吉水縣沙上小流域水土保持綜合治理措施及效益評價

黃冬貞

（吉水縣水資源和釆砂管理中心,江西 吉水 331600）

1 工程概況

沙上小流域?qū)儆谯蛾柡滴宕蠛恿髦坏内M江吉水端東側(cè),地處江西省吉水縣水田鄉(xiāng)境內(nèi)。流域周邊有村道、鄉(xiāng)道等現(xiàn)狀道路經(jīng)過,對外交通方便,境內(nèi)水資源較豐富,飲水條件較好。本次實施流域主要存在問題：池塘淤積嚴重,生活污水處理滯后,村內(nèi)道路兩側(cè)、房前屋后人為開發(fā)等因素造成的裸露地表水土流失較為嚴重。

通過野外實地踏勘發(fā)現(xiàn),流域總面積3203 hm2,現(xiàn)有水土流失面積為1080 hm2。其中,輕度流失面積871.02 hm2,占水土流失總面積的66.28%；中度流失面積168.04 hm2,占總面積的5.25%；重度流失面積40.94 hm2,占水土流失總面積的1.28%。年均土壤侵蝕量為7.8 萬t, 平均土壤侵蝕模數(shù)為1450 t/（km2·a）。

2 工程措施設計

2.1 小型蓄排工程

（1）排灌溝渠

依照《水土保持綜合治理技術規(guī)范》（GB/T 16453.1-16453.6）小型蓄水排水引水工程規(guī)定,防御暴雨標準采用10年一遇24 h 最大降雨量。根據(jù)實地調(diào)查和區(qū)內(nèi)地形條件分析,本次設計從典型地塊坡面中、下分別選擇匯水面積最大的一條溝渠進行設計流量計算,并根據(jù)項目區(qū)治理經(jīng)驗以及為防止坡降過大,溝渠采用砼現(xiàn)澆矩形斷面,厚度15 cm。根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊》,查出項目區(qū)10 min 暴雨均值和變差系數(shù),項目區(qū)水文特性見表1。

表1 項目區(qū)水文特性

設計最大流量計算公式如式（1）所示：

式中：Q 為設計最大流量,m3/s；Ir為設計頻率10 min 最大降雨強度,mm/min；Ip為在特定時間段內(nèi),土壤平均入滲強度,mm/min；F 為坡面匯水面積,hm2。

根據(jù)明渠均勻流曼寧公式計算溝渠斷面尺寸,如式（2）～（3）所示：

式中：n 為糙率,混凝土取0.013；i 為溝渠比降；R 為水力半徑,m；A 為過水斷面面積,m2；x 為濕周。

本次排灌溝渠采用矩形現(xiàn)澆,根據(jù)公式計算設計徑流量,試算溝渠斷面的過流量,若過流量大于設計徑流量則斷面合適（在不考慮最優(yōu)斷面的情況下）。取定不同的溝渠斷面尺寸,根據(jù)式（1）～（3）進行試算,確定各溝渠的斷面尺寸,試算結(jié)果見表2。

表2 溝渠過水斷面水力計算表

通過過水斷面水力計算,加上0.1 m 安全超高,設計的現(xiàn)澆排水溝斷面尺寸滿足過水要求（Q驗=0.55 m3/s＞Q設=0.53 m3/s）。

（2）蓄水池

依照《水土保持小型水利水保工程設計手冊》的規(guī)定,采用10 年一遇24 h 最大降雨量為防御暴雨標準。蓄水池容量計算按式（4）～（5）進行：

式中：V 為蓄水池容量,m3；VW為設計頻率暴雨徑流量,m3；VS為設計清淤年累計泥沙淤積量,m3；K 為安全系數(shù),取1.2。

式中：MW為設計頻率一次暴雨徑流模數(shù),m3/hm2；MS為1 年的侵蝕模數(shù),m3/hm2；F 為蓄水池的集水面積,hm2。

當蓄水池連接到坡面排水溝末端,同時主要水源為溝中排水,其VW、VS值由排水溝的設計排水量和淤積量決定。由于蓄水池前面配備有沉沙池,使得流入的泥沙數(shù)量減少,故淤積量VS≈0,蓄水池的容量計算結(jié)果見表3。

表3 蓄水池容量計算結(jié)果

通過對蓄水池側(cè)墻斷面尺寸的穩(wěn)定性分析,蓄水池側(cè)墻的工作狀態(tài)可分為兩種情況：1）墻外填土,池內(nèi)無水；2）墻外填土,池內(nèi)滿水。其中,情況1）為最不利情況,驗算公式如式（6）～（7）所示。

式中：K 為安全系數(shù),取1.2；G1為磚砌重量,t,磚容重為2.1 t/m3；G2為填土重量,土容重為1.7 t/m3；f 為摩擦系數(shù),土基取0.30；E 為主動土壓力,t。

式中：φ為土的內(nèi)摩擦角,取28°；H 為墻高,m；γ為土容重,取1.7 t/m3。

經(jīng)過計算,側(cè)墻穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.38＞1.2,完全滿足了穩(wěn)定性的要求。

根據(jù)式（8）～式（10）對蓄水池地基的承載能力進行驗算,確保地基具有足夠的承載力,不發(fā)生不均勻沉降。

式中：Pk為基礎底面處的平均壓力值,kN/m2；Fk為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎頂面的豎向荷載,80.76 kN；Gk為基礎自重和蓄水池內(nèi)的水重,為792.32 kN；A 為基礎底面面積,為16.0 m2；Fak為地基承載力特征值,取120.0 kPa；ηd為埋深修正系數(shù),取1.0；γm為計算基礎底面以上土的加權(quán)平均重度, 取17.25 kN/m2；d 為池體埋深,取2.4 m；fa為修正后的地基承載力特征值,經(jīng)計算為150.24 kN/m3。

根據(jù)地基承載力驗算結(jié)果,Pk=42.32＜fa=150.24 kN/m2,符合穩(wěn)定要求。

（3）沉沙池

在10 年一遇24 h 最大降雨量的防御暴雨標準下,排水溝前沉沙池采用長×寬×深=1.0 m×0.8 m×0.8 m 的矩形斷面。排水溝出口處沉沙池采用長×寬×深=2.0 m×1.0 m×1.5 m 的矩形斷面,為了使水流過時沙子更容易沉淀,將池體的進水口和出水口錯開布置。底板及側(cè)墻采用C15 澆筑,厚度15 cm,沉沙池應根據(jù)池體內(nèi)泥沙淤積情況進行清理。

2.2 田間道路

為了滿足生產(chǎn)管理和交通需求,決定規(guī)劃寬2 m 和3 m兩種規(guī)格的田間道路,使得現(xiàn)有的村級道路得到充分利用。

（1）生產(chǎn)道路

根據(jù)現(xiàn)場勘測,生產(chǎn)道路寬度為3 m,現(xiàn)狀為土路。本次設計主要將土路改造為碎石路,先對路基進行平整壓實,然后鋪筑10 cm 碎石,泥結(jié)碎石混合料配比水：沙：碎石：粘土（11∶10∶41∶11）。

（2）人行道路

為方便農(nóng)民田間管理,新修2 m 寬人行道路,人行道路平行或垂直等高線與生產(chǎn)道路連接,路面撒播草籽防止水土流失。

2.3 農(nóng)村環(huán)境整治

（1）池塘加固

由于池塘出現(xiàn)了比較嚴重的淤積情況,因此在整治過程中,需將池中水全部抽掉,并使用挖掘機和水流沖刷進行清淤。同時,在池塘的進出口處重新鋪設DN500 涵管80 m,并在涵管進出口處安裝分流器和攔污網(wǎng),對排水溝出口鋪設0.4 m×0.4 m 混凝土襯砌,以便其與原有溝渠和河流相連。涵管為預制混凝土管,排水溝為矩形混凝土結(jié)構(gòu)。

在水體中栽種水族花卉,如千屈草、菖蒲、睡蓮等,同時在水面斜坡上覆蓋草皮,此外,在池塘四周建造鋪設卵石或吸水磚的步道,步道寬0.8 m、厚5 cm,表面粗糙,總長0.15 km。

（2）溝渠整治

為了貫通排灌溝渠、村內(nèi)池塘和雨水管網(wǎng),設計C15 混凝土結(jié)構(gòu)的連通溝渠。采用凈高×凈寬=40 cm×40 cm 的矩形斷面,底部鋪設10 cm 厚卵石墊層。

2.4 林草措施

（1）經(jīng)濟林改造

對水平階整地不合格的部分區(qū)域進行重新整地,提升土地利用率；對開挖擾動的裸露邊坡條播種草進行綠化,以減少雨水沖刷、穩(wěn)定邊坡、美化景觀。

對種植條帶進行平整,形成水平階地,并在內(nèi)側(cè)開挖坎下溝,坎下溝頂寬0.5 m,底寬0.3 m,溝深0.5 m,梯形斷面。溝內(nèi)每隔4 m 左右留設一橫土擋,土擋高度0.3 m,寬0.2 m。同時做成田面外高內(nèi)低傾斜3°～5°的反坡梯田,田面外側(cè)修建田埂,田埂高0.2 m,頂寬0.2 m,底寬0.4 m。

對部分地塊長勢較差或干枯死苗進行補植（油茶等）?，F(xiàn)場調(diào)查,平均補植150 株/hm2,品種為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)油茶苗,種植穴寬0.4 m,穴深0.4 m,采用2 年生嫁接苗植苗造林。

配套實施雨水集蓄利用工程,因地制宜布設溝渠、沉沙池及生產(chǎn)道路,完善坡面水系,防止雨水沖刷,提高澆灌效率。

（2）村莊景觀綠化

圍繞居住區(qū)周邊空地進行綠化,設計成有層次、有生態(tài)價值的人工植物群落,豐富村莊植物景觀、增添自然美感,增加單位面積綠量,有效提高生態(tài)效益。

（3）封育措施

為了保護環(huán)境,劃定封禁區(qū)域并在其周圍設置界線。在明顯的地方設置標志,并采取全年封育的方式。對于那些原本茂盛的植物,我們將采取季節(jié)性封育。在春、夏、秋季節(jié)進行封育,而在晚秋和冬季則不再進行。

3 效益評價

3.1 經(jīng)濟效益

按照《水土保持綜合治理效益計算方法》（GB/T 15774-2008）,對各項水土保持治理措施的經(jīng)濟效益進行評估、測算,當各項水土保持措施全面發(fā)揮效益時,年直接經(jīng)濟效益見表4。

表4 年直接經(jīng)濟效益

3.2 生態(tài)效益

通過對各種水土保持措施進行評估、測算,在這些措施得到充分實施后,每年的保土和蓄水效益見表5。

表5 蓄水保土效益表

3.3 社會效益

通過采取各種治理措施,產(chǎn)生的社會效益如下所示：

（1）通過改善河流和塘壩的淤積情況,加強它們的調(diào)蓄洪水能力,從而提升流域的抗逆性和抗災能力。

（2）通過采取措施來減少水土流失,確保耕地的安全,并且促進其長期的可持續(xù)發(fā)展,從而提高農(nóng)作物的品質(zhì)和收成。

（3）通過提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力,可以有效推動本土特色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,完善農(nóng)村的經(jīng)濟體系,提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力,提升農(nóng)民的生活水平,從而推動社會的繁榮和穩(wěn)定。

（4）隨著生態(tài)環(huán)境的保護和可持續(xù)發(fā)展,人類的可居住空間和資源的可持續(xù)利用能夠有效地減輕環(huán)境承載力,同時滿足社會的需求。

4 結(jié)論

（1）各項治理措施全面發(fā)揮效益后,年直接經(jīng)濟效益可達170.57 萬元。

（2）各項治理措施全面發(fā)揮效益后, 每年可蓄水181.10 萬m3,保土4.66 萬t,生態(tài)環(huán)境得到極大改善。

（3）各項水土保持綜合治理措施得到了人民群眾的廣泛支持,使普通民眾更加重視水土流失的防治,為農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了積極而深遠的影響。