永和縣小區(qū)域水土保持工程措施設(shè)計及效益分析

方 堃

（山西農(nóng)業(yè)大學水土保持科學研究所,山西 太原 030013）

1 引言

永和縣位于臨汾市西北部呂梁山南側(cè),全縣耕地土壤類型為黃土,地貌特征為丘陵溝壑。地表起伏變化較大,在丘陵地帶,山坡坡度大,多處溝壑較深,降雨后水土流失十分嚴重,在一些地質(zhì)不穩(wěn)定地區(qū),季節(jié)性洪水、滑坡等自然災(zāi)害十分嚴重。由于土壤瘠薄,降水集中,當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)基礎(chǔ)十分脆弱,并且有限的耕地資源分布不均,肥沃農(nóng)田數(shù)量較少。在適宜耕作的土壤中,土壤類型為灰褐土,耕性較好,適宜栽培的作物較多。在不適宜耕作的地區(qū),分布著沙棘、黃刺玫、虎榛子、荊條等自然植被；在適宜耕作的地區(qū),主要栽培農(nóng)作物為玉米、谷子、馬鈴薯、花生等農(nóng)作物。近些年,由于水土保護力度不夠,水土流失十分嚴重,耕地肥力下降較快,導致當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境條件急劇惡化,原有的耕地資源生產(chǎn)能力也在降低,農(nóng)作物產(chǎn)量在下降,原始植被逐年減少,嚴重影響了當?shù)剞r(nóng)民的收入和生存條件,需要盡快進行水土保持治理工作。

2 項目區(qū)社會經(jīng)濟條件

項目實施區(qū)域為永和縣南莊鄉(xiāng)和坡頭鄉(xiāng)的三個行政村,目前該區(qū)域居住人口數(shù)量為11653 人,其中專門從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的人數(shù)為10300 人,所在區(qū)域農(nóng)村勞動力人數(shù)達到了3215 人,平均人口密度為38 人/km2,2019 年平均每人土地面積為2.63 hm2,但是人均耕地面積僅0.61 hm2,加上水土流失導致的土壤肥力降低,使得人均收入已經(jīng)降低至2704 元/a,人均糧食產(chǎn)量僅僅309.9 kg,嚴重影響了農(nóng)民生活水平的提高。從調(diào)研結(jié)果來看,這3 個行政村所有產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值為819.72 萬元,其中農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占50.61%,達到了414.86 萬元。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中,糧食產(chǎn)值為265.20 萬元,占全部農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的63.93%,說明糧食生產(chǎn)仍然是該地區(qū)主要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)。除糧食作物外,該地區(qū)經(jīng)濟作物產(chǎn)值達到了149.66 萬元,占農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)比例為36.07%。從調(diào)研結(jié)果來看,這三個行政村擁有土地面積達到8261.00 hm2,但是耕地面積僅為1393.42 hm2,所占比例僅為16.87%,而所有耕地中,中坡地耕地面積占所有耕地面積的83.95%,達到了1169.71 hm2,這也是該地區(qū)水土流失導致耕地肥力顯著降低的根本原因。

3 水土流失現(xiàn)狀

經(jīng)過現(xiàn)場實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),在南莊鄉(xiāng),水土流失面積達到了90.92 km2,占本鄉(xiāng)總土地面積102.71 km2的87.64%。在所有存在水土流失的土壤中,中度水土流失面積占總面積3.49%,為3.14 km2,而強度及以上水土流失面積占該鄉(xiāng)總面積的90.10%,2019 年達到了81.92 km2。在坡頭鄉(xiāng),存在水土流失的土地面積占總土地面積203.5 km2的87.85%,達到了178.77 km2,說明其水土流失問題十分嚴重。在存在水土流失的所有土壤中,中度水土流失土壤所占比例為3.30%,總面積為5.90 km2,但是高強度水土流失面積占總面積的比例為91.30%,達到了163.22 km2。從現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果來看,該區(qū)域水土流失十分嚴重,并且流失面積相對較大,土壤受到自然環(huán)境的侵蝕也比較嚴重。由于連年的水土流失缺乏治理措施,近些年土壤質(zhì)量顯著降低,土壤生產(chǎn)力受到了顯著影響,糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟作物栽培均受到了較大影響,嚴重限制了人民生活水平的提高。連年的水土流失也加劇了當?shù)刈匀粸?zāi)害的發(fā)生頻率,當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境破壞十分嚴重。結(jié)合實地調(diào)研結(jié)果,盡快加強該地區(qū)耕地的水土保持工作十分必要,也是提高當?shù)剞r(nóng)民收入,改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件的有效途徑。

4 水土保持工程總體布置

為解決當?shù)厮亮魇е路柿档秃透厣a(chǎn)力降低的問題,永和縣制定并實施了水土保持綜合工程,已徹底改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到破壞的問題。本水土方案在質(zhì)地之初,充分征求了當?shù)剞r(nóng)民群眾的意見和建議,結(jié)合當?shù)剞r(nóng)民意愿和村屯分布、耕地分布情況,水土保持工程實施地區(qū)主要選擇在25°以下的中坡地耕地范圍內(nèi),對于一些退耕還林地區(qū),經(jīng)濟林、疏林地、草原、梯田和大于25°的耕地目前不做治理,以防止由于人工擾動加重水土流失。在水土保持工程建設(shè)上,根據(jù)不同地塊的分布,立地條件,沿著等高線布置排水渠、道路、保護設(shè)施等；在道路設(shè)計上,主要利用原有的梯田道路,能取直區(qū)域盡可能取直,主要交通道路從山腳至山頂修成“S”型曲線狀。在水土保持工程措施選擇上,主要采取修建水平梯田,生產(chǎn)道路的方式。

根據(jù)本區(qū)域內(nèi)耕地分布以行政邊界為小斑單元的特點,在新梯田建設(shè)上仍然延續(xù)這種做法。在坡度計算上,采取等高距和坡長的關(guān)系測算。根據(jù)小斑形狀的特點,將3～5 個現(xiàn)有梯田斷面的坡度平均值作為該區(qū)域的地面坡度。在與當?shù)卣浞謪f(xié)商基礎(chǔ)上,在1169.71 hm2中坡度耕地中,共需要新建水平梯田186 處,共計555.56 hm2。從不同地塊坡度上,建設(shè)了48 處5°～10°坡耕地,總面積為110.97 hm2；新建38 處10°～15°坡耕地,面積為154.66 hm2；而5°～20°坡耕地數(shù)量最多,達到了58 處,面積為189.14 hm2；20°～25°坡耕地數(shù)量最少,僅為42 處100.79 hm2。

5 水土保持工程措施

5.1 水平梯田

根據(jù)水土保持工程總體設(shè)計方案,結(jié)合當?shù)卣{(diào)研實際情況,設(shè)計并實施的水平梯田工程。從施工后梯田現(xiàn)狀來看,總體各類梯田的寬度為5 m～14 m,依據(jù)梯田的坡度,建設(shè)了適應(yīng)坡度力學要求的田坎,保證新建梯田的穩(wěn)定性和持續(xù)利用性。在建設(shè)標準選擇上,結(jié)合山西省降雨的歷史極端記錄值,新建梯田可以抵御10 年一遇的特大暴雨襲擊,在遇到暴雨時,水土保持工程可以攔蓄徑流80%以上,攔沙90%以上,有效降低水土流失量。

表1 水平梯田斷面尺寸表

圖1 水平梯田斷面要素圖

表2 水平梯田斷面設(shè)計表

工程建設(shè)完成后,實際建設(shè)梯田情況如下：原地面坡度在5°～10°的地塊,梯田凈寬可以達到14 m,田坎坡度和高度分別為75°和1.91 m；原地面坡度10°～15°地塊梯田凈寬可以達到11 m,田坎坡度和高度分別為70°和2.65 m；原地面坡度為15°～20°的地塊,新建梯田田面凈寬度為6 m,田坎坡度和高度分別為70°和2.14 m；對于原地塊坡度值達到20°～25°的地塊,田面寬度僅僅可以建設(shè)到5 m,田坎坡度和高度分別為70°和2.44 m。新建梯田外緣全部建設(shè)為倒坡狀,最外坡均高出田面20 cm。梯田所修田埂高度為30 cm,頂寬30 cm,田埂外側(cè)坡與田坎坡度一致。

（2）降雨防御標準：從山西省歷史降雨記錄來看,10 年一遇的最大暴雨為6 小時降雨量達到73.25 mm。鑒于此,在梯田建設(shè)時,田面允許最大徑流深度為74 mm,水平梯田邊埂修建高度為30 cm,按照每小時最大降雨量計算,該設(shè)計完全可以攔蓄十年一遇的最大降水量,在遇到極端暴雨時不會出現(xiàn)垮塌的危險。

（3）修筑水平梯田的實際工程量。

梯田建設(shè)完成后,該工程實際工程量見表3。從工程量上來看,15°～20°坡地建設(shè)田坎工程量最大,這可能與該坡度耕地治理面積較大有關(guān)；而5°～10°坡地田坎占地最低,但是耕地治理面積和梯田凈面積均超過20°～25°坡地,說明坡度較小地塊修筑單位面積的梯田所耗費的工程量明顯小于坡度較大地塊。從單位面積土方量上來看,隨著坡度的增加,土方量表現(xiàn)出增加的變化,這說明在坡度較大地區(qū)修建梯田工程量明顯大于緩坡地地區(qū)。從土壤運移量上來看,較大的坡地需要運移土方量也較大,這會大大提高建設(shè)成本。

表3 水平梯田工程量表

5.2 生產(chǎn)道路

在梯田建設(shè)過程中,為了方便運輸以及未來生產(chǎn)的需要,項目區(qū)新建主干道路16.57 km,新修建的支路主要分布在梯田中間,方便生產(chǎn)需要。

（1）主干道路建設(shè)

主干道路主要是起到交通功能,可以同行汽車和拖拉機,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于農(nóng)資和農(nóng)產(chǎn)品的運輸。實際建設(shè)主干道路寬度為3 m,路面橫向坡比值為1%～2%,縱向坡度為5°～11°,長坡距離一般為20 m,坡度較大地塊將主干道路修建為“之”字型道路,道路最大縱坡度為15°；道路轉(zhuǎn)彎處用圓曲線連接,并且在圓曲線處設(shè)置加寬通道,方便車輛同行和錯車需要；另外,為方便車輛轉(zhuǎn)彎需要,圓曲線半徑一般控制在10 m～15 m。在道路施工中,為了防止降雨導致的水流沖刷路基,主干道路全部修建成為了外高里低的路面,每隔10 m 左右建設(shè)一個攔蓄路面流水裝置,將路面積水全部引入梯田內(nèi)。主干道路設(shè)計圖見圖2。

圖2 干路布設(shè)立體示意圖

（2）支路建設(shè)

在新建梯田上修建的支路主要為了同行需要,便于農(nóng)民在不同的梯田田塊之間同行,方便農(nóng)作物種植作業(yè)。在坡度較小的地塊,支路修建成為斜線型,陡坡地段修建為“S”型,對于用地比較緊張的地段,直接將支路和田埂相結(jié)合修建,以最大限度提高梯田面積。本次水土保持工程所有支路寬度均為2 m,詳細布設(shè)圖見圖3。

圖3 支路布設(shè)立體示意圖

6 水土保持工程實際投資

該水土保持工程完工后,經(jīng)過實地核查,最終修筑梯田面積達到了555.56 hm2,主干道路16.57 km,實際土方工程量為159.07 m3。施工過程中,共計消耗柴油數(shù)量為119.84 t,現(xiàn)場實際用工量為48.43 萬工日,動用施工機械1413 臺班。工程建設(shè)實際投資額為1250.00 萬元,其中道路工程、梯田修筑費用共計1153.04 萬元,獨立費用96.96 萬元。在資金構(gòu)成上,中央投資總額度為1000 萬元,地方配套資金額250 萬元。

7 水土保持工程效益分析

7.1 經(jīng)濟效益

本水土保持工程建設(shè)除了降低水土流失功能之外,新修建的梯田還可以作為糧食生產(chǎn)和栽種經(jīng)濟作物的耕地,對于緩坡地梯田,有條件地區(qū)可以發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè),提高單位面積耕地的經(jīng)濟效益。結(jié)合山西省的作物種類,發(fā)展具有當?shù)靥厣霓r(nóng)業(yè)栽培模式,多渠道增加農(nóng)民收入。從農(nóng)民收入變化上來看,本工程使當?shù)剞r(nóng)民人均收入提高了1025 元。該工程預(yù)期發(fā)揮效益年限為20 年,預(yù)期各項經(jīng)濟效益累計增加值為27658.52 萬元,內(nèi)部收益率為19.59%,預(yù)計靜態(tài)投資回收期為6.0 年,動態(tài)回收期為9.0 年,實際效益費用比為1.77。

7.2 生態(tài)效益

本項目的實施有效遏制了當?shù)厮亮魇栴},每年雨季可以攔蓄泥沙量達到3.06 萬t,減少雨水流失量7.45 萬m3,降低了暴雨過后導致滑坡塌方的概率,有效提高了當?shù)氐钟匀粸?zāi)害的能力,對于降低水土流失導致的下游河道污染具有顯著作用。由于部分地塊的退耕還草和退耕還林,使生態(tài)環(huán)境得到了較好改善,有利于當?shù)剞r(nóng)業(yè)環(huán)境的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

7.3 社會效益

該水土保持工程建設(shè)過程中,共計投入48.43 萬工日勞動力參與工程施工,實際吸收農(nóng)村剩余勞動力2010 個,有效解決了當?shù)厥Ｓ鄤趧恿栴}。在新建設(shè)的502.39 hm2梯田內(nèi),按照每公頃糧食增產(chǎn)2109.00 kg 測算,該工程每年可以增產(chǎn)糧食0.11 萬t,有效提高了當?shù)剞r(nóng)民收入,并且也為國家糧食安全做出了貢獻。工程施工中新建設(shè)的16.57 km 道路可以較好的改善當?shù)亟煌l件,有利于新農(nóng)村建設(shè)的進行,改善了農(nóng)村的生產(chǎn)生活環(huán)境條件。