江西水土保持生態(tài)科技園規(guī)劃設(shè)計探討

曾建玲，袁 芳，謝頌華

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

0 引 言

江西省為我國南方水土流失嚴(yán)重的省份之一，是我國南方紅壤分布地帶的中心區(qū)域，也是我國水土流失重點治理區(qū)。為探索南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕規(guī)律，完善南方紅壤區(qū)水土流失治理技術(shù)體系，提高國家水土流失治理的水平與科技含量，加快我國水土流失治理步伐，水利部在江西省九江市德安縣建設(shè)了國家級的水土保持生態(tài)科技園——江西水土保持生態(tài)科技園。

1 科技園概況

1.1 園區(qū)現(xiàn)狀與定位

園區(qū)南距省會南昌市70 km，北離九江市50 km，毗鄰廬山風(fēng)景區(qū)和共青城市，地理位置得天獨厚，地貌類型為低丘崗地，屬南方紅壤丘陵侵蝕區(qū)。園區(qū)內(nèi)地形起伏，西高東低，最高落差約8.5 m，部分區(qū)域曾為廢棄取土場。科技園將理念創(chuàng)新、先進水保技術(shù)引進研發(fā)與園區(qū)規(guī)劃設(shè)計相融合，確定了科研為主要功能的國家水土保持科技示范園建設(shè)定位，是我國第一個以科研為主要定位的水土保持示范園區(qū)，也是國際上規(guī)模最大的水土保持科研基地。

1.2 功能分區(qū)

根據(jù)園區(qū)的性質(zhì)定位和建設(shè)目標(biāo)，在綜合分析已建項目和環(huán)境條件總體特點的基礎(chǔ)上，將科技園規(guī)劃為科研試驗區(qū)、推廣示范區(qū)、科普教學(xué)區(qū)和生態(tài)修復(fù)區(qū)4大功能區(qū)共22個功能小區(qū)?？傉嫉乜偯娣e為80.00 hm2，其中：科研試驗區(qū)19.22 hm2、推廣示范區(qū)30.54 hm2、科普教學(xué)區(qū)17.24 hm2、生態(tài)修復(fù)區(qū)13.00 hm2。

2 規(guī)劃設(shè)計難點與創(chuàng)新

2.1 規(guī)劃理念創(chuàng)新

科技園擬立足南方紅壤區(qū)水土資源特性，以水、土資源為主線，科學(xué)布局，以人工模擬降雨大廳、實驗樓、坡耕地水量平衡試驗區(qū)、護坡試驗區(qū)、大坡面試驗區(qū)以及果園試驗區(qū)等建筑和科研設(shè)施為載體，貫穿“水土流失基礎(chǔ)研究—水土流失治理技術(shù)研究—水土保持科技成果轉(zhuǎn)化—推廣應(yīng)用與示范”的全鏈條設(shè)計理念，在園區(qū)實現(xiàn)了水土保持科研試驗、技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和示范推廣的全鏈條設(shè)計。同時，將科研科普設(shè)施與生態(tài)景觀、水土文化相融合，創(chuàng)新設(shè)計了水土流失動態(tài)實景，將江西省水土流失動態(tài)變化融入中央景觀的設(shè)計，突出江西水土保持的特點，使工程更加具有水土保持生命力和文化內(nèi)涵。

2.2 具體設(shè)計難點與創(chuàng)新

2.2.1 中央景觀設(shè)計

針對科技園工程場地內(nèi)土石方無法平衡的問題以及生態(tài)中央廣場景觀設(shè)計的特殊要求，采用了以露天江西省微縮地形圖的設(shè)計方法，在解決土石方平衡的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了直觀的向社會大眾展示江西的地形地貌、水系分布及水土流失分布動態(tài)情況的目的。微縮地形圖平面比例為1：7 000、豎向比例為1：2 000，通過微縮模型與外圍展示櫥窗相結(jié)合，展示水利水保的科普知識，包括：江西的主要水系——一湖五河的位置關(guān)系，主要的水利樞紐模型以及省內(nèi)不同地域的水土流失情況；通過采用紅、黃、青3種不同顏色的植被直觀動態(tài)的展示。其中，紅色代表強烈以上侵蝕的區(qū)域，黃色代表輕、中度侵蝕區(qū)域，綠色代表水土保持效果較好的微度侵蝕區(qū)域。

2.2.2 坡耕地水量平衡試驗小區(qū)設(shè)計

坡耕地水量平衡是園區(qū)最重要的試驗小區(qū)設(shè)計，它需要結(jié)合江西坡耕地的實際，滿足水土保持徑流小區(qū)設(shè)計的規(guī)范以及灌溉滲漏試驗的兩方面的要求。因此，本設(shè)計中通過地勘調(diào)查江西省內(nèi)坡耕地的土層情況，在此基礎(chǔ)上將試驗小區(qū)設(shè)計為兩種不同坡度(8°、15°)的水土保持模擬試驗，小區(qū)的混凝土底面分別采用和小區(qū)土壤坡度平行及遞增2°兩種處理，對8°小區(qū)的每個處理采用6次重復(fù)，對15°小區(qū)的每個處理采用4次重復(fù)，共20個小區(qū)，每個小區(qū)100 m2。小區(qū)設(shè)有坡地水量平衡試驗裝置，能準(zhǔn)確計量水量平衡的各要素，包括地表徑流、壤中流、地下水流、土壤水分、水勢及溫度等，并據(jù)此推算小區(qū)的蒸發(fā)蒸騰量，為揭示小區(qū)水分運動規(guī)律和養(yǎng)分、鹽分的遷移規(guī)律提供觀測手段，試驗裝置詳見圖1。

為了解決施工方法中坡地水量平衡小區(qū)現(xiàn)有土體填筑法不能滿足各土層均勻、穩(wěn)定、夯實等問題，同時為了保持坡地水量平衡小區(qū)填筑土壤與實際坡地的土壤結(jié)構(gòu)的一致性，我們提出了一種坡地水量平衡試驗土體填筑施工方法。主要步驟為：分層開挖取土及土壤干密度測定——分層編號堆放——土壤過篩——保濕、均勻土壤含水量——擊實試驗——碾壓夯實實驗——土樣原始含水量測量——分層回填土重量確定——回填土壤且厚度均勻——夯實土壤——回填土壤干密度驗證。

圖1 野外坡耕地水量平衡試驗小區(qū)(Lysimeter)裝置

2.2.3生產(chǎn)建設(shè)項目徑流小區(qū)的取土場地綜合利用設(shè)計

為實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項目徑流小區(qū)科研的目的，同時解決場地內(nèi)取土場的綜合利用問題，我們結(jié)合實際邊坡和場地情況，分別設(shè)計了棄土(渣)試驗小區(qū)、綜合防護和生態(tài)護坡試驗小區(qū)等。

2.2.3.1 棄土(渣)試驗小區(qū)

按照地形設(shè)計以及土石方平衡的要求，設(shè)計了棄土(渣)試驗小區(qū)24個，包括花崗巖發(fā)育的紅壤、紅砂巖發(fā)育的紅壤、第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤、紫色頁巖發(fā)育的紫色土、稀土尾礦、煤矸石、房渣土及電廠灰渣等8 種棄土棄渣類型，每個小區(qū)50 m2，小區(qū)設(shè)計見圖2。作為生產(chǎn)建設(shè)類的棄渣徑流試驗小區(qū)，在治理好擾動土地的同時，可利用其開展紅壤區(qū)不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤、不同棄土(渣)類型的水土流失規(guī)律及其快速恢復(fù)技術(shù)的試驗研究。

圖2 棄土(渣)試驗小區(qū)設(shè)計圖

2.2.3.2 綜合防護試驗小區(qū)

小區(qū)主要針對目前生產(chǎn)建設(shè)中建設(shè)單位對陡坡所采取的各種防護形式進行的徑流泥沙以及植被、土壤相關(guān)指標(biāo)觀測，探索由生產(chǎn)建設(shè)活動造成的受損土地的快速恢復(fù)技術(shù)，比較評價工程建設(shè)實踐中所采用的各種邊坡防護形式的水土保持效應(yīng)，為解決開發(fā)建設(shè)活動引起的嚴(yán)重水土流失防治提供技術(shù)支持。園區(qū)內(nèi)布設(shè)18個徑流小區(qū)，每個小區(qū)50 m2，坡比采用實踐中較為常用的1∶1.5 和1∶2。

徑流小區(qū)在《水土保持監(jiān)測設(shè)施通用技術(shù)條件》(SL342-2006)和《水土保持試驗規(guī)程》(SL419-2007)等國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有相關(guān)的要求[1，2]，但由于我國南北氣候的差異大，同樣的徑流小區(qū)設(shè)計也會導(dǎo)致不同的試驗誤差結(jié)果，因此，有必要對不同的徑流小區(qū)設(shè)計進行分析優(yōu)化。園區(qū)結(jié)合南方地區(qū)特點，做了優(yōu)化設(shè)計，使其既符合試驗要求，又經(jīng)濟合理。徑流小區(qū)最大投影面積為50 m2(5.00 m×10.00 m)，徑流小區(qū)主體包括小區(qū)護埂、集流槽、引水管、量水設(shè)備(集流桶和分流桶)等4部分。集流槽、引水管、量水設(shè)備尺寸根據(jù)設(shè)計頻率暴雨坡面徑流量計算確定。

小區(qū)護埂、集流槽以及分流設(shè)施在相關(guān)規(guī)范中未有規(guī)格、尺寸和材料的明確規(guī)定，本設(shè)計結(jié)合實際進行了明確。護埂設(shè)計采用磚砌結(jié)構(gòu)砂漿抹面，護埂寬0.12 m，基礎(chǔ)深0.45 m，高出地面0.30 m，基礎(chǔ)兩側(cè)的回填土要夯實。為便于施工，護埂頂部做成傾角45°的單面刃形斜坡，斜面朝外，防止護埂處的降雨因滴濺進人小區(qū)內(nèi)部，影響觀測精度。集流槽斷面為矩形，采用混凝土結(jié)構(gòu)，表面用M10的水泥砂漿抹面，中部通過引水管與分流、集流設(shè)備相連，槽底部設(shè)計為兩側(cè)向中間傾斜的形式，坡度為0.03，便于水流向引水口集中和減少泥沙淤積。集流槽中的水位應(yīng)低于頂部5～8 cm，防止水流外溢和滴濺。分流桶、集流桶采用1.2 mm鍍鋅板焊接而成，頂部加蓋、加鎖，分流桶的分流孔采用鋼管焊接在分流桶外壁，選擇中間一孔將分流水量引入下一分流桶或集流桶中。分流桶、集流桶底部連接鋼管，并安裝閥門，作為排水孔。

2.2.4 人工模擬降雨大廳設(shè)計

人工模擬降雨大廳跨度40.00 m，總降雨面積800 m2，是我國首個全自動控制的人工模擬降雨大廳，也是南方降雨面積最大的模擬降雨系統(tǒng)。為使模擬的降雨接近天然降雨，并且可以模擬從小雨到暴雨以及幾十年一遇的大暴雨等各種雨型，縮短實驗周期，以盡快出科研成果，本次設(shè)計對大廳高度、遮雨槽系統(tǒng)以及為滿足降雨均勻度的組合噴頭的設(shè)計進行優(yōu)化。(1)大廳高22.50 m，確保雨滴達(dá)到勻速的降落高度；(2)為解決人工模擬降雨初期和末期降雨不均勻問題，在降雨噴頭的下方設(shè)計了遮雨槽系統(tǒng)；(3)為確保降雨強度與壓力的對應(yīng)關(guān)系，確保雨滴均勻，高壓下不霧化，設(shè)計了大、中、小3種噴頭進行組合設(shè)計，并根據(jù)水泵壓強大小進行了率定。最終降雨大廳劃分為4 個獨立的降雨區(qū)，采用目前世界上最為先進的垂直下噴式噴頭模擬自然降雨及閉環(huán)自動控制技術(shù)，配備以高靈敏雨量計和多參量數(shù)據(jù)采集器，以終端實際降雨參數(shù)調(diào)節(jié)控制整個降雨過程，并可實時在線顯示模擬降雨的動態(tài)變化及曲線。

2.2.5 LID設(shè)計

全園將LID(Low Impact Development)理念與生態(tài)景觀相融合，盡可能以原有地形和植被為基礎(chǔ)，搭配景觀水保樹種、水生植物，完善園區(qū)健康生態(tài)環(huán)境，連通原有水系，規(guī)劃人工濕地，發(fā)揮攔蓄、儲存、滲透、蒸發(fā)的作用，同時通過LID BMPs策略對水質(zhì)進行凈化處理，滿足中水回用和水景觀水循環(huán)的需求；對建筑物屋頂、墻面、連廊等進行立體綠化，設(shè)置生態(tài)停車場、生態(tài)路渠，并結(jié)合雨水最佳管理措施，滿足園區(qū)生態(tài)建設(shè)的要求。

3 實施后主要成效

(1)項目實施后，科技園植被覆蓋度達(dá)到80%以上，植被得到有效恢復(fù)和重建，生態(tài)景觀顯著改善，各色景觀有機結(jié)合，相得益彰，生態(tài)效益顯著。輻射與帶動興國、修水、南豐、泰和等10余個全省各具特色的水土保持科研基地發(fā)展，涵蓋了的江西省主要侵蝕類型區(qū)和防治區(qū)劃，主要山地農(nóng)業(yè)發(fā)展方向以及崩崗、坡耕地等特殊紅壤侵蝕研究基地的建設(shè)。

(2)工程建成后，成功申報了全國水土保持科技人才培訓(xùn)教育基地和全國水土保持科普教育宣傳基地，不僅提高了水土保持從業(yè)人員的技術(shù)水平，為水土保持生態(tài)建設(shè)提供人才支撐，而且增強和擴大了水土保持宣傳教育能力和效果，提高了社會和公眾的水土保持意識和國策觀念，同時也成為了我國水土保持生態(tài)建設(shè)的窗口、機制創(chuàng)新和改革發(fā)展的示范、人與自然和諧相處的典型。

(3)科技園也逐漸成為我國南方乃至亞熱帶地區(qū)水土保持科學(xué)試驗和研究的中心。先后因之立項科研課題171項，立項經(jīng)費達(dá)6 910萬元，獲各類國家專利15項，發(fā)表國際論文29篇，大大增強了鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的水土保持科研創(chuàng)新能力，為鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)及南方水土保持生態(tài)建設(shè)提供科技支撐。