隴東黃土高原水土流失與地質(zhì)災(zāi)害生態(tài)化治理策略

張仲福，夏 凱

(甘肅工程地質(zhì)研究院，甘肅 蘭州 730000 )

隴東黃土高原位于我國黃土高原的腹部，是黃河流域的重要組成部分。隴東黃土高原以黃土塬、黃土殘塬、黃土丘陵為主，區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，地形地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國水土流失最大最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是黃河泥沙的主要輸入?yún)^(qū)之一[1]，是我國黃土高原四大泥石流高易發(fā)區(qū)之一[2]。嚴(yán)重的水土流失水土流失和由此形成的崩塌、滑坡、泥流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響著區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。新中國成立以來，隴東地區(qū)持續(xù)推進(jìn)水土保持和地質(zhì)災(zāi)害防治工程，區(qū)域生態(tài)環(huán)境有了顯著的改善。但水土流失形成的土地沙漠化和地質(zhì)災(zāi)害等生態(tài)環(huán)境問題依然嚴(yán)峻。

黨的十八大報告明確指出，要把生態(tài)建設(shè)放在突出地位，融入經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會建設(shè)各方面和全過程，努力建設(shè)美麗中國，實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展。甘肅省也把科學(xué)推進(jìn)隴東黃土高原區(qū)的水土流失綜合治理列為加強(qiáng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的主要內(nèi)容之一和“十四五”推進(jìn)隴東黃土高原“固溝保塬”綜合治理的重要工作。

本文將從隴東黃土高原水土流失和崩塌、滑坡、泥石流的成因分析入手，厘清水土流失與崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系，在分析總結(jié)隴東地區(qū)近60年的水土保持工作和地質(zhì)災(zāi)害防治成果經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出統(tǒng)籌規(guī)劃隴東黃土高原區(qū)水土流失與地質(zhì)災(zāi)害防治的思路，針對性的小流域生態(tài)化治理措施和防治對策。

1 水土流失與崩塌、滑坡、泥石流的關(guān)系

1.1 水土流失的類型

水土流失是在水力、重力、風(fēng)力等外力作用下導(dǎo)致水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失。水土流失按照其侵蝕營力劃分為水力侵蝕、重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、人為侵蝕四大類。隴東黃土高原區(qū)的因其季節(jié)性降雨集中、質(zhì)地疏松的黃土分布和復(fù)雜的地形地貌及歷史時期掠奪性植被破壞，致使區(qū)域水土流失以水力侵蝕和重力侵蝕為主。

1.1.1 水力侵蝕

隴東地區(qū)的年降水量一般在400～600 mm，主要集中于每年在6-9月，約占全年降水量的 60%～75%，且多以短歷時的大雨、暴雨、特大暴雨等侵蝕性降雨為主，季節(jié)性降水強(qiáng)烈。侵蝕性降雨引發(fā)的水土流失，其作用方式為面蝕、溝蝕、潛蝕、溯源侵蝕和沖蝕。侵蝕性降雨形成的徑流是黃土高原水土流失不斷發(fā)展的主要動力因素。馬蘭黃土的特征和各項物理力學(xué)性質(zhì)很難克服水對它的破壞作用。馬蘭黃土斜坡的上部降雨匯流以面蝕、溝蝕為主，形成黃土斜坡的紋溝、細(xì)溝和坡面濺蝕麻坑等，其侵蝕強(qiáng)度小；而在黃土斜坡的中下部降雨匯流則以溝蝕、沖蝕為主，其沖刷破壞強(qiáng)烈，這是降水匯流侵蝕的主要方式。沖溝的進(jìn)一步發(fā)展就會形成深切的V型和U型溝谷，為區(qū)域山洪、泥流形成提供了有利的地形和豐富的物源。

1.1.2 重力侵蝕

在黃土高陡斜坡或黃土溝谷兩側(cè)的陡直岸坡，多以重力侵蝕為主，常常形成崩塌、滑坡、瀉溜等不良地質(zhì)現(xiàn)象或發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，也加速了流域溝道的水土流失。黃土斜坡的坡度是發(fā)生重力侵蝕的控制性因素，溝坡坡度一般大于40°就可能發(fā)生小型的重力侵蝕[3]。而降雨、巖土風(fēng)化、地震、人為工程活動等都是重力侵蝕的觸發(fā)因素，黃土地區(qū)的重力侵蝕最多的觸發(fā)因素是降雨。據(jù)楊吉山等的研究，溝坡上的重力侵蝕提供的泥沙占整個坡面總產(chǎn)沙量的42%以上[4]。黃土溝坡重力侵蝕堆積物為溝道發(fā)生泥流提供了主要物源。

1.1.3 風(fēng)力侵蝕

風(fēng)力侵蝕為風(fēng)力沖蝕地表土體，形成風(fēng)蝕條痕和移動沙丘等土地沙漠化現(xiàn)象。沙漠化導(dǎo)致土地退化，土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤養(yǎng)分流失，隨之而來的農(nóng)牧業(yè)減產(chǎn)，沙塵天氣的增多，生態(tài)環(huán)境的惡化。隴東地區(qū)的土地沙漠化主要分布在環(huán)縣北部，土地沙化面積3 600 km2，占總面積的8.57%，屬中等沙漠化[5]。目前，隴東西北部沙線南移，沙漠化趨勢加速[6]。

1.1.4 人為侵蝕

人類不合理的工程活動對表層巖土體結(jié)構(gòu)的破壞主要表現(xiàn)為：不科學(xué)削坡建房、陡坡墾荒，亂砍濫伐森林等，這些工程活動促進(jìn)了水土流失的發(fā)生、發(fā)展。

1.2 水土流失與崩塌、滑坡、泥石流的相互關(guān)系

從本質(zhì)上講，水土流失是一種地質(zhì)現(xiàn)象，是大氣降水和地面流水對地表物質(zhì)侵蝕、搬運(yùn)和沉積過程[7]。從地質(zhì)學(xué)的角度看，水土流失進(jìn)一步發(fā)展往往形成了土地沙漠化災(zāi)害和崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象或崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。因此，自然斜坡發(fā)生的崩塌、滑坡、泥石流是區(qū)域水土流失發(fā)展到嚴(yán)重階段的一種表現(xiàn)形式及結(jié)果[8]。隴東黃土高原區(qū)表層的馬蘭黃土結(jié)構(gòu)疏松，區(qū)域地形破碎、溝谷發(fā)育，侵蝕性降雨集中且強(qiáng)度大，為區(qū)域內(nèi)的水土流失和崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象及其災(zāi)害的形成提供了條件。因此，隴東黃土高原區(qū)的水土流失與崩塌、滑坡、泥流是一種互為因果、互為促進(jìn)、互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系。經(jīng)隴東地區(qū)土壤侵蝕遙感監(jiān)測資料與地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯對比分析得出，隴東黃土高原區(qū)的水土流失嚴(yán)重區(qū)也是區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的高易發(fā)區(qū)(表1)。

1.2.1 崩塌、滑坡與水土流失

隴東黃土高原長期遭受水土侵蝕切割， 塑造了黃土塬、黃土殘塬、黃土梁峁和黃土溝谷等多種地貌形態(tài)。在侵蝕性降雨下，地表土體的侵蝕量與坡度成正相關(guān)，即坡度越大， 水土流失越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，隴東地區(qū)的不穩(wěn)定斜坡坡度在天然狀態(tài)下主要分布于20°～70°間。其中，坡度在25°以下的斜坡約占所有斜坡的25%； 坡度在25°～40°間的斜坡占主導(dǎo)地位，占所有斜坡的48%；坡度在40°～60°間的斜坡占27%。調(diào)查表明，隴東地區(qū)的崩塌、滑坡多發(fā)生于坡度大于25°的斜坡上。其中，坡度大于40°的溝谷斜坡易發(fā)生黃土崩塌；而山坡坡度25°～40°多發(fā)生黃土滑坡[9]。水土流失可以使黃土斜坡穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生崩塌、滑坡或老滑坡復(fù)活；崩塌、滑坡堆積物又為泥石流、水土流失的發(fā)生發(fā)展提供了固體物質(zhì)。

1.2.2 山洪、泥石流與水土流失

隴東黃土丘陵、黃土塬邊的溝谷為山洪、泥石流發(fā)育提供了有利的地形地貌條件。泥石流大多伴隨洪水而發(fā)生。泥石流與山洪的區(qū)別主要是洪水中含有足夠數(shù)量的泥沙石等固體碎屑物，其體積含量在15%～80%之間，其流體重度一般大于1.30 t/m3以上，泥石流較山洪更具有破壞力。由于隴東地區(qū)的大多數(shù)溝谷水土流失主要物質(zhì)為粉沙、粘粒，其顆粒粒徑小于2.0mm的占比在85%以上。因此，隴東地區(qū)發(fā)生的泥石流也多為泥流。泥流既是泥石流一種類型，也是區(qū)域水土流失的一種特殊形式，是水土流失發(fā)展到極為嚴(yán)重階段的標(biāo)志[8]。

2 水土流失治理和地質(zhì)災(zāi)害防治取得的經(jīng)

驗和存在的問題

2.1 成功的經(jīng)驗

隴東人民治理水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的歷史由來已久。新中國成立以來，黃委會和隴東地區(qū)水土保持、水利、農(nóng)業(yè)等科研單位經(jīng)長期實(shí)踐，總結(jié)出了“固溝-護(hù)坡-保塬”的水土治理模式。在西峰區(qū)董志塬的塬邊溝谷水土流失治理中更是細(xì)化了固溝保塬治理模式，形成了簡單填埋型、排水+填埋型、排水+填埋+護(hù)坡型、排水+填埋+生態(tài)護(hù)坡型等4種生態(tài)治理模式[10]。

近20年，隴東地區(qū)也相繼開展了不同精度的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃，共計調(diào)查崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)2 580處，泥石流溝1 450處(泥石流109處，泥流1 341處)。不完全統(tǒng)計，隴東地區(qū)已治理的154處地質(zhì)災(zāi)害及其隱患中地質(zhì)災(zāi)害防治措施主要有預(yù)防措施和治理措施。其中預(yù)防措施主要通過自然資源、林草等主管部門的聯(lián)動監(jiān)管來實(shí)現(xiàn)，多為管理措施；治理措施包括生物措施和工程措施。從已實(shí)施的地質(zhì)災(zāi)害治理工程效果來看，治理工程的實(shí)施保護(hù)了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全，促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展。

表1 隴東地區(qū)水土流失與地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)特點(diǎn)

2.2 存在的問題

(1)水土流失與地質(zhì)災(zāi)害互為因果，一些水土保持和地質(zhì)災(zāi)害治理的監(jiān)管部門之間缺少必要的銜接和溝通，沒有完全履行好各自的監(jiān)管職責(zé)。一些建設(shè)項目的環(huán)境影響評價、水土保持方案與地質(zhì)災(zāi)害危險性評估缺少有效溝通，致使一些涉溝涉河的取土、挖沙、采石、建筑等工程建設(shè)和墾荒種地形成了新的水土流失及地質(zhì)災(zāi)害。

(2)一些水土流失治理工程設(shè)計和管理措施不到位，存在一些病害工程。淤地壩是隴東黃土地區(qū)群眾根據(jù)“天然聚湫”總結(jié)出來的一種攔泥淤地的水土保持工程措施。但在隴東已建成的263處淤地壩中，存在一些壩址勘查不詳，設(shè)計不合理的壩體毀損的情況(圖1)和一些施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，維修加固不及時(圖2)等形成的病害工程[11]。

圖1 淤土壩壩肩毀損 圖2 淤土壩放水涵洞毀損

(3)在地質(zhì)災(zāi)害治理工程中存在缺少生態(tài)化治理理念的不協(xié)調(diào)工程。 隴東地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害治理工程始于上世紀(jì)九十年代，多數(shù)為近20 a來建設(shè)的。這些崩塌、滑坡和泥石流治理工程在設(shè)計施工中大多考慮了生態(tài)化治理措施，美化了環(huán)境。也有一部分是單憑借強(qiáng)大的鋼筋混凝土攔擋和排導(dǎo)工程“改造” 自然的，或缺少細(xì)部工程措施的(圖3)，其工程的整體可靠性較差，或與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性不好，少了綠色護(hù)坡元素(圖4)，甚至少數(shù)成了失效工程。

圖3 泥石流溝攔擋壩壩槽未填充加固 圖4 錨索格構(gòu)梁護(hù)坡缺少綠色護(hù)坡元素

3 生態(tài)化治理思路及對策

3.1 生態(tài)化治理思路

從隴東水土流失與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系看，水土流失治理必須以防治區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害為核心，地質(zhì)災(zāi)害的防治必須以防治水土流失為宗旨。要統(tǒng)籌規(guī)劃和實(shí)施隴東地區(qū)的水土流失防治與崩塌、滑坡、泥流等不良地質(zhì)現(xiàn)象及其地質(zhì)災(zāi)害治理，就要統(tǒng)一規(guī)劃小流域溝坡溝谷的水土流失和山洪地質(zhì)災(zāi)害治理。以小流域治理為單元，通過工程措施和生物措施、耕作措施進(jìn)行系統(tǒng)的塬面治理、溝坡治理、溝谷治理，做到源頭治理、綜合治理、精準(zhǔn)治理。

3.2 生態(tài)化治理的對策措施

防治水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的生態(tài)化措施主要為工程措施、生物措施。這些措施的目的都是降低地面流水的侵蝕能力和提高地表土體的抗侵蝕能力[7]。防治水土流失的常用工程措施有坡改梯田，建設(shè)淤地壩、塘壩，引洪灌地等。防治地質(zhì)災(zāi)害的工程治理措施有削坡、錨固、攔擋、護(hù)坡、排水、加固等措施。其生物措施主要是通過植樹種草形成的植被分散徑流、減少沖刷，起到治理作用，其機(jī)理是利用植物比較發(fā)育的根系，吸收和涵蓄降水入滲的水分，并通過植物根系微生物生長分泌的多糖化合物粘液質(zhì)膠團(tuán)聚土壤顆粒，增強(qiáng)了土壤的抗剪強(qiáng)度，有效減弱坡面水流對坡體土層侵蝕作用；還有就是利用植物枝葉的郁閉度阻擋降水對斜坡的沖刷。適于隴東地區(qū)的植物包括：刺槐、側(cè)柏、臭椿、檉柳、白榆等喬木；沙棘、檸條錦雞兒枸杞等灌木；狗尾草、芨芨草、白蓮蒿、紫花苜蓿等草本。在隴東黃土高原水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的生態(tài)化防治中只有因地制宜，辨證施治，充分利用生態(tài)化防治新技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)綜合治理，消除災(zāi)害隱患、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

3.2.1 塬面、丘陵斜坡的生態(tài)化措施

對于黃土塬面、丘陵斜坡地帶其地形坡度大多數(shù)小于25°，其生態(tài)化治理要按照區(qū)域的“三區(qū)三線”規(guī)劃，堅持“宜農(nóng)則農(nóng)，宜林則林，以牧則牧”有序推進(jìn)，穩(wěn)步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境；還有一些斜坡坡度在25°～40°，對這些黃土緩坡要按照坡度和穩(wěn)定性，結(jié)合降水侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行生態(tài)化護(hù)坡(表2、圖5)。

表2 黃土斜坡生態(tài)化護(hù)坡措施

圖5 不同坡度的黃土斜坡采取不同植物護(hù)坡措施

3.2.2 陡坡、人工邊坡的生態(tài)化措施

對于坡度大于45°的自然溝坡多以重力侵蝕為主。對基本穩(wěn)定的人工邊坡可用三維種植網(wǎng)格護(hù)坡，采用喬灌草立體植物護(hù)坡時喬木數(shù)量減少，灌木、草本數(shù)量要增加；對于存在危害的不穩(wěn)定邊坡或滑坡可分級削坡，形成多級小平臺護(hù)坡，或格構(gòu)護(hù)坡或設(shè)置抗滑樁等支擋措施，再施以植物立體護(hù)坡(表2、圖5)。

近年來，針對黃土邊坡治理中存在格構(gòu)骨架與黃土接觸處人工植被退化、草皮脫落的問題，采用骨架+植物纖維護(hù)坡新技術(shù)成為必然。它是將植物纖維(麥秸稈)、草種、肥料、保水劑、粘合劑、黃土等與水的混合物，采用噴射或人工抹面施工形成的一種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。該技術(shù)可以應(yīng)用于建筑邊坡的治理。

3.2.3 溝谷泥流的生態(tài)化措施

溝谷泥流的生態(tài)化治理就是以統(tǒng)籌規(guī)劃溝谷小流域的山洪、泥石流治理為抓手，做到源頭治理、精準(zhǔn)治理、綜合治理。首先要對溝谷小流域進(jìn)行調(diào)查，評價水土流失程度和溝谷的發(fā)展階段，再進(jìn)行山洪風(fēng)險的評估或泥石流易發(fā)性評價，進(jìn)而進(jìn)行一溝一策精準(zhǔn)治理。平?jīng)龅募埛粶?、華池縣孫家溝、環(huán)縣趙門溝，西峰區(qū)的小南河溝、火巷溝這些都是溝谷生態(tài)化治理的典范。其中，淤地壩是隴東治理水土流失和防治山洪、泥石流的重要工程措施，在攔泥、減蝕和滯洪等三個方面起到了重要的作用[12][13]。淤地壩的設(shè)計應(yīng)以完整的小流域為單元， 從支溝到主溝，從上游到下游科學(xué)布設(shè)，與耕作措施、生物措施相結(jié)合(圖6)，形成完整的水土保持體系，并與當(dāng)?shù)氐牡缆?、灌排設(shè)施相結(jié)合，體現(xiàn)其治理工程的社會效益。在區(qū)域泥流災(zāi)害的防治工程設(shè)計中要依據(jù)溝道侵蝕、泥痕、堆積物調(diào)查，計算洪峰流量或泥石流過程總量等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)泥石流的危害特征，選擇適宜的攔擋壩(圖7)、排導(dǎo)槽(或泄洪渠)型式和結(jié)合生物、耕作措施，綜合治理山洪、泥流，防止地質(zhì)災(zāi)害和治理水土流失的發(fā)生、發(fā)展[7][14-16]。

圖6 淤地壩生態(tài)化治理溝道效果 圖7 泥流攔擋壩及其附屬工程

近兩年，我們根據(jù)隴東黃土高原淤地壩(攔擋壩)和植物根群壩設(shè)計實(shí)踐中優(yōu)化的生態(tài)復(fù)合壩在區(qū)域中小型山洪、泥流治理中發(fā)揮了良好的生態(tài)治理效果(圖8)，其原理就是利用喬灌樹木根群壩防治山洪泥流侵蝕溝底，緩沖山洪泥流對土石淤地壩的沖擊力，并通過這種復(fù)合壩攔截溝道泥砂，形成“天然聚湫”，改善生態(tài)環(huán)境。這種生態(tài)復(fù)合壩具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

(1)隴東黃土高原是黃河流域的重要組成部分，是我國水土流失最大最嚴(yán)重的的地區(qū)之一，也是黃河泥沙的主要輸入?yún)^(qū)之一，是我國黃土高原四大泥流高易發(fā)區(qū)之一?？茖W(xué)推進(jìn)隴東黃土高原區(qū)的水土流失綜合治理是加強(qiáng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的主要內(nèi)容，也是“十四五”甘肅省推進(jìn)隴東黃土高原“固溝保塬”綜合治理的重要工作。

(2)區(qū)域水土流失進(jìn)一步發(fā)展往往形成了土地沙漠化和崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象或其地質(zhì)災(zāi)害。隴東黃土高原的水土流失與崩塌、滑坡、泥流是一種互為因果、互為促進(jìn)、互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系。因此，隴東黃土高原區(qū)的水土流失治理要以防治地質(zhì)災(zāi)害為核心，地質(zhì)災(zāi)害的防治要以防治水土流失為宗旨。

(3)區(qū)域水土保持和地質(zhì)災(zāi)害治理工作需要水務(wù)、自然資源等主管部門之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合治理。

(4)防治水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的措施主要有工程措施、生物措施和保土耕作措施等。隴東黃土高原區(qū)的水土流失和地質(zhì)災(zāi)害治理要因地制宜，充分利用生態(tài)化治理新技術(shù)，做到源頭治理、精準(zhǔn)治理，綜合治理，以改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，助力區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。