每窖控制耕地面積10～12畝，從而解決了抗旱用水問題。

三是壩——池組合型。其工作原理與壩——窖組合型相同。

四是壩——池——窖組合型。即先由集流壩將雨水送至蓄水池，然后再轉送至水窖供用戶使用。

四、山泉溪流水資源開發利用模式

從傳統的角度講，一般日徑流量小于20m3的小泉小溪即無開發利用價值，而山區由于巖層隙水、土壤滲水等所形成的小山泉較多，這對于水資源尤為短缺的豫西山區而言，若棄之不用則實屬可惜。況此類小山泉出流距離短，大多沒有污染，水質良好，含沙率極低，能夠滿足各類用水戶對水質的需求，因此開發利用具有一定的使用價值。

近年來，豫西各地以解決人畜飲水困難為主，對山泉溪流進行了較大規模的開發。其工程形式主要有以下兩種類型：

一是“長藤結瓜”式。即先在泉水出露處建一小型蓄水池(可明可暗)，然后埋管或修渠(多采用埋管以減小滲漏損失)通往用水地區。有時用水戶比較分散，就在管道沿線依據用戶的分布情況再布設若干個蓄水池或水窖以調蓄來水(沿線池、窖為并聯關系)。這種形式在豫西山區的人畜飲水工程建設中最為常見。

二是“管道帶蛋”式。即先在泉水出露處建一個小型蓄水池，然后埋管或修渠，并沿用水線路每到一個用水地點即設置一個蓄水池，再由此蓄水池的溢水口向下一個蓄水池繼續埋管或修渠送水，直至終點(沿線諸池為串聯關系)。這種形式較適合于山區零碎地塊的灌溉，其優點是有利于微水資源的充分開發利用(上游地塊用不完的水可不廢棄而直接轉送至下游地塊繼續使用)，缺點是上、下游的用水保證率有時差異較大。

五、結論與討論

對降雨入滲及產流過程的研究一直是眾多相關科研人員關注的熱點。一般水資源專家的研究往往是側重于不同集流材料的產流特征、集流性能及集流效率，從而為集雨工程尋找性優價低的新型集流材料；而水土保持專家則著重于探討不同因子(諸如坡度、坡長、降雨強度等)對土壤流失的作用過程和影響程度，以建立相關的模型來進行水土流失預測預報。本文的立意是根據豫西山丘區半干旱特點，將兩個領域的研究方向與方法進行交匯、通融、迭加、統一，即把集雨技術作為水土保持的重要措施、把水土保持作為集雨開發的重要模式進行互融研究，從而取得更為高效、持久的綜合效益。