國(guó)家溝小流域水平梯田及封育治理措施設(shè)計(jì)探析

李 偉

(盤(pán)山縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)山 124000)

國(guó)家溝小流域位于遼寧省朝陽(yáng)市，總?cè)丝跒? 700人，人均耕地面積為0.19 hm2，2018年流域農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為600萬(wàn)元，糧食總產(chǎn)量為731 t，人均糧食為573 kg，人均可支配收入3 529元。國(guó)溝小流域總面積1 271.37 hm2，耕地面積占總面積的36.31%，流域水土流失面積為915.51 hm2，占總面積的72.1%，年平均水土流失為2 787 t /km2·a。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該流域的土壤侵蝕已經(jīng)得到有效控制，其中經(jīng)濟(jì)林木和果樹(shù)種植面積為32.28 hm2，已建立水土保持林1.63 hm2。

1 工程總體布置原則

家溝的小流域的地形屬于土石的低山丘陵區(qū)，在確保糧食安全的前提下，全面落實(shí)水土保持措施，對(duì)土地結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整，充分發(fā)展流域特色產(chǎn)業(yè)[1]，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整已大大提高了人們的工作和生活條件，使糧食和生態(tài)安全得到有效保障。

國(guó)家溝小流域設(shè)計(jì)控制的水土流失面積為647.42 hm2，土壤侵蝕面積占70.5%，坡地的治理措施主要是水平梯田，可以減少土壤侵蝕，同時(shí)提高土地生產(chǎn)力[2-3]，流域的荒地是通過(guò)工程造地和種植高抗性的水土保持先鋒樹(shù)種，努力改善生態(tài)環(huán)境，以達(dá)到治理水土流失的目的。

流域內(nèi)新建的梯田面積為156.68 hm2，位于北部的土石山區(qū)，梯田工程級(jí)別為1級(jí)。根據(jù)水土保持工程設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，其梯田的寬度超過(guò)10 m，排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 5～10 a內(nèi)一次短時(shí)暴雨[4]，種果樹(shù)后，果園大規(guī)模已經(jīng)管理形成，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范在邊坡上具有生產(chǎn)功能的林草項(xiàng)目等級(jí)為1級(jí)，邊坡截留排水標(biāo)準(zhǔn)為5～10 a，截污排水的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是每5年一次最大降雨6 h。

2 工程措施設(shè)計(jì)

2.1 水平梯田

2.1.1 設(shè)計(jì)原則

(1)根據(jù)土地利用規(guī)劃原則,選擇大的斜坡,土壤肥沃，坡度在3°～15°之間的農(nóng)田[5]，田坎線沿等高線排列，其形狀為矩形或帶狀。

(2)滿足集中連接，節(jié)省建筑和勞力，便利的耕作，安全的埂坎和較少的耕地占用的要求，根據(jù)地形條件和機(jī)械化操作的要求，地塊的長(zhǎng)度通常在200 m左右，以方便耕種。

(3)運(yùn)輸方便，水源是足夠的，并且它適合于機(jī)械農(nóng)業(yè)和灌溉。

(4)場(chǎng)地?cái)嗝嬖O(shè)計(jì)一般是地面坡度越陡，場(chǎng)地寬度越窄，反之坡度越小，則相反，根據(jù)梯田建設(shè)多年的經(jīng)驗(yàn)，田坎小于1 m的梯田在耕作過(guò)程中經(jīng)常受到破壞，而田坎大于1.5 m的梯田保存相對(duì)較好，因此，場(chǎng)地的高度至少為1.5 m，最高不超過(guò)3 m。

2.1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

梯田田埂高度以攔蓄5年一遇6 h暴雨為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1)查相關(guān)參數(shù)

2)計(jì)算

計(jì)算10 a一遇6小時(shí)最大面雨量(折減系數(shù)KF取0.98)；

田埂安全超高取0.1 m，埂頂寬和高均為0.3 m，田面按本次設(shè)計(jì)最大田面寬度25 m計(jì)算。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)匯水總量V設(shè)= 0.001 PKL

(1)

式中：P為10 a一遇 6h 最大降雨強(qiáng)度70.64 mm；K 為徑流系數(shù)，取 0.51；L 為單位寬度匯水坡長(zhǎng)(m)，取25；

帶入計(jì)算V設(shè)=0.001×0.51×70.64× 25=0.9 m3。

單位寬度梯田蓄水量V蓄=abh1-VS

(2)

式中：a為單位寬度田面長(zhǎng)，取25 m；B為單位寬，取1.0 m；h1為田埂高，取0.30 m；Vs為土壤侵蝕量。項(xiàng)目區(qū)的土壤主要為褐土。土壤容重1.4 t/m3。

帶入計(jì)算V蓄= 25×1×0.30-3 633/1 000 000/1.4×25×1=7.44 m3。

V蓄>V設(shè)，因此梯田規(guī)格設(shè)計(jì)可滿足設(shè)計(jì)防洪要求。

2.1.3 設(shè)計(jì)要求

田面寬計(jì)算式：B=H(ctgα-ctgβ)

(3)

式中：L為斜坡距離；B為田面寬；H為田坎高；d為田埂寬度；D為田埂底寬；α為原地面坡度；β為田坎外側(cè)坡；h為田埂高。

根據(jù)梯田建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，田坎外側(cè)坡一般在60°～75°之間，具體坡度根據(jù)土質(zhì)選定；田坎高1.5 m以上的梯田運(yùn)行效果較好，耕作過(guò)程中人為損毀率低，生效周期較長(zhǎng)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水平梯田，田坎外坡約60°～75°。按照技術(shù)規(guī)范要求，以54號(hào)小班坡度為4°為例，田坎外坡約65°時(shí)，高度H為1.5 m，計(jì)算田寬為21 m，可滿足機(jī)械耕作要求。

小班3號(hào)、16號(hào)、25號(hào)、48號(hào)、49號(hào)、53號(hào)、56號(hào)、95號(hào)坡度在5°～10°，取加權(quán)平均值6°進(jìn)行計(jì)算，田坎高度H取2.0 m，計(jì)算田寬為18 m，可滿足機(jī)械耕作要求。

由于小班內(nèi)坡度及土質(zhì)情況不一，施工時(shí)可根據(jù)工程區(qū)坡地的坡度及土質(zhì)情況，確定梯田田坎高，并選定的田面寬和田坎外側(cè)坡度，田坎線沿等高線布設(shè)。

田坎高度計(jì)算式：H=B/(ctgα-ctgβ)

(4)

田坎占地?fù)p失為：Z=(ctgβ/ctgα)×100%

(5)

2.1.4 工程量

根據(jù)水平梯田的設(shè)計(jì)要求，流域適宜修建水平梯田的小班為3號(hào)、16號(hào)、25號(hào)、48號(hào)、49號(hào)、53號(hào)、54號(hào)、56號(hào)、95號(hào)小班，面積156.68 hm2。占流域治理措施體系的24.20%。水平梯田工程總土方37.02萬(wàn) m3。

根據(jù)水土保持工程相關(guān)技術(shù)規(guī)范，其計(jì)算公式為：

以hm2單位時(shí)，梯田單位面積土方量應(yīng)按下式計(jì)算：

(6)

式中： V為梯田單位面積土方量(m3)； H為田坎高度(m)。

本次工程54號(hào)小班平均坡度4°，田坎高1.5 m；其他小班平均坡度6°，田坎高2.0 m。

2.2 果樹(shù)臺(tái)田

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

結(jié)合適合流域果樹(shù)和梯田種植的場(chǎng)地條件，調(diào)整措施，因地制宜，充分發(fā)揮自然資源優(yōu)勢(shì)，遵循布局合理，環(huán)境因素的原則，相對(duì)集中和方便的設(shè)計(jì)措施以便進(jìn)行果樹(shù)梯田的管理，通常在5°～25°的坡度或非工程果園中選擇果樹(shù)梯田。

2.2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

果樹(shù)臺(tái)田工程具有抗旱攔蓄功能，防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為最大雨強(qiáng)6 h，5 a一遇，項(xiàng)目區(qū)最大降雨量為70.64 mm，5 a一遇。復(fù)核整地工程防御標(biāo)準(zhǔn)以單坑蓄水量驗(yàn)算。復(fù)核整地工程防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以最不利計(jì)算，選取73號(hào)小班進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)匯水量

果樹(shù)臺(tái)田單個(gè)果臺(tái)匯水總量V設(shè)=0.001PKLB

(7)

式中：P為5 a一遇6h最大降雨強(qiáng)度70.64 mm；K為徑流系數(shù)，取0.51；L為果臺(tái)工程以上匯水坡長(zhǎng)(m)，取3 m；B為果臺(tái)寬度，取3 m。

V設(shè)=0.001×0.51×70.64×4×3=0.43 m3；

2)蓄水量

單個(gè)果臺(tái)蓄水量V蓄=V1=abh-Vs

(8)

式中：a為果臺(tái)長(zhǎng)，取果臺(tái)長(zhǎng)度減去兩側(cè)池梗寬0.3 m，得3.7 m；b為果臺(tái)寬，取果臺(tái)寬度減去兩側(cè)池梗寬0.3 m，得2.7 m；h為果臺(tái)設(shè)計(jì)蓄水深，取0.15 m；Vs為單位寬度攔蓄泥沙量；項(xiàng)目區(qū)土壤以褐土為主，土壤容重1.4 t/m3。

V蓄=2.7×3.7×0.15 -3 633/1 000 000/1.4×2.7×3.7=1.48 m3。

V蓄>V設(shè)，因此果樹(shù)臺(tái)田整地規(guī)格滿足設(shè)計(jì)防洪要求。

2.2.3 設(shè)計(jì)要求

2.2.4 工程量

流域適宜修建果樹(shù)臺(tái)田工程的地塊為73、76號(hào)小班，面積37.55 hm2。采用人工挖平臺(tái)II類土，施工方法以15°～25°的地面坡度，土方堆到池梗處。

2.3 保土耕作措施設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)原則

土壤保護(hù)耕作措施是將農(nóng)業(yè)耕作結(jié)合起來(lái)以改變微觀地形的水和土壤保護(hù)措施，從而增加地表植被覆蓋度或增加土壤入滲，提高土壤侵蝕抵抗力。

2.3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

水土保持耕作的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)通常將徑流減少50%，將泥沙減少60%以上，在耕作方向上，沿等高線保留部分降雨，在壟向間隔設(shè)置橫向攔水梗，提高蓄水保土能力。

2.3.3 設(shè)計(jì)要求

將原來(lái)的順坡溝改成橫坡溝時(shí)，應(yīng)先耕種，再進(jìn)行跨坡耕作，形成新的跨坡溝壟。對(duì)于大面積的橫坡耕作，應(yīng)縮短坡長(zhǎng)以減少水土流失。

2.3.4 保土耕作的施工方法

即沿坡面等高線耕作，形成溝和壟，用來(lái)儲(chǔ)存水和泥，保護(hù)水資源，保護(hù)土壤，提高產(chǎn)量。

2.4 封育治理措施設(shè)計(jì)

流域現(xiàn)有稀疏森林的樹(shù)冠緊密程度不高, 在森林覆蓋植物的未形成可以攔截降水和保護(hù)層以防止水土流失, 可以通過(guò)生態(tài)修復(fù)管理, 補(bǔ)充種植措施,提高森林覆蓋率,水土保持和耐蝕性。

生態(tài)恢復(fù)是指在生態(tài)脆弱地區(qū)和水土流失地區(qū)減少或避免人類活動(dòng)造成的干擾和破壞，利用自然的力量，充分發(fā)揮生態(tài)的自我生長(zhǎng)和修復(fù)功能，加速植被恢復(fù)和生態(tài)改善,以此實(shí)現(xiàn)快速水土流失控制系統(tǒng)工程，該流域生態(tài)恢復(fù)面積為428.0 hm2，占水土流失治理面積的66.2%，在流域內(nèi)適宜圍封的土地為矮林和灌木林地，其郁閉度大于0.4，喬木高度小于2 m。

2.4.1 流域內(nèi)采用全封方式

根據(jù)流域內(nèi)地形、地貌特點(diǎn)，在生態(tài)修復(fù)地帶布設(shè)圍欄，C20混凝土樁用于圍欄，其規(guī)格為0.12 m×0.12 m×1.70 m，混凝土樁間距為4 m，根與根之間混凝土樁分開(kāi)，根部用碎石加固，有5條水平刺線，間距0.20 m，有2條對(duì)角線。將鐵絲網(wǎng)捆扎在支柱上。每個(gè)生態(tài)修復(fù)單元留2個(gè)進(jìn)出口，每個(gè)進(jìn)出口安裝一個(gè)混凝土樁柱鐵絲網(wǎng)門(mén)。共設(shè)置圍欄1 160 m。

根據(jù)流域內(nèi)實(shí)際情況，在交通要道醒目處、行政區(qū)屬更迭處、路旁、進(jìn)山口設(shè)立公示牌，加強(qiáng)宣傳生態(tài)修復(fù)治理建設(shè)的政策法規(guī)和獎(jiǎng)罰制度，提高人民進(jìn)行生態(tài)建設(shè)的意識(shí)。

2.4.2 補(bǔ)植

由于近年來(lái)林地面積在減少，自然再生本身就很難迅速恢復(fù)植被，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的改善，最大限度地發(fā)揮森林的社會(huì)效益，有必要在封閉和控制區(qū)補(bǔ)植稀疏林地。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)的綜合治理和工程措施的設(shè)計(jì)，有效地?cái)r截，分散和延緩了該區(qū)的降雨，增加了正常水流量，由于大大提高水土保持能力，土壤生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并營(yíng)養(yǎng)損失已經(jīng)減少。土壤肥力得到改善。一方面,對(duì)地表徑流進(jìn)行攔截,增加土壤水分含量，可以有效地節(jié)水、遏制土壤侵蝕，另一方面,越來(lái)越多的滲透能力和提高水位可以緩解干旱,從而減少洪水和干旱所造成的災(zāi)害。