以子洲縣牛薛溝村為例探析黃土高原新時(shí)期水保對(duì)策

尚文斌

(榆林市淤地壩建設(shè)辦公室，陜西 榆林 719000)

由于土質(zhì)疏松、植被稀疏，黃土高原區(qū)一直是我國水土流失重點(diǎn)防御區(qū)。近年來，隨著氣候環(huán)境的變化，黃土高原區(qū)農(nóng)民對(duì)生活生產(chǎn)提出了更高的要求。如何兼顧生態(tài)保護(hù)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為新時(shí)期黃土高原區(qū)水保治理的新課題，現(xiàn)以子洲縣三川口鎮(zhèn)牛薛溝村水保治理為例進(jìn)行研究探討。

1 概況

牛薛溝村位于子洲縣西北部，為黃土丘陵溝壑區(qū)，項(xiàng)目區(qū)總?cè)丝?10人，人均基本農(nóng)田1.55畝。項(xiàng)目區(qū)屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，多年平均降水量449.5 mm。自然植被主要以旱生草灌為主，植被覆蓋率為36.76%。

2 存在問題

2.1 水保措施有待完善

牛薛溝村地貌類型以丘陵梁峁、溝壑為主,溝壑密度為4.9 km/km2，土壤類型主要有黃土、黃沙土等，吸水保土能力差。以前只顧保水保土，且水保方法大多為淤地壩建設(shè)，措施單一，沒有兼顧農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，所以必須給予完善。

2.2 坡耕地面積比例大，防水保土能力有限

牛薛溝村坡耕地面積占比大，收益水平低，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)廣種薄收的耕作方式并未得到有效改變，致使廣大農(nóng)民群眾的經(jīng)濟(jì)收入始終在貧困線上波動(dòng)，所以必需加快實(shí)施坡耕地水土流失綜合治理項(xiàng)目。

2.3 蓄水灌溉能力弱

水在黃土高原區(qū)較為珍貴。近年來，黃土高原區(qū)年降雨有所增加，但項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沒有大型水利設(shè)施，蓄水工程較少，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件不高，灌溉設(shè)施配套不完善，必須因地制宜地進(jìn)行水窯、淤地壩建設(shè)，加強(qiáng)水量儲(chǔ)備。

3 新時(shí)期水保對(duì)策

項(xiàng)目區(qū)面臨的問題在黃土高原區(qū)具有典型代表性。根據(jù)實(shí)施區(qū)實(shí)際情況，現(xiàn)以村莊為中心，以道路為骨架，由近及遠(yuǎn)，集中布設(shè)梯田，同時(shí)規(guī)劃谷坊、淤地壩和水窖、排洪設(shè)施，進(jìn)行攔泥淤地、蓄水灌溉、排洪泄洪，在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí)，又兼顧生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水土流失治理。

3.1 梯田工程設(shè)計(jì)

按照規(guī)劃目標(biāo)，在牛薛溝村20°以下坡耕地上修筑水平梯田1061畝。水平梯田的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇3 h最大暴雨54.0 mm，一般減少徑流90%，減少泥沙95%以上。水平梯田面寬、田坎高和田坎側(cè)坡之間的關(guān)系見圖1。

圖1 各預(yù)測(cè)單元新增水土流失量占比

圖1 坡改梯典型斷面示意圖

田坎側(cè)坡的選定，以田坎側(cè)坡穩(wěn)定、少占地為原則。地面坡度越陡，田坎越高，田坎外側(cè)坡越緩。在進(jìn)行田面平整后，還需人工修筑、夯實(shí)蓄水埂。本項(xiàng)目區(qū)修建土坎水平梯田涉及16個(gè)圖斑，典型設(shè)計(jì)田坎坡度β=70°，田面寬B=20 m，單位蓄水埂長攔蓄容積等于單位蓄水埂長來水量，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 單位蓄水埂長集水面積來水量及斷面尺寸計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，按照水平梯田的設(shè)計(jì)防汛標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇3 h最大暴雨，蓄水埂埂內(nèi)蓄水深0.025 m就能滿足，根據(jù)實(shí)際勘踏和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，蓄水埂埂高h(yuǎn)取0.3 m，頂寬d取0.3 m。

蓄水埂土方量：V2=W2×L

式中：L為田坎長度。

表土剝離土方量：V3=W3×Δd

式中：W3為耕作田塊總面積，Δd為表土剝離厚度，取0.15 m。土地平整總土方量為各土方量之和。土坎水平梯田設(shè)計(jì)見表2。

表2 工程措施單項(xiàng)設(shè)計(jì)圖斑匯總表(土坎水平梯田)

3.2 谷坊工程設(shè)計(jì)

在該項(xiàng)目區(qū)修建54座土谷坊并維修17座，與溝道內(nèi)的現(xiàn)狀淤地壩、溝頭防護(hù)溝壑治理措施相互配合，以收到共同控制溝壑侵蝕的效果。谷坊工程的防御標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇3 h最大暴雨設(shè)計(jì)，根據(jù)溝道比降，從上而下初步擬定每座谷坊位置，使得下一座谷坊的頂部大致與上一座基部相等。

在牛薛溝村現(xiàn)狀壩上游，支溝道比降比較大(7%～10%)，溝岸擴(kuò)張劇烈，在其上游兩條小支溝里分別布設(shè)谷坊1#～谷坊54#，形成谷坊群，制止坡面黃土順坡流失，穩(wěn)定溝坡。

(1)土谷坊斷面尺寸的確定

根據(jù)溝道比降，溝床寬窄，徑流泥沙大小，來確定谷坊的斷面尺寸，從上而下初步擬定每座谷坊位置，使得下一座谷坊的頂部大致與上一座基部相等。土谷坊壩體斷面按照10年洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定，項(xiàng)目區(qū)洪水總量采用推薦的推理公式計(jì)算，公式如下：

WP=0.1aH24PF

式中：WP為頻率為P的設(shè)計(jì)洪水總量，萬m3；a為洪水徑流系數(shù)查《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》；H24P為頻率為P的項(xiàng)目區(qū)中心點(diǎn)24小時(shí)暴雨量，mm；F為工程控制集水面積，km2。

由于區(qū)內(nèi)無水文資料，故采用年最大24 h暴雨量推求各頻率的設(shè)計(jì)暴雨量，不同頻率24 h暴雨量計(jì)算采用公式為：

H24P=KPH24

式中:H24P為頻率為P的24小時(shí)暴雨量，mm；KP為模比系數(shù)；H24為多年最大24小時(shí)暴雨均值，mm。

由《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》(年24小時(shí)雨量變差系數(shù)(CV)等值線圖)查得CV=0.67；查得(多年最大24 h降雨量等值線圖)H24=54 mm；查得頻率為10%的KP值。

54座谷坊典型設(shè)計(jì)方案，頂長25.5 m～54 m，頂寬4 m，底寬18.85 m～22.15 m，高4.5 m～5.5 m，迎水坡比1∶1.5,背水坡比1∶1.5,谷坊開挖土方4071 m3，回填土方127567 m3。谷坊斷面典型設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 谷坊斷面設(shè)計(jì)圖

3.3 排洪渠工程設(shè)計(jì)

為降低洪水對(duì)上游淤泥面居民住宅安全隱患，同時(shí)減少壩地水漬、鹽堿面積，增加壩地利用率。設(shè)計(jì)在主溝道溢洪道進(jìn)口段上游左岸淤泥面開挖一條底寬5.0 m，深4.50 m，比降1∶500，兩側(cè)坡比均為1∶1.5，長1485 m的梯形斷面土質(zhì)主排洪渠；在支溝道溢洪道進(jìn)口段上游左岸淤泥面開挖一條底寬3.0 m，深2.0 m，比降1∶500，兩側(cè)坡比均為1∶1.5，長225 m的梯形斷面土質(zhì)支排洪渠。

在項(xiàng)目區(qū)壩內(nèi)左岸布設(shè)主排洪渠，在支溝內(nèi)布設(shè)支排洪渠。主排洪渠斷面采用梯形，結(jié)構(gòu)為土質(zhì)，根據(jù)試算法，當(dāng)?shù)讓挒?.0 m，兩側(cè)邊坡坡比為1∶1.5，水深為3.98 m時(shí)可以滿足排洪要求，排洪渠深取4.50 m，兩側(cè)設(shè)土堤，堤頂寬2.0 m，兩側(cè)邊坡為1∶1.50，底寬8.0 m，兩側(cè)邊坡坡比為1∶1.5。

支排洪渠斷面采用梯形，結(jié)構(gòu)為土質(zhì)，根據(jù)試算法，當(dāng)?shù)讓挒?.0 m，兩側(cè)邊坡坡比為1∶1.5，水深為1.48 m時(shí)可以滿足排洪要求，排洪渠深取2.0 m，底寬3.0 m，兩側(cè)邊坡坡比為1∶1.5。

3.4 集雨水窖工程設(shè)計(jì)

該地區(qū)降水地表徑流不但導(dǎo)致了干旱缺水，而且還造成了嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。在項(xiàng)目區(qū)修建蓄水水窖聚集汛期的降水，通過對(duì)降水的時(shí)空調(diào)節(jié)，既能夠緩解早期的灌溉需要，又可達(dá)到控制水土流失之效。項(xiàng)目區(qū)水窖布設(shè)在原有生產(chǎn)道路路旁等有足夠地表徑流來源的地方。窖址要有深厚堅(jiān)實(shí)的土層，距溝頭、溝邊20 m以上，距大樹根10 m以上。水窖形式選擇壇形池式和鋼筋砼矩形，其中窯式壇形池式單窖容量為80 m3。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)經(jīng)濟(jì)林地立地條件，項(xiàng)目區(qū)地表徑流量，規(guī)劃在該區(qū)宜修20眼80 m3矩形池式水窖。

窖體由水窖、池頂、沉砂池三部分組成。水窖(蓄水部分)為矩形池，斷面為寬4.0 m，長8.0 m，深2.5 m，容積為80 m3；基礎(chǔ)為3∶7灰土墊層，池底為15 cm厚C25鋼筋砼，側(cè)墻為37 cm厚M7.5漿砌磚結(jié)構(gòu)，頂板為20 cm C25鋼筋砼。進(jìn)水管、上水管、溢流管均采用PVC管，根據(jù)提水揚(yáng)程和流量確定小型潛水泵泵型。在雨水進(jìn)入水窖之前布設(shè)沉沙池，池體呈矩形，長2 m，寬1.0 m，高1.0 m。沉沙池與進(jìn)水管連接處設(shè)置攔污柵，防止雜物流入。

3.5 槐樹溝淤地壩工程設(shè)計(jì)

槐樹溝淤地壩始建于20世紀(jì)90年代，由土壩和土質(zhì)溢洪道兩大件組成，如遇暴雨洪水無法排泄，壩體存在安全隱患，嚴(yán)重威脅著下游農(nóng)田及道路的安全，必須新建泄洪設(shè)施和加高壩體。根據(jù)實(shí)際情況，本次加固后壩頂寬為4.0 m，上游壩坡坡比為1∶1.50，下游坡比為1∶1.50，采用壩前式加壩，擬加高大壩3.0 m。加高后壩頂高程為981.00 m，壩頂長為37.0 m。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，槐樹溝淤地壩原壩高為12.0 m，壩體壩坡符合設(shè)計(jì)要求，外壩坡有部分沖溝。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算，對(duì)原壩進(jìn)行加高3.0 m，壩址右岸土料豐富，其儲(chǔ)量和性質(zhì)均滿足筑壩要求，取土運(yùn)距約60 m，取土條件便利，按照因地制宜、就地取材的原則，將壩型確定為碾壓均質(zhì)土壩，同時(shí)加固壩體、新建溢洪道。

按碾壓筑壩土料指標(biāo)，其粘粒含量為10.2%，塑性指數(shù)為12，滲透系數(shù)為1×105cm/s，有機(jī)質(zhì)含量<5%，水溶鹽含量<5%，天然干容重為1.45 t/m3，土粒比重為2.7，含水量為16%，實(shí)地勘測(cè)，選擇兩岸壩肩以上的土料，能夠滿足碾壓筑壩施工的要求。該工程土場(chǎng)的位置高出設(shè)計(jì)壩高，壩基和兩岸滿足防滲要求，筑壩土料指標(biāo)符合要求，且水源貧乏，因此施工方法采用機(jī)械回填碾壓法筑壩。該壩20 a一遇洪水總量為1.40萬m3，50 a一遇洪水總量為2.08萬m3。

3.6 配套措施設(shè)計(jì)

在建設(shè)梯田工程的同時(shí)，配套新修生產(chǎn)道路30 km，田間道路16 km。增加梯田植物護(hù)埂面積26.42 hm2，谷坊植物護(hù)埂面積10.53 hm2，所植植被均為經(jīng)濟(jì)草木，既可護(hù)坡固埂，減少雨水沖刷，防止垮塌，又可增加經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié)語

黃土高原區(qū)地形支離破碎，侵蝕模數(shù)大，有效治理水土流失，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是新時(shí)期群眾的生產(chǎn)生活需要。本文通過對(duì)子洲縣牛薛溝村水保項(xiàng)目建設(shè)方案的探討，得出新時(shí)期黃土高原水保項(xiàng)目建設(shè)，要采取梯田、谷坊、排洪渠、集雨水窖、淤地壩相結(jié)合的水保治理設(shè)計(jì)圖，只有這樣，才能達(dá)到綜合治理的效果。