西北黃土高原旱區(qū)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(qū)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(huán)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(diào)整土地利用結(jié)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(wěn)定在90%左右[6]。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀分析

1.1 研究區(qū)位置

中國西北旱區(qū)位于中國西北部，東至內(nèi)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(qū)位于西北黃土高原旱區(qū)的典型區(qū)域，總面積為320 km2。

1.2 研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀

研究區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)水土流失形勢嚴峻，危害也在不斷加劇。土壤侵蝕模數(shù)是反映一個地區(qū)土壤侵蝕程度的重要指標，依據(jù)相關標準，按照土壤侵蝕模數(shù)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(shù)范圍如表1所示，研究區(qū)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(xiàn)研究區(qū)“高標準規(guī)劃、高起點實施、高品質(zhì)建設、高效能運轉(zhuǎn)”的要求，工程建設必須堅持以下原則：

1)生態(tài)優(yōu)先原則。

首先要遵循生態(tài)學原理，運用生態(tài)經(jīng)濟學和系統(tǒng)工程理論，堅持生態(tài)優(yōu)先原則，構建生態(tài)文明。從實際出發(fā)，因地制宜、全面規(guī)劃、科學配置各項水保措施，體現(xiàn)人水和諧、人與自然和諧的原則。

2)協(xié)調(diào)發(fā)展原則。

充分考慮區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟、社會、環(huán)境發(fā)展水平，區(qū)域內(nèi)城鄉(xiāng)發(fā)展水平。使研究區(qū)內(nèi)社會、經(jīng)濟、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，推進研究區(qū)各個環(huán)節(jié)、各個方面相協(xié)調(diào)，促進水資源的高效利用，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，循環(huán)經(jīng)濟建設提供保障。

3)科技示范原則。

研究區(qū)要堅持科學發(fā)展觀，充分運用系統(tǒng)工程方法，以小流域為單元，統(tǒng)籌山、水、田、林、路、草治理，溝坡兼治，治理與開發(fā)相結(jié)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(xù)發(fā)展原則。

以社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展為原則，充分發(fā)揮項目優(yōu)勢，開發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、優(yōu)勢果業(yè)、特色禽畜產(chǎn)業(yè)，促進農(nóng)民增收致富。大力改善農(nóng)村生產(chǎn)生活條件，使區(qū)域水土流失得到控制，污染得到治理，生態(tài)環(huán)境得到明顯的改善，農(nóng)民健康指數(shù)和幸福指數(shù)提高，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)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?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)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(chǎn)流產(chǎn)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(chǎn)力、控制水土流失、改善生態(tài)環(huán)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(qū)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(nóng)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(jīng)濟林建設及原有工程相結(jié)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(qū)、保護耕作區(qū)的安全。研究區(qū)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(tǒng)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(huán)境協(xié)調(diào)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(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的坡面防護景觀群，研究區(qū)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(tài)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(shù)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(qū)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(qū)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(qū)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(nóng)田，增加當?shù)氐募Z食產(chǎn)量，可謂是控沙攔泥的“神器”，豐產(chǎn)增收的“聚寶盆”[15]。研究區(qū)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(qū)域地表徑流、泥沙的攔蓄能力，擴大了區(qū)域內(nèi)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(shù)量；Aw為某工程的蓄水定額；As為某工程的保土定額。

經(jīng)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(xiàn)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(tài)效益，工程初步控制水土流失，有利于區(qū)域綠化，生態(tài)環(huán)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(jié)語

黃土高原地區(qū)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(qū)的典型區(qū)域為研究區(qū)，強調(diào)了研究區(qū)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(qū)的建設為西北旱區(qū)進行水土保持工程建設提供了重要的指導和借鑒作用。