川東北方山丘陵地貌區(qū)水資源保護(hù)措施

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(西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院，四川 南充 637002)

水資源是社會、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，西南土石山區(qū)地處長江、珠江上游，青藏高原東南緣，是我國水土流失防治的重點(diǎn)地區(qū)[1]，特別是四川省東北部遍布低山丘陵，常年處于水資源缺乏狀態(tài)。其與北方干旱缺水的不同之處在于本地區(qū)降水豐富，但是由于地形、降水分配不均等原因造成儲水能力低、可供灌溉和飲用的水資源少，且源近流短、水低田高、耕地不連片，造成水分的輸送、補(bǔ)給和儲存的困難[2]。鑒于此，本文以四川達(dá)州千口嶺省級地質(zhì)公園內(nèi)的“Ω”形槽谷為例，深入探討此地缺水的原因，并據(jù)此提出相應(yīng)的工程措施。

1 研究區(qū)域概況

四川達(dá)州千口嶺省級地質(zhì)公園位于四川省達(dá)州市通川區(qū)，為在建的省級地質(zhì)公園，規(guī)劃面積約97.2 km2。公園以方山丘陵地貌、單斜山地貌、碎屑巖地貌、特大型推移式滑坡、水體景觀等多種地質(zhì)遺跡資源為主,區(qū)內(nèi)海拔300～700 m，相對高差較大；地形上屬于川東北低山、丘陵與川東平行嶺谷的過渡地帶；方山丘陵與 “Ω”形槽谷的地貌組合是本地質(zhì)公園主要的地貌類型之一。

缺水嚴(yán)重的區(qū)域主要是方山丘陵頂部，“一場大雨到處淹，十天無雨遍地旱”是該地典型的氣象寫照，目前公園內(nèi)缺水時段為冬春之交的“春旱”和夏季的“伏旱”。該地區(qū)水資源的來源為天然降水，直接來源為“Ω”形槽谷的塘堰庫存水及部分地下水，能抽取的地下水極為有限，塘堰庫存水的保水能力不足。為滿足水稻種植和冬季灌溉的需要，在“Ω”形槽谷內(nèi)留有可蓄水的“冬水田”，且蓄水后，無法種植糧食，造成土地資源浪費(fèi)。雖然修筑了水庫，但是數(shù)量少，分布不均，沒有根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行合理規(guī)劃。同時，槽谷下部建有的塘堰往往具有“水低田高”的特點(diǎn)，只能滿足就近農(nóng)田的使用，相對高程高、距離遠(yuǎn)的耕地仍然缺水嚴(yán)重。根據(jù)千口嶺地質(zhì)公園的詳細(xì)規(guī)劃，地質(zhì)公園采取旅游+休閑+產(chǎn)業(yè)的開發(fā)模式，建成后用水缺口更大。因此，公園用水、山頂牲畜飲水和灌溉用水必須尋找更廣闊的水源。

2 水資源不足的原因

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

大地構(gòu)造上，公園位于川中地塊、川北臺陷和華鎣山隆起帶的過渡區(qū)域，沒有背斜、向斜、斷層等典型的儲水構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，因此，較穩(wěn)定的承壓水資源極為缺乏，出露地層以厚層或巨厚層砂巖為主，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，形成的風(fēng)化裂隙水不利于山頂取水。因此，方山頂部不易儲存或提供地下水資源。

2.2地形地貌

桌狀方山具有“頂平、坡陡、麓緩”的特性，頂覆厚層或巨厚層砂巖，產(chǎn)狀近水平，垂直節(jié)理發(fā)育，且方山邊緣節(jié)理密度比中部大。在流水侵蝕和崩塌作用下，沿方山邊緣形成了嶺、谷相間的地貌形態(tài)，嶺間的槽谷，多呈“Ω”形，上部寬、緩，成環(huán)形；下部深、窄，成直線型深切峽谷(圖1)，與華鎣山由走向斷裂形成的“Ω”形極為相似[3]。由于“Ω”形槽谷數(shù)目眾多，方山頂部區(qū)域?yàn)椴酃鹊募畢^(qū)，槽谷縱剖面比降大，在沒有其他攔蓄方式的前提下，山頂降水迅速通過槽谷流向坡下。目前，存在部分“Ω”形槽谷修筑攔蓄降水的塘堰，但數(shù)量少、分布不均、庫存量小，導(dǎo)致降水資源大量浪費(fèi)，不能滿足山頂生活生產(chǎn)需要。

圖1 千口嶺方山“Ω”形地貌示意圖Fig.1 Topography of Ω-shape at the mesa of Qiankouling, Sichuan

2.3 氣候

千口嶺景區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是四季分明。年平均降水量1 211.4 mm，年平均降雨日數(shù)為140.1 d，最多168 d(1983年)，最少117 d(1966年)。極端年最大雨量1 698 mm(1983年)，極端年最少雨量730.7 mm(1966年)。由于受亞熱帶季風(fēng)氣候控制，降水的時間分布不均勻，降雨集中在每年5—10月份，但7月份進(jìn)入伏旱期，降水減少；冬春季節(jié)降水極少，易形成冬旱和春旱，加上上述地貌地形條件限制，導(dǎo)致山頂總體水資源不足。

2.4 土地利用方式

目前土地利用類型主要為：耕地、林地、建設(shè)用地和水域。按照當(dāng)?shù)厝说姆N植習(xí)慣和生活習(xí)慣，主要種植農(nóng)作物類型有水稻、茶葉、玉米、油菜和小麥等。

11月底—次年3月份為少雨季節(jié)，而種植作物主要為小麥和油菜，灌溉用水幾乎全部來自于槽谷中的塘堰，夏季儲水量不足，灌溉用水缺乏，影響作物后期生長。3—5月初，進(jìn)入水稻育苗期和栽種期，以及茶梢芽葉的萌發(fā)和生長發(fā)育期[4]，但是由于亞熱帶季風(fēng)氣候降水的季節(jié)性，春季形成春旱，降水少，庫存殆盡，水量不足，直接影響水稻、茶的產(chǎn)量和品質(zhì)。夏季水的消耗主要是玉米、蔬菜等農(nóng)作物灌溉和水稻用水。本地降雨量總量較多，但是由于上述原因儲水不足，加上7月份受副熱帶高壓控制，伏旱天氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致夏季灌溉水量和稻田水量不足，非常不利于作物的生長發(fā)育。

2.5 水利設(shè)施建設(shè)

由于歷史的原因，同一槽谷里的梯田可能分屬于不同的農(nóng)民承包使用，現(xiàn)有水利設(shè)施沒有經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃，水庫分布不均衡，布局不合理，數(shù)量少，總?cè)萘坎蛔?。在設(shè)計(jì)上，沒有根據(jù)人口生活用水量、農(nóng)作物灌溉水量、降水量來合理分析庫容量，水庫的設(shè)計(jì)庫容量和選址未經(jīng)過專業(yè)論證，較為隨意，導(dǎo)致“大需水量區(qū)域小庫容，少需水量區(qū)域大庫容”。

3 工程分析

3.1 小型蓄水工程的適宜性

本區(qū)屬于桌狀方山地區(qū)，頂部平坦，土層薄，植被稀疏，森林主要集中于山麓地區(qū)。因此，依靠生物措施來進(jìn)行水資源的保持不現(xiàn)實(shí)，通過工程措施來保護(hù)水資源符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。塘堰是山丘區(qū)最基本的水利設(shè)施,具有很好的蓄水和攔沙效果[5]。受地形條件限制，難以建立大型灌溉渠系系統(tǒng),故各種小型集雨蓄水工程設(shè)施較多[6]。丘陵山區(qū)小型蓄水工程克服了大型蓄水工程對地形的苛刻要求,通過攔蓄降雨和地表徑流,利用多雨季節(jié)儲存的水量調(diào)控局地農(nóng)田水量平衡[7]。

圖2 “Ω”形槽谷形態(tài)Fig.2 Morphology of Ω-shaped valley

3.2 工程設(shè)計(jì)

3.2.1 “Ω”形槽谷的保水方案

在桌狀方山地貌基礎(chǔ)上形成的“Ω”形槽谷，上部寬、緩，成環(huán)形，下部深、窄，成直線型深切峽谷(如圖2)，隘口兩側(cè)和底部為巨厚層或厚層砂巖，不易受侵蝕。此地沒有背斜、向斜、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，水庫不存在漏水，不易引起崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)其特殊的地形和地層，宜在隘口處修筑淤地壩，形成小型水庫。壩軸線短，具有工程量小、工期短、建造成本低的優(yōu)點(diǎn)。方山頂部和槽谷內(nèi)寬緩的區(qū)域均為水庫的匯水面積，在雨季儲水，滿足生產(chǎn)生活需求。

由于地形谷口狹窄，溝床為基巖，壩體工程量小，宜選用漿砌條石來圍筑成壩，形成一個個塘堰(見圖1)，并配備相應(yīng)的配套設(shè)施。堰塘能夠控制下方全部農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)自流灌溉，堰塘上方短距離內(nèi)的農(nóng)田可用人力擔(dān)水或者小型農(nóng)用抽水機(jī)抽水灌溉。

3.2.2 埡口的保水方案

“Ω”形槽谷基本呈對稱分布，埡口是位于2個對稱“Ω”形槽谷之間的狹窄地帶(圖3)，相當(dāng)于鞍部，地形較平坦。利用天然的地形條件，在橫向上，寬度較窄，兩側(cè)用漿砌條石將埡口圍筑起來，并向地下挖2～3 m，為防滲漏，有必要建設(shè)混凝土防滲墻。其次，埡口兩側(cè)的山丘擁有一定的匯水面積，可環(huán)繞山丘修建截水溝，如圖3中虛線所示，暴雨時由截水溝攔截坡面上部和中部的地表徑流，并引入堰塘中池存蓄，既保護(hù)了中部和下部的農(nóng)田，又可在天旱時利用蓄水池灌溉，既可有效減輕水土流失，同時又解決小范圍的人畜用水[8]。

圖3 埡口處水庫設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Design of reservoir at the saddle (narrow pass) between two trough valleys

該方案水高田低，堰塘位于鞍部，農(nóng)田位于槽谷之中，能夠?qū)崿F(xiàn)自流灌溉，其最大特點(diǎn)是隙泉和滲水口分布于梯田田坎，便于輸水[9]。

3.2.3 蓄水池

上述2種方案都是根據(jù)天然的地形條件來進(jìn)行塘堰的布局，但并不是所有有埡口的地方都適合修筑水庫，有的地方埡口過窄，或者地形地質(zhì)條件不適合。千口嶺村正在逐步引進(jìn)種植優(yōu)良茶種，計(jì)劃打造完整的茶產(chǎn)業(yè)鏈，目前已經(jīng)形成了一些茶園，但一些茶園的配套供水設(shè)施并沒有更新，缺少灌溉水源。例如白巖水庫至千口嶺沿路的茶園分布最為密集，但只有一部分擁有水庫。這種情況適宜修建圓形蓄水池，并配備進(jìn)水渠和排引水溝等配套設(shè)施。

蓄水池的選址具有靈活性，并且這種圓形蓄水池的受力條件好，相對封閉蓄水池其單位投資較小，并且因不設(shè)頂蓋而易于建造較大容量的池子[10]。由于本地最冷月平均溫度>5 ℃，修建蓄水池時不必使用鋼筋混凝土模式，可采用磚砌，用水泥砂漿抹面的方式即可滿足需求。將挖出的土培在周圍，使池埂與地基結(jié)合緊密，池壁視情況可以是直立的,可以是有坡度的(土質(zhì)地基),一般用漿砌條石襯壁和護(hù)底,并沿壁做成梯步。在軟基上挖出的池子,蓄水池襯壁要考慮土壓力作用而建成擋土墻[11]。蓄水池一般位于農(nóng)用地的中上部位置，便于進(jìn)水渠攔蓄雨季的坡面徑流和實(shí)現(xiàn)水的自流灌溉。針對茶葉灌溉，可以鋪設(shè)噴灌或者滴灌管道設(shè)備，其規(guī)模和數(shù)量，要根據(jù)農(nóng)作物的分布、鄉(xiāng)村居民的聚居地集水和用水情況、地質(zhì)與安全等條件的實(shí)際情況來設(shè)計(jì)。蓄水池容積為30～100 m3不等。

3.3 工程的綜合效益

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

水利設(shè)施建成后，可保證本地區(qū)冬旱和春旱時期農(nóng)作物的灌溉用水。其次，大大減輕了7月份伏旱時期水稻用水困難，提高水稻質(zhì)量和產(chǎn)量。并且，可改善冬水田生產(chǎn)現(xiàn)狀，做到冬種旱作、夏植水稻的一年兩熟制，提高土地利用率，改善區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最佳。同時，完善的水利設(shè)施可節(jié)省勞動時間，使農(nóng)民有更多的時間從事第三產(chǎn)業(yè)，提高農(nóng)民收入。

3.3.2 生態(tài)效益

由于方山頂平、身陡的地形特性和亞熱帶季風(fēng)氣候降雨集中且多暴雨的特點(diǎn)，堰塘、蓄水池和引排水溝渠的綜合實(shí)施將有效減小坡面徑流對地表的沖刷，降低水土流失量，并且使田間肥力得到有效保護(hù)。地質(zhì)公園內(nèi)存在攬槽溝梓慶路滑坡隱患點(diǎn)、碑廟場鎮(zhèn)國土所危巖、后山不穩(wěn)定斜坡等易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，通過降低水土流失量，可以減少方山邊緣的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

3.3.3 社會效益

通過改善千口嶺地區(qū)的用水條件，增加了土地有效利用面積，提高了土地利用率和產(chǎn)出率，保證了糧食安全，節(jié)省了勞動力，節(jié)約了勞動時間，對于農(nóng)民多渠道就業(yè)，社會穩(wěn)定發(fā)展有促進(jìn)作用。

3.4 實(shí)證分析

以地質(zhì)公園內(nèi)的將軍湖及周邊農(nóng)田為例，將軍湖面積約12 543 m2，庫容量約28 848.9 m3，位于九大槽谷匯合處，地形中部低，四周高，高差30 m左右。雖然將軍湖的水量多，但是水低田高，無法實(shí)現(xiàn)水的自流灌溉。將軍湖附近水庫規(guī)劃方案及槽谷編號見圖4，根據(jù)測量得知：湖面距離槽谷1#約96 m、槽谷2#約210 m、槽谷3#273 m、槽谷4#300 m、槽谷5#478 m、槽谷6#416 m、槽谷7#390 m、槽谷8#296 m、槽谷9#200 m、槽谷10#87 m，槽谷11#42 m、槽谷12#159 m。就目前來看，只有槽谷3#、槽谷4#、槽谷7#和槽谷12#有修建人工水庫，暫時能夠滿足這4條槽谷的農(nóng)田灌溉。槽谷11#距離湖面較近，能夠直接引用湖水灌溉。其他槽谷中的梯田由于距離將軍湖較遠(yuǎn)，高差較大，并且存在多級分支槽谷，靠人工澆灌或利用農(nóng)用家庭式抽水機(jī)抽取湖水難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離灌溉，可在槽谷中修建梯級水庫。水庫具體的設(shè)計(jì)位置如圖4中的藍(lán)色圖形所示。

圖4 將軍湖附近水庫規(guī)劃方案及槽谷編號Fig.4 Planning of reservoirs in the adjacent of Jiangjun Lake and number of trought valleys

階梯水庫的庫容設(shè)計(jì)可參考有關(guān)文獻(xiàn)及資料確定。文獻(xiàn)[12]研究表明，達(dá)州地區(qū)水稻生育期需水量為300～350 mm,有效降水量為150～200 mm,凈灌溉需水量為100～150 mm。根據(jù)實(shí)際情況，千口嶺地區(qū)水稻的生育期的實(shí)際灌溉定額為140 mm,即1 405 m3/hm2。

由于塘堰沒有水文站控制，工程控制點(diǎn)的來水量可通過其他流域的水文資料間接獲得，對于這些水庫采用簡化計(jì)算法估算供水量即可，具體公式為

W=FM/η。

(1)

式中：W為水庫的理論蓄水量，達(dá)到這一值才能滿足水稻正常生長；F為灌溉面積；M為設(shè)計(jì)凈灌溉定額；η為渠系水利用系數(shù)[13]。上述公式(1)適用于灌區(qū)保證率分別為50%和75%的情況。由于此地基本無灌溉水渠，采用自流灌溉、塑料輸水帶輸水或者人力擔(dān)水，水資源在運(yùn)輸途中損失較少 ，因此這里假設(shè)渠系水利用系數(shù)η為0.9。

堰塘設(shè)計(jì)庫容量為

W’=W/0.8 。

(2)

式中：W’為設(shè)計(jì)庫容量；0.8為容積系數(shù)；W為理論需水量。

按照“以需定供”的原則，根據(jù)每條槽谷內(nèi)的灌溉面積計(jì)算出水稻的需水量和水庫的設(shè)計(jì)庫容量，如表1所示。

表1 將軍湖附近堰塘設(shè)計(jì)庫容量Table 1 Design capacity of weir ponds in the adjacentof Jiangjun Lake

根據(jù)庫區(qū)水稻的實(shí)際用水量來設(shè)計(jì)堰塘庫容量，避免出現(xiàn)“大需水量區(qū)域小庫容，少需水量區(qū)域大庫容”。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)地質(zhì)公園的具體情況，因地制宜，提出了塘堰、蓄水池等3種小型水利設(shè)施設(shè)計(jì)方案。實(shí)行“社區(qū)參與+政府引導(dǎo)”的模式、政府利用流域治理和土地整理項(xiàng)目對水利工程提供政策、資金支持，農(nóng)民進(jìn)行日常維護(hù)。工程實(shí)施后，可大大改善當(dāng)?shù)赜盟畻l件，農(nóng)民能夠更好地應(yīng)對冬旱、春旱和伏旱等極端災(zāi)害天氣，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，增加土地利用率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增收。四川省地形復(fù)雜，特別是川東北部的南充、達(dá)州、巴中、廣元地區(qū)，遍布丘陵山川，集水、用水困難。如何解決此類地區(qū)的水資源蓄積是一個亟待解決的問題，本文可為川東北丘陵地區(qū)的水資源利用提供參考。