黃河下游引黃灌區(qū)沉沙區(qū)水土流失綜合防治體系研究

王貴霞, 夏江寶, 孫寧寧, 王景元, 劉翠麗, 龐啟航

(1.濱州市水利局，山東 濱州 256600; 2.濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603;3.惠民縣水利局，山東 惠民 251700; 4.濱州市小開河引黃灌溉管理局，山東 濱州 256600)

黃河下游引黃灌區(qū)沉沙區(qū)水土流失綜合防治體系研究

王貴霞1, 夏江寶2, 孫寧寧3, 王景元4, 劉翠麗4, 龐啟航4

(1.濱州市水利局，山東 濱州 256600; 2.濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603;3.惠民縣水利局，山東 惠民 251700; 4.濱州市小開河引黃灌溉管理局，山東 濱州 256600)

引黃灌區(qū)；沉沙區(qū)；水土流失；防治體系；黃河下游

針對黃河下游引黃灌區(qū)沉沙區(qū)由于引沙、沉沙、棄沙造成的土壤沙化和水土流失嚴(yán)重這一突出問題，以小開河引黃灌區(qū)集中沉沙區(qū)為研究對象，結(jié)合自然條件、地形地貌特征、水土流失分布和特點(diǎn)，在水土流失分區(qū)的基礎(chǔ)上，制定了各分區(qū)水土保持生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，建立了引黃灌區(qū)中游沉沙段“沙化工程治理及配套生物修復(fù)綜合整治模式”，為黃河下游引黃灌區(qū)水土流失綜合防治和灌區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

引黃灌溉和引黃輸水等引黃工程是加劇魯北平原風(fēng)沙區(qū)風(fēng)蝕的一個(gè)重要原因。黃河下游引黃灌區(qū)多為無壩引水，輸沙干渠兩岸地勢平坦，加之黃河水含沙量大、泥沙多而細(xì)，導(dǎo)致引水必引沙。山東省位于黃河下游，省內(nèi)沿黃九地市建有萬畝(15畝=1 hm2)以上引黃灌區(qū)70處，設(shè)計(jì)灌溉面積185.6萬hm2，每年從黃河引出的沙量達(dá)1 000多萬t，清出的大量泥沙堆積在輸沙渠和沉沙池兩側(cè)，形成了大面積的棄沙高地，高低不平，邊沿不齊，空洞過多，土壤不實(shí)，造成了嚴(yán)重的沙荒[1-2]。沉沙池所沉沙土利用率不高，一旦沉沙池不能發(fā)揮作用，即變成又一處沙源[2-4]。而灌區(qū)不斷清淤不僅增加了灌區(qū)運(yùn)行費(fèi)用，加大了灌區(qū)群眾負(fù)擔(dān)，而且治理不好會引起土質(zhì)嚴(yán)重沙化、排水河道淤積、土地鹽堿化、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[5-7]。引黃泥沙帶來的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等問題，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝罕妼鄥^(qū)清淤棄土逐漸產(chǎn)生抵觸情緒，泥沙處理矛盾加大，區(qū)域干群關(guān)系緊張，近年來群眾干擾清淤施工等事件逐漸增多。為了改善沉沙區(qū)人民群眾生活和生產(chǎn)條件，促進(jìn)社會和諧發(fā)展，急需對引黃灌區(qū)沉沙區(qū)進(jìn)行水土保持綜合治理[7-8]。

山東省濱州市小開河引黃灌區(qū)的沉沙池建在遠(yuǎn)離渠首51.3 km干渠的中游，采取遠(yuǎn)距離輸沙、集中沉沙、以挖代沉的方式減少灌區(qū)水沙含量，每年平均清理淤沙約30萬m3，實(shí)現(xiàn)了泥沙長距離輸送，具有典型性和代表性[9]。本研究以小開河引黃灌區(qū)中游集中沉沙區(qū)為研究對象，總結(jié)了不同侵蝕強(qiáng)度區(qū)沙化治理的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建了典型水土保持生態(tài)恢復(fù)模式與技術(shù)體系，希望能為引黃灌區(qū)沙化治理與生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

濱州市小開河引黃灌區(qū)于1993年動(dòng)工興建，1998年底建成通水，涉及濱州市的濱城區(qū)、濱州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、惠民縣、陽信縣、沾化區(qū)、無棣縣和北海新區(qū)。該灌區(qū)屬大型引黃灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積7.33萬hm2，設(shè)計(jì)引水流量60 m3/s，年設(shè)計(jì)引水3.93億m3，干渠全長96.5 km，其中輸沙渠51.3 km、沉沙池4.2 km、輸水渠41.0 km，有骨干建筑物147座。研究區(qū)位于濱州市沾化區(qū)古城鎮(zhèn)西北約8 km、無棣縣城東11 km，南北長7.54 km、東西寬1.24 km，主要包括輸沙干渠(樁號47+878—51+259)及其支渠(3.78 km)兩岸和沉沙池段，總面積935.1 hm2。研究區(qū)屬半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，有明顯的季節(jié)變化，多年平均氣溫12.3 ℃，多年平均凍土深35 cm，多年平均無霜期205 d，年平均日照時(shí)數(shù)2 736.1 h，年平均風(fēng)速3.6 m/s，多年平均降水量584 mm，年均蒸發(fā)量1 282 mm。屬黃河泛濫沖積平原區(qū)，地形平坦，微地貌復(fù)雜，崗坡洼相間，土壤以砂土、砂壤土和鹽化潮土為主，其地形地貌地質(zhì)條件決定了土壤的承載力差、抗蝕能力弱。土壤侵蝕類型以風(fēng)力侵蝕為主，兼有水力侵蝕。主要樹種有白蠟、楊樹和冬棗等，農(nóng)作物主要有小麥、玉米、棉花等。

2 水土流失現(xiàn)狀和分區(qū)

由于多年引黃清淤，大量泥沙堆積在沉沙池周邊和輸沙渠兩側(cè)，棄土場不斷淤高，形成了大面積的沉沙高地，泥沙堆積裸露，淤積泥沙與棄土場形成局域沙荒地。引黃泥沙以細(xì)沙為主，密實(shí)性差，遇風(fēng)極易起沙，尤其是在冬春多風(fēng)季節(jié)，區(qū)內(nèi)降水量偏少，土壤干旱，風(fēng)力侵蝕尤為嚴(yán)重，晴天大風(fēng)天氣土沙飛揚(yáng)，侵蝕農(nóng)田，造成周邊土地不斷沙化。此外，周邊磚窯廠等不合理生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)和傳統(tǒng)的耕作方式加重了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的土地裸露程度，人為破壞造成的水土流失逐年加劇。由于河道、渠系配套設(shè)施不完善且多年未治理，水土保持措施不到位，雨季泥沙隨徑流流入周邊河道和渠系，造成河床抬高，行洪能力下降，水利設(shè)施不能發(fā)揮應(yīng)有的興利除害作用，加劇了洪澇災(zāi)害的發(fā)生。同時(shí)水土保持措施布局不盡合理，缺乏科學(xué)的規(guī)劃和論證，防護(hù)體系脆弱，難以根治灌區(qū)沉沙區(qū)嚴(yán)重的水土流失。通過對項(xiàng)目區(qū)水土流失情況進(jìn)行調(diào)查并查閱有關(guān)資料，按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)將項(xiàng)目區(qū)劃分為3個(gè)水土流失分區(qū)，即強(qiáng)烈侵蝕區(qū)、中度侵蝕區(qū)和輕度侵蝕區(qū)，見表1。

3 水土流失綜合防治體系

引黃灌區(qū)水土流失治理應(yīng)以治沙改土為中心，旱、澇、沙、堿綜合治理[9-10]。本著“因地制宜、集中治理、突出效益”的原則，從減輕區(qū)內(nèi)棄沙災(zāi)害入手，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)水土資源、生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展為目的，合理確定總體布局和治理措施，建成系統(tǒng)、高效的水土流失綜合防治體系。綜合防治，就是要把植物、工程和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施進(jìn)行科學(xué)配置，在空間上做到有機(jī)配合，在時(shí)間上做到緊密聯(lián)系，使各項(xiàng)措施形成一個(gè)完整的綜合防護(hù)體系，即從上到下層層設(shè)防、節(jié)節(jié)攔截，既防風(fēng)蝕又防水蝕，發(fā)揮群體的防護(hù)作用[11]，以最大限度地防風(fēng)固沙、攔截泥沙、保持水土、改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)引黃灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地形地貌和水土流失分區(qū)，將水土保持分區(qū)與水土流失分區(qū)相對應(yīng)，即以強(qiáng)烈侵蝕區(qū)為重點(diǎn)治理區(qū)、中度侵蝕區(qū)為重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)、輕度侵蝕區(qū)為預(yù)防保護(hù)區(qū)。主要治理措施包括擋土壩、綠化平臺填筑和平整土地等工程措施，栽植水保林、農(nóng)田林網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)林和植草等植物措施，以及林糧間作等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。

3.1 強(qiáng)烈侵蝕區(qū)(重點(diǎn)治理區(qū))

該區(qū)為沉沙池清淤棄土堆放處，地表基本裸露，風(fēng)蝕、水蝕均較嚴(yán)重，確定為重點(diǎn)治理區(qū)。為改善區(qū)域環(huán)境、防治水土流失，需建立清淤棄土區(qū)并進(jìn)行網(wǎng)格化筑堤，既作排淤圍堰又作綠化平臺，采取喬灌草立體配置模式，其中水平配置以混交林營建為主，起到防風(fēng)固沙的作用。網(wǎng)格間在秋末冬初灌區(qū)清淤時(shí)堆積清淤棄土，春秋季進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植，增加植被覆蓋率，做到清淤、保土兩不誤。

關(guān)鍵技術(shù)：①工程措施。四周填筑擋土圍壩，建立棄土場，清淤時(shí)將泥沙引入棄土場地。在棄土場內(nèi)每隔200 m設(shè)置一道泥漿圈擋土壩，將棄土場分割成12個(gè)地塊。多次的清淤沉沙容易使棄土區(qū)地形復(fù)雜、起伏不平，無法進(jìn)行種植和耕作，因此平整土地是重要的基礎(chǔ)性工作[12]。利用施工機(jī)械對12個(gè)地塊分別進(jìn)行土地整理和全面整平，并填筑成綠化平臺。擋土圍壩頂寬5 m、壩高3 m、邊坡1 ∶2。泥漿圈擋土壩頂寬3 m、高2.5 m、邊坡1 ∶2，中間整平的綠化平臺寬度為8 m。②植物措施。在擋土壩上進(jìn)行喬灌草混交模式栽植。喬木樹種以耐旱的刺槐、速生楊和白蠟等為主，株行距3 m×3 m，密度1 100株/hm2。灌木樹種以紫穗槐和連翹等為主。底部撒播草種，草本種類以狗尾草、地黃等為主，以達(dá)到防風(fēng)固沙效果。在整平分割塊地的棄土場內(nèi)春秋季節(jié)進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植，農(nóng)作物以玉米、棉花、花生和大豆等為主，主要采取對外承包模式，鼓勵(lì)群眾采用覆膜保墑、保土保肥種植方式，既可以防風(fēng)固沙又充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 中度侵蝕區(qū)(重點(diǎn)監(jiān)督區(qū))

該區(qū)主要分布在輸沙干渠兩側(cè)、沉沙池運(yùn)行區(qū)和沉沙池東岸取土場，其中輸沙渠干渠兩岸為多年清淤棄土形成的棄土高臺，遇風(fēng)遇水極易形成嚴(yán)重的水土流失，因此采取措施防風(fēng)固沙和保持水土尤為重要，主要措施為綠化平臺填筑和植被防護(hù)林帶建設(shè)；沉沙池運(yùn)行區(qū)和周邊區(qū)在用水總量控制的基礎(chǔ)上分別于不同時(shí)間段在較小的空間尺度上進(jìn)行水位調(diào)控，并通過采取適當(dāng)?shù)墓こ毯椭参锎胧?，減少地表裸露率，建立沉沙池生態(tài)濕地公園。

關(guān)鍵技術(shù)：①取用沉積泥沙土修建綠化平臺，寬5～60 m不等，客土栽植林草。依據(jù)地段特點(diǎn)：輸沙渠東岸平臺寬分別設(shè)計(jì)為5、8、15 m，西岸平臺寬為5 m；沉沙池東岸平臺寬分別為15、35、55 m，西岸平臺寬分別為8、60 m。②在整平后的綠化平臺上種植白蠟、毛白楊、國槐、棗樹等喬木，堤壩內(nèi)坡種植連翹、紫穗槐等綠化觀賞灌木，堤壩外側(cè)邊坡植草，以充分發(fā)揮道路、渠岸和沉沙池防護(hù)林的水土保持功能。③林網(wǎng)結(jié)構(gòu)以疏透結(jié)構(gòu)為主，主林帶方向沿灌區(qū)干渠設(shè)計(jì)，林帶結(jié)構(gòu)模式為沿道路、渠岸植樹，每側(cè)兩行，以混交種植為主，株行距3.0 m×2.5 m，密度1 300株/hm2，灌木株行距1.0 m×1.5 m。④對沉沙池東側(cè)南北長700 m、東西寬50 m的高洼不平區(qū)域進(jìn)行土地整理，增加自然濕地面積。⑤沉沙池運(yùn)行區(qū)在綜合考慮時(shí)間尺度及空間尺度的基礎(chǔ)上，根據(jù)水量同濕地功能整合性的關(guān)系來確定生態(tài)需水總量閾值，采用“水量-水位控制分時(shí)配水”技術(shù)，在用水總量控制的基礎(chǔ)上分別于不同時(shí)間段在較小的空間尺度上進(jìn)行水位調(diào)控，以保持合理存水量，發(fā)揮沉沙池的生態(tài)濕地功能。同時(shí)加強(qiáng)對沉沙池內(nèi)現(xiàn)有蘆葦、香蒲和杞柳等濕生植物的管護(hù)，提高生物多樣性。

3.3 輕度侵蝕區(qū)(預(yù)防保護(hù)區(qū))

該區(qū)主要分布在各支渠兩側(cè)，主要是基本農(nóng)田和經(jīng)濟(jì)林，為灌區(qū)沉沙區(qū)水土流失干擾區(qū)，應(yīng)以預(yù)防保護(hù)、減輕水土流失危害為主。因此，需以營建農(nóng)田防護(hù)林為主，同時(shí)在非棄土區(qū)營建以降鹽改土為主要功能的水土保持防護(hù)林，并對周邊灌溉渠系配套設(shè)施進(jìn)行完善，進(jìn)行復(fù)耕和改良土地，提高耕作保土效果，建成生態(tài)林網(wǎng)。

關(guān)鍵技術(shù)：①堅(jiān)持“道路-溝渠-林網(wǎng)-農(nóng)田”四位一體的規(guī)劃理念，鼓勵(lì)群眾種植農(nóng)作物，同時(shí)注重農(nóng)田防護(hù)林的營建。②樹種選擇，首先按照適地適樹原則選擇適宜的樹種；其次為使農(nóng)田防護(hù)林盡早發(fā)揮其防護(hù)效能，要選擇速生樹種，同時(shí)兼顧持久性，以實(shí)現(xiàn)林帶的可持續(xù)發(fā)展；最后還要考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益兼顧，選擇樹種以毛白楊、紫穗槐、白蠟等為主。③在水肥條件允許的地段，進(jìn)行“棗糧間作，以棗為主”的經(jīng)濟(jì)林建設(shè)，棗樹株行距3.0 m×2.5 m、密度1 300株/hm2，在秋冬11月至12月中旬和春季3—4月種植。④非棄土區(qū)地段，土壤類型以鹽化潮土為主，可營建喬灌混交的水土保持防護(hù)林?？捎诖杭净蚯锛局苯舆M(jìn)行耐鹽程度0.3%～0.4%喬灌木樹種的栽植。其配置模式為：采用品字型栽植，喬灌混交比例為2 ∶1～3 ∶1，株行距為(1.0～1.5 m)×(2.0～3.0 m)，其疏透度為0.15～0.20，喬木樹種以絨毛白蠟、白榆、竹柳為主，灌木樹種以檉柳、紫穗槐、白刺、沙棗為主。

4 水土保持效益分析

(1)生態(tài)效益。通過3年的工程措施、生物修復(fù)技術(shù)和人為調(diào)控措施的實(shí)施，引黃灌區(qū)沉沙區(qū)水土流失治理程度達(dá)90%，植被恢復(fù)達(dá)85%，宜林宜草區(qū)域林草覆蓋率達(dá)95%，土壤侵蝕模數(shù)減小50%，增加耕地66.1 hm2，年保土量達(dá)0.84萬t。研究區(qū)防風(fēng)固沙能力和水土流失控制能力顯著增強(qiáng)，有效遏制了土地沙化和環(huán)境惡化趨勢。

(2)社會效益。通過灌區(qū)沉沙區(qū)水土流失綜合治理，逐步完善了水土保持綜合防護(hù)體系，生態(tài)環(huán)境步入良性循環(huán)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活條件顯著改善，土地利用和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)日趨合理，土地利用率和產(chǎn)出率大幅提高，在促進(jìn)流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)社會穩(wěn)定方面起到了輻射示范作用。同時(shí)，隨著沉沙區(qū)條件的改善，緩解了灌區(qū)泥沙處理的矛盾，有利于區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和跨區(qū)調(diào)水的順利實(shí)施。

(3)經(jīng)濟(jì)效益。栽植的經(jīng)濟(jì)林、水保林、經(jīng)濟(jì)作物等可產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)估算，項(xiàng)目實(shí)施后每年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益191.45萬元，隨著治理區(qū)土壤、耕作條件的改善和水利設(shè)施的配套完成，將大幅提高作物產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入。

5 結(jié) 語

以小開河引黃灌區(qū)為研究對象，針對土壤沙化和水土流失嚴(yán)重這一突出問題，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)自然條件、地形地貌特征、水土流失分布及特點(diǎn)，因地制宜，因害設(shè)防，經(jīng)過填筑綠化平臺、植物防護(hù)工程等的建設(shè)，建立了引黃灌區(qū)中游沉沙區(qū)“沙化工程治理及配套生物修復(fù)綜合整治模式”，針對不同分區(qū)提出了具體技術(shù)措施。這些技術(shù)措施推廣實(shí)施后，有效解決了引黃灌區(qū)清淤與沙化的矛盾，能夠因害設(shè)防、改善灌區(qū)灌溉條件、改良鹽堿地、增加耕地面積、提高生態(tài)修復(fù)能力、增加植被覆蓋率，達(dá)到了防風(fēng)固沙、減少水土流失的目的，取得了良好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370702)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013GSF11604)；山東省省級水利科研及技術(shù)推廣項(xiàng)目(SDSLKY201315)

S157.2

A

1000-0941(2015)06-0033-04

王貴霞(1980—)，女，山東聊城市人，工程師，碩士，主要從事水土流失治理與水土保持生態(tài)建設(shè)工作；通信作者夏江寶(1978—)，男，山東安丘市人，副教授，博士，主要從事植被恢復(fù)與生態(tài)重建研究工作。

2015-01-20