南方紅壤丘陵區(qū)坡面小型生態(tài)蓄排工程設(shè)計與應(yīng)用—以安吉縣和村等5條小流域為例

張靜雯，王電杰

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.杭州大地科技有限公司，浙江 杭州 310013）

1 問題的提出

中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會中習(xí)近平總書記明確指出，要加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度。實施重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)重大工程，優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系，構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性；開展國土綠化行動，推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理，強化濕地保護和恢復(fù)，加強地質(zhì)災(zāi)害防治。這是繼十八大以來，黨中央又一次把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)五位一體的總布局，明確生態(tài)文明建設(shè)的重要性。

根據(jù)《全國水土保持區(qū)劃（試行）》，我國共分為8個一級區(qū)，其中南方紅壤區(qū)涉及上海、江蘇、浙江、福建、安徽、江西等省市，土地總面積約124萬km2，約占全國土地總面積的12.9%[1]。南方紅壤區(qū)涉及的省市是我國重要的糧食、經(jīng)濟作物和水果生產(chǎn)基地，加之南方紅壤區(qū)具有獨特的自然條件，山地丘陵交錯、地形起伏較大、土壤可蝕性高、降雨量多而集中[2]，導(dǎo)致其成為我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，區(qū)內(nèi)水土流失面積約16萬km2。對南方紅壤區(qū)進行水土流失治理是全國水土保持的工作重點之一，有助于改善全國的水土流失現(xiàn)狀，是推動全國生態(tài)文明建設(shè)的主要抓手。

南方紅壤區(qū)內(nèi)人地矛盾突出、土地資源寶貴，人民群眾為提高土地的利用效率，大量開墾山地種植經(jīng)濟作物，為了提高經(jīng)濟作物的經(jīng)濟效益，在林下大規(guī)模施肥、使用除草劑等。人為活動降低了林下植被的覆蓋度、導(dǎo)致坡面裸露，加之南方紅壤區(qū)降雨量大而集中、降雨沖刷地表力強，坡面缺少有序的蓄排水工程，地表徑流攜帶大量泥沙進入下游河道，不僅產(chǎn)生水土流失，也容易產(chǎn)生面源污染、影響下游水體水質(zhì)。因此在經(jīng)濟林地內(nèi)開展水土流失治理，是南方紅壤區(qū)水土流失治理工作中的重點。

治理經(jīng)濟林地內(nèi)水土流失，以控制徑流量為重點，主要途徑是在經(jīng)濟林地內(nèi)配套有效的坡面截、排、蓄水措施[3]，將坡面徑流導(dǎo)入設(shè)定好的排水系統(tǒng)，從源頭上避免水流無序流動、沖刷地表造成水土流失；在排水溝沿線、轉(zhuǎn)彎處、坡度較大處等位置設(shè)置分級沉沙池，減緩水流流速、沉淀徑流中的泥沙含量，同時起到一定的蓄水作用，方便農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活。傳統(tǒng)的坡面蓄排工程以混凝土、漿砌塊石、磚砌等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，此類結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定、耐用，但是生態(tài)性較差、施工難度相對較大，大量布設(shè)容易破壞當(dāng)?shù)刈匀痪坝^。在大力推進生態(tài)文明建設(shè)的新要求下，需要進一步改善傳統(tǒng)的坡面蓄排工程，提升工程的生態(tài)性。本文以安吉縣和村等5條小流域為例，提出幾種不同類型的坡面小型生態(tài)蓄排工程結(jié)構(gòu)，并對其優(yōu)缺點進行探討，以期供同類項目參考。

2 項目背景

和村等5條小流域所在的浙江省安吉縣屬于南方紅壤丘陵區(qū)，小流域地處安吉縣杭垓鎮(zhèn)東北部，下游為重要飲用水水源賦石水庫，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，上游不合理的人為活動造成小流域水土流失加劇，水土流失夾帶大量泥沙和有機物質(zhì)，進入下游溝道，不僅容易淤積下游水庫、縮短水庫使用壽命，而且導(dǎo)致水庫出現(xiàn)季節(jié)性富氧化的現(xiàn)象。

小流域內(nèi)主要河道為中潭溪、西溪，下游為賦石水庫，流域總面積34.97 km2，流域主要涉及杭垓鎮(zhèn)和村、松坑村2個行政村。小流域?qū)偕降厍鹆甑孛?，為北亞熱帶季風(fēng)區(qū)，多年平均氣溫15.5 ℃，多年平均降水量1 534 mm，和村等5條小流域現(xiàn)有水土流失總面積15.18 km2，土壤侵蝕強度以輕度和中度為主，平均侵蝕模數(shù)為1 300 t/（km2· a）[4]。

小流域內(nèi)的水土流失主要集中在板栗林、毛竹林和茶園等經(jīng)濟林內(nèi)，合理的全面整地墾復(fù)、頻繁的淺鋤淺耕，使林下植被遭到破壞、土壤裸露，存在一定程度的水土流失；經(jīng)濟林地種植時長期使用速效氮肥和化學(xué)除草劑，導(dǎo)致林下生物多樣性破壞、土壤板結(jié)、水源涵養(yǎng)能力減弱，化肥農(nóng)藥隨水土流失進入下游水庫，影響水庫水質(zhì)。

為了治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、保護飲用水源，對安吉縣和村等5條小流域?qū)嵤┤娴乃亮魇ЬC合治理工程。小流域水土流失綜合治理建設(shè)內(nèi)容由水土保持林、經(jīng)濟林、封育治理、坡面蓄排水工程、溪溝整治和生產(chǎn)便道及道路排水溝工程共6個部分組成，其中坡面蓄排水工程主要包括：截水溝、排水溝、沉沙池、沉沙井、蓄水池、生產(chǎn)道路排水溝。

3 坡面蓄排工程設(shè)計

3.1 排水溝設(shè)計

排水溝用于排除截水溝匯集的地表徑流，基本沿干溝和主要支溝方向分布，一般布設(shè)在坡面截水溝的兩端或較低一端，其終端連接蓄水池或天然排水道。排水溝在坡面上的比降，根據(jù)其排水去向的位置（蓄水池或天然排水道）而定。

流域內(nèi)排水溝主要集中在茶園、板栗林、毛竹林內(nèi)，排水溝的斷面形狀可根據(jù)實際選用梯形或“U”型斷面，排水溝縱坡比降應(yīng)根據(jù)溝線、地形、地質(zhì)及與截水溝連接等因素確定。當(dāng)縱坡大于10%時，通過沉沙井進行消能。

根據(jù)排水溝位置的地形地貌、降雨徑流情況等，分別選取不同類型的排水溝。排水溝襯砌材料除選用傳統(tǒng)的磚砌、漿砌片石、混凝土預(yù)制槽外，還選擇了新型的、便于施工、較為生態(tài)的襯砌材料：植草磚、土工膜、土工網(wǎng)、草席等。排水溝尺寸斷面根據(jù)其上游匯水面積確定，經(jīng)過洪峰流量計算后，設(shè)計的排水溝底寬為40 ～ 60 cm，溝深40 cm，能夠滿足排導(dǎo)上游匯水流量的要求，排水溝設(shè)計見圖1 ～ 5。

圖1 U型槽排水溝設(shè)計圖 單位：mm

圖2 植草磚排水溝設(shè)計圖 單位：mm

圖3 土工網(wǎng)排水溝設(shè)計圖 單位：mm

圖4 土工膜排水溝設(shè)計圖 單位：mm

圖5 混凝土排水溝設(shè)計圖 單位：mm

3.2 沉砂池設(shè)計

沉沙池布設(shè)在蓄水池進水口的上游附近和排水溝出口，以降低流速的方式使水流攜帶泥沙沉降，減少入河泥沙。沉沙池的具體位置，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦魏凸こ虠l件確定，可以緊靠蓄水池，也可與蓄水池保持一定的距離。項目根據(jù)流域的地形地貌、降雨徑流情況等，分別選取不同類型的沉沙池。

3.2.1 磚砌沉沙池

磚砌沉沙池墻體厚24 cm，墻內(nèi)兩面和底部表面均采用M15砂漿抹面，底板采用C20混凝土加強防滲性能。傳統(tǒng)的磚砌沉沙池硬化程度較高、耐久性好，但容易影響周邊的自然生態(tài)景觀。磚砌沉沙池見圖6。

圖6 磚砌沉沙池設(shè)計圖 單位：mm

3.2.2 生態(tài)沉沙池

為增加沉沙池的生態(tài)性，還設(shè)計了生態(tài)袋沉沙池、竹編沉沙池。生態(tài)袋沉沙池是利用生態(tài)袋作為沉沙池的襯砌材料、逐層、錯位碼放，沉沙池底寬0.75 m，邊坡比1:0.5，池深1.00 m。竹編沉沙池利用竹竿編制成片，作為沉沙池的襯砌材料，沉沙池為圓形，半徑1.00 m左右，池深1.00 m。生態(tài)袋、竹編沉沙池設(shè)計見圖7 ～ 8。

圖7 生態(tài)袋沉沙池設(shè)計圖 單位：mm

圖8 竹編沉沙池設(shè)計圖 單位：mm

4 不同類型坡面蓄排工程的探討

不同類型的坡面蓄排工程按照襯砌材料分為硬質(zhì)材料和生態(tài)材料2種，對其各自的優(yōu)缺點、適用范圍及條件進行探討。

4.1 排水溝

4.1.1 硬質(zhì)排水溝

硬質(zhì)排水溝主要指使用磚塊、塊石、混凝土、預(yù)制U型槽等作為襯砌材料的工程，此類排水溝抗沖刷性、穩(wěn)定性、耐用性較好，適用于匯水面積較大、洪峰流量較大、坡度大、沖刷力強的溝道，多布設(shè)在坡面的中下部位和主干溝道。在生產(chǎn)道路一側(cè)布設(shè)排水溝時，多采用硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，以滿足車輛碾壓的要求。硬質(zhì)排水溝修建完成后可長期使用，不容易被破壞。

硬質(zhì)截排水溝生態(tài)性相對較差，不利于與周邊的自然景觀融合，施工難度相對較大、成本較高、工期較長。由于南方紅壤區(qū)土壤主要是由花崗巖母質(zhì)發(fā)育而來，土壤表層疏松，土石山區(qū)地表多以風(fēng)化嚴(yán)重的石塊組成[5]，對于整體式、現(xiàn)澆的硬質(zhì)排水溝而言，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，但是由于預(yù)制U型槽排水溝分節(jié)處存在接縫，容易受沖刷引起斷裂，繼而導(dǎo)致工程受損，且不易維修，不適宜在南方土石山區(qū)沖刷嚴(yán)重的坡面使用。

4.1.2 生態(tài)排水溝

生態(tài)排水溝指使用土工膜、土工網(wǎng)、草席、植草磚等作為襯砌材料的工程，此類排水溝就地取材，成本低廉、施工難度低、工期短，除了具有傳統(tǒng)的排水功能，也有利于溝內(nèi)、溝邊植被的生長；此類排水溝抗沖性及耐久性較差，長期使用容易淤積且受損，喪失其排水功能。生態(tài)排水溝可用于山坡中山部、洪峰流量較小、沖刷力較弱的支毛溝內(nèi)。

在生態(tài)排水溝中，植草磚排水溝的排水效果、生態(tài)性、結(jié)構(gòu)耐久性能最優(yōu)。植草磚底部鋪設(shè)碎石墊層，溝內(nèi)種植草本植物，磚體間的空隙利于植被生長，其根系可進一步增加土壤入滲、涵養(yǎng)水源、攔蓄泥沙，比單純的硬質(zhì)排水溝更有利于水土保持，同時植物的根系可起到固定排水溝的作用，提高排水溝的使用壽命。

4.2 沉沙池

4.2.1 硬質(zhì)沉沙池

硬質(zhì)沉沙池采用磚、塊石或混凝土砌筑，材料的耐久性能更優(yōu)，池體的容積可根據(jù)需要進行設(shè)置，能夠滿足大量儲水的要求，池體內(nèi)淤積的泥沙容易清理；但是其施工成本較高、難度大，且不利于周邊植被的生長，容易影響周邊自然景觀。

4.2.2 生態(tài)沉沙池

生態(tài)沉沙池襯砌材料可因地制宜、就地取材，常見的有竹編沉沙池、生態(tài)袋沉沙池等。竹編沉沙池利于苔蘚植被的生長，容易與林內(nèi)的植被融為一體，但是經(jīng)過長時間的浸泡竹片容易被損壞，影響沉砂效果；另外竹片之間空隙較大，池內(nèi)水體容易出現(xiàn)下滲、側(cè)滲的現(xiàn)象，不利于當(dāng)?shù)厝罕姷娜∷?、用水?/p>

相較之下生態(tài)袋沉沙池的實用性更優(yōu)，與植草磚排水溝原理類似，生態(tài)袋內(nèi)裝有種植土，有利于草本植物生長，植被根系不僅可以固定生態(tài)袋，也可以起到蓄水?dāng)r沙的作用，裝有種植土的生態(tài)袋材質(zhì)更為堅硬，其防滲性能較好，可以起到一定的蓄水效果，也利于長期儲存。

生態(tài)沉沙池適宜用于山坡中上部，布設(shè)在排水溝沿線，以沉淀排水溝泥沙為主要目的，兼顧儲存少量水分，沉沙池適用年限相對較短，不利于淤積物的清理。硬質(zhì)沉沙池適用于排水出口、沖刷較強的區(qū)域，可儲存較多水分，兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

治理南方紅壤區(qū)的水土流失是全國水土保持的工作重點之一，而南方紅壤區(qū)水土流失主要集中在經(jīng)濟林地，其特有的地形地貌、氣象水文條件、經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定了其獨特的水土流失特點及成因。在南方紅壤區(qū)開展小流域水土流失綜合治理時，應(yīng)根據(jù)不同部位的水土流失特點，綜合考慮人民群眾的實際需求，采用不同類型的坡面蓄排工程，使其既能滿足水土保持要求，也更利于生態(tài)，易于操作，便于推廣。坡面小型生態(tài)蓄排工程成本低廉，可以鼓勵當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)地建設(shè)各類坡面小型蓄排引水工程，開展經(jīng)濟林內(nèi)水土流失治理工作，促進生態(tài)文明建設(shè)。