黑土區(qū)侵蝕溝治理工程措施的有效性研究

宋 晨

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

1 概 述

黑土是地球上珍貴的土壤資源，按照習(xí)近平總書記關(guān)于把黑土地保護好、利用好和采取有效措施保護好黑土地這一“耕地中的大熊貓”的重要指示精神，黑土地保護制度逐步完善，2017年，經(jīng)國務(wù)院同意，原農(nóng)業(yè)部、發(fā)展改革委等6部門印發(fā)了《東北黑土地保護規(guī)劃綱要(2017—2030年)，明確到2030年在東北典型黑土區(qū)實施166.67萬hm2黑土耕地保護任務(wù)。國家黑土地保護工程實施方案(2021—2025年)明確實施方向，針對黑土耕地出現(xiàn)的“薄、瘦、硬”問題，著重實施土壤侵蝕治理，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，肥沃耕作層培育等措施。黑龍江省各地認真貫徹落實，積極推進東北黑土地保護建設(shè)項目[1]。

近幾年實施的項目中，侵蝕溝治理逐年加大投入力度，其中工程措施多為常規(guī)典型設(shè)計結(jié)構(gòu)，在運行中，發(fā)現(xiàn)與實際適應(yīng)性有些偏差，建成不久就出現(xiàn)了沖刷破壞的現(xiàn)象；現(xiàn)選取典型實例進行分析，提出一些改進措施，希望建設(shè)的工程更加有效運行，發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2 侵蝕溝治理常規(guī)工程結(jié)構(gòu)破壞情況

2.1 工程措施運行中暴露出的問題

溝頭防護工程與地形契合度不好，溝頭繼續(xù)向上游發(fā)展；谷坊布設(shè)未達到理論的首尾高程銜接，谷坊結(jié)構(gòu)與溝道斷面不匹配，造成次生破壞；侵蝕溝沿岸防護差，側(cè)向侵蝕坍塌未得到控制；臨近侵蝕溝設(shè)生產(chǎn)路，路基失穩(wěn)路面損毀坍塌。

2.2 溝頭結(jié)構(gòu)破壞

一種是只在沖刷溝溝頭附近設(shè)置谷坊，沒采取溝頭防護措施，溝道繼續(xù)向上溯源侵蝕；一種是設(shè)計溝頭防護結(jié)構(gòu)沒完全符合實際地形，施工時是按地形去適應(yīng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，造成大開挖多回填，達不到有效防護溝頭的作用，形成新的沖溝向上游繼續(xù)發(fā)展，逐步侵蝕耕地。

2.3 石籠谷坊結(jié)構(gòu)

沖刷溝所建谷坊結(jié)構(gòu)與溝道上下游及左右岸地形適應(yīng)性差，上下游溝底及岸坡，出現(xiàn)沖刷破壞。

2.4 漿砌石谷坊結(jié)構(gòu)

兩側(cè)棄土高于溝岸地面，阻擋坡水平順進入溝道，兩側(cè)坡水繞過谷坊形成新的沖溝，沖刷溝治理不理想。有的谷坊堰頂高程過高，堰體排水效果不好，谷坊變成擋水壩，漿砌石墻后回填土不實出現(xiàn)了墻體變位、斷裂或傾斜現(xiàn)象，護砌側(cè)邊形成沖溝，護砌變形。

2.5 土柳谷坊結(jié)構(gòu)

土柳谷坊一般注重溝底中間布設(shè)，兩側(cè)邊的土體較軟弱，水流改道從側(cè)邊形成新的沖溝。

圖1 岸坡沖刷破壞

圖2 溝頭結(jié)構(gòu)不符合地形或防護不到位

圖3 谷坊上、下游銜接不順沖刷破壞

圖4 谷坊周邊棄土過高、堰體排水不暢

圖5 土柳谷坊側(cè)向沖刷破壞

3 侵蝕溝治理工程結(jié)構(gòu)改進建議

侵蝕溝比較發(fā)育，有繼續(xù)發(fā)展危害加重趨勢的，造成水土流失，耕地減少，不能只是簡單的設(shè)置邊坡防護及谷坊工程，應(yīng)結(jié)合侵蝕溝實際形狀采取全面系統(tǒng)的綜合治理，溝頭防護是重點，侵蝕溝沿線有支叉小的水流匯入口的地方就要采取工程措施進行防護；調(diào)整溝道比降是主線，規(guī)范理論上要求是上下級谷坊首尾高程相接，實際工程由于造價等原因很難設(shè)置過多數(shù)量的谷坊，運行時就會產(chǎn)生分段比降，即谷坊上游附近平緩，再向上游仍然是自然沖刷較陡，致使上一級谷坊末端形成跌落式破壞；所以溝道比降不單純是設(shè)置谷坊向上調(diào)整，還要谷坊結(jié)合下游側(cè)消能及溝底防護結(jié)構(gòu)做成臺階式或斜坡式向下游多調(diào)整30cm以上的高差，使一座谷坊發(fā)揮更大的作用，谷坊之間的溝道再輔助小型土柳谷坊加陡坡及其它植物措施，發(fā)揮工程措施與生物措施的聯(lián)合防護，使溝道達到整體治理的效果。

侵蝕溝內(nèi)設(shè)置溝頭防護、谷坊、邊坡防護工程時，工程結(jié)構(gòu)周邊高程應(yīng)低于溝道原地面高程，溝岸頂部修成弧形將溝岸及向外側(cè)2m左右用土工格式輔助植物措施固岸，便于周邊坡水平順入溝；工程施工開挖的棄土回填到谷坊堰體上游側(cè)。

3.1 溝頭防護結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)溝頭地形特點，不做大的開挖，按照實際坡度分別采取坡式、斜坡或垂直臺階式，選用透水性好的結(jié)構(gòu)護砌，不宜用漿砌石；溝底設(shè)消能防沖結(jié)構(gòu)，出口做適當長度的柔性工程防護和植物措施。

1)在前緣上游一定范圍做土工格室(格室內(nèi)種植樹木，表面填筑砂礫等抗沖材料)過渡區(qū)，過渡區(qū)頂面隨現(xiàn)狀地形起伏不要高出地面，特別窄小的溝道尖端可回填一部分做為過渡區(qū)，減少再向上游的占地；前緣頂面高程，對應(yīng)上游來水溝道位置設(shè)置成稍低，保證水流通過防護結(jié)構(gòu)平順進入溝道，避免從側(cè)邊侵入造成新的沖刷；前緣石籠再灌注混凝土，上表面抹平，避免局部形成水土流失通道。

2)整個工程段建基面的無紡布要連續(xù)鋪設(shè)。

3)出口設(shè)石籠護砌再加一段土工格室輔助生物措施，消力池出口坡面做適當?shù)墓こ谭雷o或生物措施防護平順過渡到原溝道，避免沖刷破壞；

圖6 溝頭防護結(jié)構(gòu)改進

3.2 谷坊結(jié)構(gòu)改進

常用的有漿砌石谷坊，石籠谷坊，谷坊高度考慮溝道比降調(diào)整及深度等因素設(shè)計，谷坊控制段的堰頂盡量寬，不宜留小缺口，堰頂直接放寬至兩側(cè)邊坡，控制段兩側(cè)防護至設(shè)計水位之上或至坡頂，最大限度調(diào)整比降和滿足全斷面泄流，不從兩側(cè)造成沖刷破壞；消力池出口做適當?shù)墓こ谭雷o及生物措施防護，避免沖刷破壞；控制段設(shè)置有效排水系統(tǒng)，并做好反濾；進出口底高程應(yīng)考慮溝道比降，消力池后半部分降低，設(shè)置適當?shù)牡?，下游溝底出口設(shè)置盡可能加長些的陡坡護砌，以適應(yīng)下游溝道斷面；岸坡上部可用土工格式結(jié)合植物措施防護；利用谷坊結(jié)合陡坡盡量調(diào)整放緩溝道比降。

3.2.1 漿砌石谷坊

1)堰頂以上及上游護坡要護砌到坡頂或設(shè)計水位以上，堰體上游護底的作用不大。

2)堰體內(nèi)盡量多設(shè)石籠，有利于排水，上游面垂直并用無紡布分層包裹，下游面為臺階式疊放。

3.2.2 石籠谷坊

1)兩側(cè)邊坡設(shè)石籠防護至坡頂，避免兩側(cè)邊造成沖刷破壞；堰頂石籠及其上兩側(cè)邊坡的石籠灌注混凝土，表面抹平。

2)谷坊堰體部位石籠前半段結(jié)構(gòu)分層包裹無紡布。

3)整個工程段建基面的無紡布要連續(xù)鋪設(shè)，并包裹各段的齒槽下面。

3.2.3 土柳谷坊

土柳谷坊一般用在較小的侵蝕溝，或作為工程谷坊之間的輔助措施，柳編谷坊要保證柳條扎根成活，同時保證土柳谷坊的透水性；重點是側(cè)邊的防護，為防止從側(cè)邊沖刷，在谷坊兩端向側(cè)邊斜向增加部分柳樁繞籬條，巖體兩側(cè)和下游側(cè)邊可輔助一些石籠工程結(jié)構(gòu)或土工格室護砌，下游溝底設(shè)置陡坡石籠防沖結(jié)構(gòu)。

3.3 岸坡防護結(jié)構(gòu)

一般有格賓石籠護坡、石籠砌筑護岸擋墻或漿砌石護岸擋土墻。漿砌石擋土墻一般基礎(chǔ)開挖較大，墻體排水效果不理想，墻體結(jié)構(gòu)及整體穩(wěn)定性不易保證，外觀與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)，不宜大規(guī)模設(shè)置。

3.3.1 較緩岸坡的防護

侵蝕長度較短，侵蝕寬度大，斷面較淺，現(xiàn)狀位于耕地中間，兩側(cè)耕地逐年縮減，無法進行復(fù)墾的侵蝕溝采取植樹護溝，進行原坡面整形后植樹，樹種以灌木柳為主。成活極大程度的降低了水土流失和原坡面的繼續(xù)侵蝕，既固坡又增加林草地面積，改善區(qū)內(nèi)整體生態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖7 溝道防護林措施效果

溝道削坡一般沿等高線將坡面修成狹窄的階狀臺面或<土體安息角的斜坡，以達到削坡減載，維持坡面穩(wěn)定的效果，為后期植樹種草創(chuàng)造條件；結(jié)合溝道削坡整形，坡面及岸坡頂部一定范圍設(shè)置土工格室結(jié)合溝坡防蝕林，固定溝坡防止溝壑橫向侵蝕發(fā)展。

溝底防蝕林可攔蓄溝底徑流，制止侵蝕溝的縱向侵蝕，促進泥沙淤積，在兩座谷坊間沿水流方向營造溝底防沖林，進行柵狀間斷造林，林帶寬度同溝底寬度。

3.3.2 較陡溝岸防護

1)侵蝕溝局部段近乎垂直的溝坡，不宜做大的削坡開挖，可結(jié)合岸坡形狀，下部做石籠層疊墻式防護，施工時沿最下層基礎(chǔ)底面及坡面鋪設(shè)無紡布，同時依靠坡面逐層砌筑石籠，坡與石籠間小的空擋填筑碎石或砂礫石即可。

2)底層石籠可寬一些，向上可逐層變窄。

3)上部可用斜坡式石籠防護，岸頂再做適當寬度的土工格室結(jié)合植物措施過渡區(qū)。如果岸頂直接面臨陡坡時，設(shè)置必要的安全警示樁。

圖8 較陡岸坡的防護

4 其它植物措施簡介

4.1 柳編護溝

位于耕地中間，河流兩岸的大型侵蝕口，現(xiàn)狀侵蝕長度較短，侵蝕寬度大，斷面較深，兩側(cè)耕地已因現(xiàn)狀侵蝕作用逐年縮減。此類溝道已無法進行復(fù)墾處理，如采取工程措施用量較大；柳樁中間用活柳條編籬，起到將柳樁連接成片的作用，且能更好的降低瞬時來水的沖刷，極大程度的降低了水土流失和原坡面的繼續(xù)侵蝕。原坡面插柳后，在柳條成活后既固坡又增加林草地面積，既治理了侵蝕溝又改善整體生態(tài)結(jié)構(gòu)。

樁料選擇：選生長能力強的活立木柳樁，單個平均長1.5m左右，直徑5-7cm。

埋樁：埋深0.5m左右，柳樁間距0.5m×0.5m。

編籬：先橫向鋪一層柳條，再縱向鋪一層柳條，每層約10cm，然后壓實柳條以樹樁為徑縱橫向編籬柳條，用鐵絲把柳條固定在柳樁上，最后在上面及兩邊覆土約20cm，并壓實，柳樁外露約20cm。

圖9 柳編護溝效果

4.2 秸稈填埋侵蝕溝復(fù)墾

該措施是通過將秸稈打包后填充到溝道內(nèi)，上層覆土，修復(fù)受損耕地；在溝底鋪設(shè)連通的暗管并間隔修筑滲井，復(fù)墾后原溝道位的地表徑流通過覆土層和滲井垂直下滲入秸稈層，再匯入暗管排出，減小或消除地表的沖刷，避免再次成溝。該項措施主要適用于耕地中中小型侵蝕溝修復(fù)，保障大機械農(nóng)耕的同時，還創(chuàng)建了秸稈還田新模式，保護環(huán)境，化解用地矛盾；該方法關(guān)鍵是排水出路要暢通。

4.3 侵蝕溝植樁生態(tài)護坡治理技術(shù)

吉林省推廣的侵蝕溝植樁生態(tài)護坡治理技術(shù)是利用木樁、農(nóng)作物秸稈等材料，控制土壤侵蝕和固坡的一種比較有效的措施，值得研究應(yīng)用。

5 結(jié) 語

侵蝕溝治理要因地制宜，一溝一策，發(fā)揮工程措施的控制作用及植物措施的輔助作用，有機結(jié)合，相輔相成，保證工程結(jié)構(gòu)的安全性和有效性，發(fā)揮植物措施的潛力作用，達到投入有回報，治理有效果，不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，逐漸形成侵蝕溝區(qū)域治理模式化。