隴東黃土塬區(qū)固溝保塬工程治理模式研究

王小帆，霍艾迪，朱興華，趙彥斌，姜 程，鄭小路

（1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西西安710054；4.慶陽市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)分站，甘肅慶陽745000）

隴東黃土塬區(qū)能源富集,是我國重要的能源、化工基地［1］,長期以來,由于土質(zhì)疏松、降雨時(shí)空分布不均,因此水土流失十分嚴(yán)重［2］,造成溝頭不斷前進(jìn)、塬面逐年萎縮,已對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了嚴(yán)重危害,給塬區(qū)人民的生產(chǎn)生活造成極大的不便。據(jù)慶陽市水土保持局調(diào)查,該市各流域水土流失面積占比均在90%以上,個(gè)別地區(qū)高達(dá)98%,經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的城市拓展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、石油煤炭資源開發(fā)等人類活動(dòng),使塬面萎縮速度愈發(fā)驚人。目前,黃土塬區(qū)的馬蓮河一級(jí)支流火巷溝溝頭已伸入到慶陽市西峰區(qū)市區(qū)腹地,距市中心不足 1 000 m［3］。

過去60多a來,經(jīng)水土保持、水利、農(nóng)業(yè)及相關(guān)科研部門長期聯(lián)合探索,“固溝-護(hù)坡-保塬”的黃土塬區(qū)治理理念日趨清晰,提出了一系列綜合治理措施［4-9］,如黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站歷經(jīng)60多a探索,提出了“塬面徑流調(diào)控、坡面植被恢復(fù)、溝道水沙集蓄”三道防線治理模式,以硯瓦川流域?yàn)榛A(chǔ)提出了基于徑流調(diào)控利用的多元綜合治理模式。2014年慶陽市政府對(duì)固溝保塬工程進(jìn)行專題部署,制定并實(shí)施塬面保護(hù)治理總體規(guī)劃,這是黃土塬區(qū)實(shí)施的一項(xiàng)重大水土保持和土地整治工程,目前有些固溝保塬工程建設(shè)已接近尾聲。固溝保塬治理模式可分為哪幾種類型、今后應(yīng)如何卓有成效地開展？對(duì)此,筆者在典型的黃土塬區(qū)——董志塬對(duì)固溝保塬工程建設(shè)情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研,對(duì)固溝保塬實(shí)施方案中典型溝道的治理模式進(jìn)行了分類總結(jié),對(duì)實(shí)施固溝保塬工程建設(shè)的火巷溝進(jìn)行遙感影像解譯和治理效果評(píng)估,以期為今后固溝保塬工程建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 董志塬西北塬區(qū)固溝保塬主要治理模式

固溝保塬工程建設(shè),源于20世紀(jì)50年代以來南小河溝土地整治的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［10-11］。據(jù)實(shí)地調(diào)查,目前董志塬西北塬區(qū)固溝保塬治理模式主要有簡單填埋型（硯瓦川)、排水+填埋型（火巷溝)、排水+填埋+護(hù)坡型（馮家畔溝)、排水+填埋+生態(tài)護(hù)坡型（驛馬大溝)4種類型,見圖1。

圖1 固溝保塬工程主要治理模式

1.1 簡單填埋型

對(duì)侵蝕溝簡單填埋是董志塬治溝保塬最常見的一種工程措施,分為直接傾倒和經(jīng)過夯實(shí)兩種方式。填埋物主要分兩種,一是其他地方的黃土,二是城市建筑廢棄物與黃土的混合物。例如硯瓦川流域?qū)项^的治理就采用直接傾倒、填埋城市建筑廢棄物與黃土的混合物（見圖1（a)),這種方式在慶陽市最為常見,原因是節(jié)省成本并間接解決了城市廢棄物處理的問題,但此方式填埋物未進(jìn)行人工固化直接傾倒溝內(nèi),廢棄物裸露,受雨水沖刷,會(huì)造成地下水水質(zhì)污染。對(duì)于沒有足夠回填物來源的大型溝道的溝頭防治,應(yīng)該充分考慮高塬溝壑區(qū)“徑流主要來自塬面,泥沙來自溝谷”的實(shí)際情況,在水文分析的基礎(chǔ)上,采用化整為零的方式在塬面修建澇池等攔蓄塬面徑流,同時(shí)布設(shè)溝頭防護(hù)工程。

1.2 排水+填埋型

該模式一般有懸臂式跌水、陡坡式及臺(tái)階式跌水混合泄水防護(hù)工程,如實(shí)施固溝保塬的重要工程——火巷溝溝頭治理工程（見圖1（b)),該工程在填埋土體之上修建橫向排水渠,徑流匯流后排泄入溝。這種治理模式可在一定程度上防止徑流對(duì)坡面的沖刷,但侵蝕溝局部區(qū)域?qū)Я髟O(shè)計(jì)不合理,尤其是在泄水結(jié)構(gòu)選擇和工程設(shè)計(jì)方面未根據(jù)溝頭水文、地形條件精確計(jì)算匯水量,尚未解決地下水淘蝕問題,易引發(fā)重力侵蝕,導(dǎo)致填埋工程從底部坍塌。

1.3 排水+填埋+護(hù)坡型

該模式是在排水+填埋型治理的基礎(chǔ)上,在溝道兩邊修筑護(hù)坡工程,對(duì)坡面土體進(jìn)行加固,防止土體流失,如對(duì)馮家畔溝的治理（見圖1（c))。常見的護(hù)坡方式有干砌石和混凝土砌石護(hù)坡、格狀框條護(hù)坡等,與排水+填埋型治理模式相比,護(hù)坡工程可截留降雨、削弱濺蝕,更好地防止填埋土體的流失。

1.4 排水+填埋+生態(tài)護(hù)坡型

生態(tài)護(hù)坡就是綜合工程力學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和植物學(xué)等學(xué)科的基本知識(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行保護(hù),形成由工程和植物組成的綜合護(hù)坡系統(tǒng)。排水+填埋+生態(tài)護(hù)坡型治理模式就是在對(duì)溝道進(jìn)行填埋后,利用植物與巖土體的相互作用（根系錨固作用)對(duì)邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固,不但降低填埋土體的孔隙水壓力,而且還可以截留降雨、恢復(fù)遭受破壞的自然生態(tài)環(huán)境,是一種有效的固土手段,如對(duì)驛馬大溝的治理（見圖1（d))。此模式防護(hù)效果最為明顯,溝道侵蝕得到明顯控制。

2 火巷溝治理效果分析

火巷溝緊鄰慶陽市西峰區(qū)東城區(qū),溝頭距離城區(qū)居民住宅區(qū)不足50 m,由于城市生活及企業(yè)排水引起溝岸塌陷,部分企業(yè)廠房已懸空,隨時(shí)都有塌陷的危險(xiǎn),從2000年開始對(duì)該溝道采取簡單填埋的方式進(jìn)行治理。據(jù)對(duì)2000年10月19日（晴)ETM影像（見圖2)和2017年5月17日（晴)快鳥衛(wèi)星影像（見圖3)的解譯,分析火巷溝固溝保塬治理效果。盡管從2000年開始進(jìn)行了填埋式治理,但溝頭仍在不斷侵蝕前進(jìn),17 a間火巷溝溝頭仍前進(jìn)了48 m,原因是缺乏合理的徑流調(diào)控措施,人為機(jī)械夯實(shí)的黃土與原始固結(jié)黃土相比結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更差,導(dǎo)致該工程短期內(nèi)效果明顯,但長期而言易在汛期被徑流沖蝕。因此,近期在簡單填埋治理的基礎(chǔ)上配套建設(shè)了徑流調(diào)控（排水)工程等,以綜合防治溝道侵蝕、防止溝頭前進(jìn)。

圖2 2000年10月19日ETM影像

圖3 2017年5月17日快鳥衛(wèi)星影像

3 固溝保塬科學(xué)治理模式研究

3.1 厘清溝頭前進(jìn)致災(zāi)原因，針對(duì)主控因子“對(duì)癥下藥”

慶陽市不同流域溝道侵蝕致災(zāi)主要原因不盡相同。溝道若臨近城區(qū),則城市不合理的排水系統(tǒng)可能加劇侵蝕；溝道若在農(nóng)區(qū)（農(nóng)村、農(nóng)田),則因黃土具有濕陷等性質(zhì),故直接被降雨沖刷后易形成落水洞等,引起坍塌造成溝頭前進(jìn)［12］。雖然造成溯源侵蝕、水土流失的原因都是徑流沖刷,但溝道所在區(qū)域不同,徑流產(chǎn)生的方式也不同,因此針對(duì)不同溝道應(yīng)先厘清其徑流產(chǎn)生方式,再“對(duì)癥下藥”,采取相應(yīng)工程措施。對(duì)臨近城區(qū)的溝道,合理修建排水渠道或管道,禁止直接向溝道放水；對(duì)農(nóng)區(qū)溝道,可栽植深根性灌木,固土綠化、阻止雨水直接沖刷土壤。

此外,針對(duì)黃土塬區(qū)普遍存在的重力侵蝕災(zāi)害［13］,基于常見滑坡治理虹吸排水法［14］,結(jié)合黃土自身橫向滲透性差的特性［15］,提出一種圖4所示的輻射井（二叉樹)虹吸-泵吸排水裝置,用來降低侵蝕溝的地下水位、治理黃土塬區(qū)侵蝕滑坡：通過打井監(jiān)測(cè)溝壑坡腳處地下水位,在合適高程處布置橫井,橫井管道采用二叉樹輻射狀連接,覆蓋面積大、密集度高、匯水性好,土壤中賦存的地下水經(jīng)反濾層、濾布雙重過濾后進(jìn)入管道中；豎井垂直管道中放置液位計(jì)感應(yīng)探頭,通過壓力傳感器準(zhǔn)確測(cè)算出地下水位,一方面將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)無線傳輸至云平臺(tái),可遠(yuǎn)程獲知地下水位的變化情況,另一方面轉(zhuǎn)化的電信號(hào)傳遞至控制器,控制器根據(jù)水位高低切換合適的排水方式；在溝底修建蓄水池,將蓄積的地下水抽至塬上供居民使用；在塬面匯水區(qū)域可修建梯級(jí)排水系統(tǒng),就地?cái)r蓄、利用。此裝置構(gòu)造簡單、匯水性好、造價(jià)低廉,可配合溝頭回填措施,防治黃土崩塌、滑塌,控制溝道溯源侵蝕,但目前具體應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不多。

圖4 二叉樹排水法降低坡腳地下水位示意

3.2 建立水蝕模型，模擬大時(shí)空尺度下水土流失響應(yīng)機(jī)理

當(dāng)前實(shí)施的固溝保塬工程建設(shè)多依賴于經(jīng)驗(yàn),缺乏科學(xué)的理論體系支撐,沒有系統(tǒng)的規(guī)范作指導(dǎo),大部分措施只重視小尺度范圍治理（如僅溝頭填埋)而忽略了中大尺度（如流域)的反饋效應(yīng),只重視短時(shí)間尺度的治理效果而忽視中長期時(shí)間尺度的反饋,部分治理措施的效果差強(qiáng)人意。因此,在實(shí)施治理措施之前,建議采用水蝕模型,針對(duì)不同溝道的固溝保塬工程措施,定量評(píng)估中大空間尺度、中長時(shí)間尺度的實(shí)施效果以及整個(gè)流域的反饋效果,即超前判識(shí)工程效果,確保固溝保塬工程建設(shè)的實(shí)效。

3.3 依據(jù)“三區(qū)三線”，制定科學(xué)系統(tǒng)的防治體系

劃定“三區(qū)三線”是黨中央對(duì)空間規(guī)劃的明確要求［16］,“三區(qū)”指生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)三類空間,“三線”指根據(jù)生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)空間、城鎮(zhèn)空間劃定的生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田邊界、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界。固溝保塬工程是一舉多得的民生工程,其有效實(shí)施直接影響黃土塬區(qū)城鎮(zhèn)“三區(qū)三線”精準(zhǔn)落地,因此應(yīng)依據(jù)政府部門確定的“三區(qū)三線”,著眼城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)空間布局,基于用地分類、城鎮(zhèn)邊界,劃分地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū),根據(jù)溝道具體情況,采取相應(yīng)的治理模式（見表1)。根據(jù)董志塬土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、農(nóng)田及林地規(guī)劃,結(jié)合高危險(xiǎn)區(qū)域分析,在不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下,應(yīng)適當(dāng)縮減農(nóng)田、營造防護(hù)林,在保證生態(tài)空間面積不減小的情況下,合理規(guī)劃固溝保塬工程,有效防止溝頭前進(jìn)。

表1 “三區(qū)三線”及對(duì)應(yīng)的固溝保塬治理模式

截至目前,慶陽市固溝保塬工程已治理水土流失面積1.09萬km2,占全市水土流失面積的47%,取得了顯著的成效,應(yīng)通過總結(jié)評(píng)估,為今后系統(tǒng)、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地開展固溝保塬治理提供借鑒,爭取在未來做到水不下塬、坡不滑塌、溝不擴(kuò)展,促進(jìn)治理區(qū)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)村人居環(huán)境得到明顯改善,農(nóng)業(yè)與農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,生態(tài)文明建設(shè)取得顯著成效。