西北黃土高原旱區水土保持工程措施研究與應用

楊婉寧 劉曉東 霍云超

(1.陜西省禮泉縣水利管理站，陜西 禮泉 713200; 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

水土資源是中國西北旱區最重要的資源之一，由于其特殊的地理、氣候、水文等天然條件，加之一些人為因素的影響，水土流失問題一直是西北環境治理的一大難題[1]。為遏制日益惡化的水土流失問題，各級政府和研究機構采取了調整土地利用結構、退耕還林、改變耕作方式和修建水土保持工程等一系列水土保持措施，并取得了一定成效[2,3]。有研究表明天然情況下，黃土高原流域的泥沙輸移比為1左右[4]，而各種工程措施的建設，顯著降低了流域的泥沙輸移比，比如無定河流域泥沙輸移比降低到0.2～0.4之間[5]。還有學者認為，黃土高原水土保持工程措施具有更高的減沙潛力，比如有梗水平梯田對流域的減沙潛力可達到65%～90%，而當梯田比大于40%時，其減少作用基本穩定在90%左右[6]。

1 研究區現狀分析

1.1 研究區位置

中國西北旱區位于中國西北部，東至內蒙古錫林郭勒盟，西至新疆邊界，南到秦嶺—淮河的北麓，北到中蒙國界，轄6個省、56個地級市、397個縣，總面積373.3×104km2，約占全國國土面積的38.9%[7]。本文研究區位于西北黃土高原旱區的典型區域，總面積為320 km2。

1.2 研究區水土流失現狀

研究區內水土流失主要集中在坡耕地和荒山荒坡上，水土流失面積210 km2，占總面積的65.63%，受地形地貌、坡度、植被和氣候等因素的影響，研究區內水土流失形勢嚴峻，危害也在不斷加劇。土壤侵蝕模數是反映一個地區土壤侵蝕程度的重要指標，依據相關標準，按照土壤侵蝕模數將侵蝕程度劃分為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈六類[8]，各類所對應的土壤侵蝕模數范圍如表1所示，研究區的土壤侵蝕程度從輕度到劇烈侵蝕都有，以中度侵蝕為主。

表1 土壤侵蝕強度分級

2 建設原則

為了實現研究區“高標準規劃、高起點實施、高品質建設、高效能運轉”的要求，工程建設必須堅持以下原則：

1)生態優先原則。

首先要遵循生態學原理，運用生態經濟學和系統工程理論，堅持生態優先原則，構建生態文明。從實際出發，因地制宜、全面規劃、科學配置各項水保措施，體現人水和諧、人與自然和諧的原則。

2)協調發展原則。

充分考慮區域內經濟、社會、環境發展水平，區域內城鄉發展水平。使研究區內社會、經濟、資源、環境協調發展，推進研究區各個環節、各個方面相協調，促進水資源的高效利用，為現代農業發展，循環經濟建設提供保障。

3)科技示范原則。

研究區要堅持科學發展觀，充分運用系統工程方法，以小流域為單元，統籌山、水、田、林、路、草治理，溝坡兼治，治理與開發相結合，工程措施和植物措施合理配置，突出最新科研成果應用和新技術推廣，成為技術示范的基地。

4)可持續發展原則。

以社會經濟可持續發展為原則，充分發揮項目優勢，開發現代農業、優勢果業、特色禽畜產業，促進農民增收致富。大力改善農村生產生活條件，使區域水土流失得到控制，污染得到治理，生態環境得到明顯的改善，農民健康指數和幸福指數提高，實現經濟、社會、環境效益的共贏。

3 工程措施的應用

水土保持措施一般分為工程措施和生物措施，工程措施屬于基礎措施，可以有效的防治水土流失，保護當地的生態環境，合理的利用水土資源，常見措施有坡改梯、沉砂池、集雨窯、護坡、谷坊、淤地壩等。

1)坡改梯。

耕地侵蝕是流域產流產沙的主要來源，坡改梯措施是將原有的坡面耕地改造成梯田，再配合推行地膜覆蓋、秸稈還田、提升肥料技術等措施，以達到提高土地生產力、控制水土流失、改善生態環境的目的。相關研究表明，坡改梯工程需布設在坡度小于25°的地面上，一般提倡在5°～20°的坡面上進行建設[9]。研究區共進行了590 hm2的坡改梯工程改造。

2)沉砂池、集雨窯。

沉砂池是減少水土流失的常用措施，可以有效的沉淀粒徑0.05 mm以上的粗顆粒泥沙[10]。集雨窯是一種蓄水工程，一般在山頂或者位置較高處進行修建集水場，在集水場下部或者邊緣開挖地下水窯收集雨水，收集的雨水用于農田灌溉[11]。

沉砂池、集雨窯主要作為配套工程建設在梯田地塊中，這些坡面小型蓄排工程與坡耕地治理、經濟林建設及原有工程相結合，同步進行，合理布設，分層攔蓄，從而構成完整的防御體系，保護梯田區、保護耕作區的安全。研究區共建設集雨窯100座、沉砂池100個。

3)護坡。

護坡是指在坡面上做的防止邊坡沖刷的各種鋪砌和栽植的統稱，可以有效的防止邊坡沖刷，有利于水土保持，并且能夠與周圍環境協調融合[12]。護坡不僅僅應用于河道，在水土流失嚴重的邊坡處也多有應用，為了營造出與周邊生態環境相協調的坡面防護景觀群，研究區設計了漿砌磚護坡、漿砌石護坡、生物袋護坡、蜂巢格室植草護坡、垂直綠化護坡和鋪草皮護坡等8種生態護坡，共計1 200 m2。

4)谷坊群。

谷坊是修建在易受侵蝕的溝道中的土、石建筑物，一般高3 m～5 m，基礎埋深為2 m～3 m，攔蓄量達數百至幾千立方米，用來防止溝底下切、溝岸擴張，減輕山洪或泥石流危害[13]。研究區布設了漿砌石谷坊、籠石谷坊、土谷坊、編籬谷坊與干砌石谷坊5種材料的谷坊群，共計620 m。

5)淤地壩。

淤地壩是指在水土流失地區的各級溝道中，以攔泥淤地為目的而修建的壩工建筑物，這是我國黃土高原水土流失地區重要而獨特的治溝工程體系[14]，同時，淤地壩將泥沙攔蓄，使之成為可以旱澇保收的農田，增加當地的糧食產量，可謂是控沙攔泥的“神器”，豐產增收的“聚寶盆”[15]。研究區共設計建造了28座淤地壩。

4 效益分析

通過水土保持工程措施的建設，在一定程度上提高了對區域地表徑流、泥沙的攔蓄能力，擴大了區域內植被覆蓋面積。采用定額計算法對工程措施在正常年份下的蓄水保水效益進行計算，參照有關標準[16]和本地治理實際，設定蓄水定額和保土定額，工程的蓄水保水效益如表2所示，蓄水保土效益計算公式分別如式(1)，式(2)所示：

Ew=m×Aw

(1)

Es=m×As

(2)

其中，Ew為蓄水效益，萬m3；Es為保土效益，萬t；m為工程措施的數量；Aw為某工程的蓄水定額；As為某工程的保土定額。

經過計算得到，坡改梯每年的蓄水效益為16.5萬m3，保土效益為4.7萬t；沉砂池每年的保土效益為0.04萬t；集雨窯每年的蓄水效益為3萬m3；護坡每年的保土效益為19.2萬t；谷坊群每年的保土效益為0.06萬t；淤地壩每年的蓄水效益為56萬m3，保土效益為154萬t；各措施合計每年實現蓄水效益75.5萬m3，保土效益178萬t，見表2。

表2 水土保持工程措施蓄水保水效益計算表

水土保持工程措施還具有一定的生態效益，工程初步控制水土流失，有利于區域綠化，生態環境也隨之得到了明顯改善。此外，水土保持工程的防災減災作用也很顯著，工程措施在一定程度上攔蓄山洪泥沙，降低了泥石流的危害。

5 結語

黃土高原地區常年遭受水土流失的影響，建設水土保持工程是進行水土流失治理的重要措施。本研究以西北黃土高原旱區的典型區域為研究區，強調了研究區水土保持工程的建設原則，闡述了水土工程的應用情況，采用定額計算法計算出工程措施的蓄水效益和保土效益。該研究區的建設為西北旱區進行水土保持工程建設提供了重要的指導和借鑒作用。