小型河道流域工程治理中水土保持技術(shù)與措施效益的應用分析

卞金欣

(德州市陵城區(qū)水利局，山東 德州 253500)

0 引 言

水土流失的主要來源之一為坡耕地，坡耕地的水土流失問題不但會使土壤的水分大量流失，進而降低土地的生產(chǎn)力，還會導致水質(zhì)遭到破壞，影響水資源。在我國北方，降雨一般集中在7-9月份，次降雨雨強較大，易產(chǎn)生徑流而造成水土流失，而且北方的土石山區(qū)有將近700×104hm2坡耕地，占總耕地面積的1/4[1]。山東省屬于北方土石山區(qū)，由于山多坡陡、土壤存在粗骨化與石礫化發(fā)育，易受季節(jié)性干旱影響等方面的問題，嚴重制約了坡耕地的提升與發(fā)展[2-3]。小型河道流域水土保持綜合治理是一項系統(tǒng)性工程，在改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件以及調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面取得顯著成效。而對小流域水土保持綜合效益進行科學合理的評價，能夠促進治理的可持續(xù)發(fā)展，對農(nóng)業(yè)與國民經(jīng)濟意義重大[4-5]。德州市地處山東省的西北部，地貌主要為黃泛漫沉積的坡地類，該地區(qū)流域相連，但水資源匱乏，使水土流失保持的難度較大。

因此，本文對易造成該地區(qū)小流域水土流失的因素進行分析，提出針對性技術(shù)措施，并結(jié)合相應的效益評價指標，對水土保持措施的綜合效益進行分析，旨在通過科學的水土保持技術(shù)措施，提高小型河道流域的綜合治理效益。

1 小型河道流域工程治理中水土保持技術(shù)措施

造成小型河道流域水土流失的原因眾多，其中占比最大的是人為和自然因素，并且根據(jù)不同的地區(qū)，兩種因素的占比會存在一定差異。在自然因素中，降水是最重要的因素，風力與溫度次之。降水會沖刷滲入地表土壤，風力會導致地表沙土流失，不斷變化的溫度則會影響地表植被的生長，同時也會加重由降水和風力侵蝕導致的水土流失程度[6-7]。此外，造成水土流失的關(guān)鍵因素還有耕地的坡度，其嚴重程度與坡度大小成正比，坡度越大則水土流失越嚴重。植被也是水土保持與水土流失的主要因素之一，植被能夠較好地防止風力侵蝕與降水造成的水土流失問題。大量的人為活動使小型河道流域內(nèi)的植被覆蓋面積明顯減少，一旦遇上強降雨或大風天氣，則會造成嚴重的水土流失[8]。德州市的水土流失主要為風蝕與土壤侵蝕水蝕，采取的相應水土保持技術(shù)措施見圖1。

圖1 小型河道流域治理中水土保持的具體技術(shù)措施

圖1為影響小型河道流域水土流失的因素分析，以及水土保持可采取的具體技術(shù)措施。

第一種措施是在同等環(huán)境條件中，提高植被覆蓋率不但可以降低風力、降水等外界因素影響，還能改善土壤的物理性質(zhì)及肥力，進而降低水土流失的速率。在坡度加大而肥力較弱的地方，結(jié)合人工散播灌木樹種，并在封山育林基礎上充分發(fā)揮自然生態(tài)修復力，防止或減少人為活動的干擾，使自然植被獲得充足的修復時間。通過人工栽培經(jīng)濟林的方式，既達到水土保持的目標，還能創(chuàng)造土地經(jīng)營經(jīng)濟效益，提高當?shù)鼐用竦氖杖搿?/p>

第二種措施可通過人為改變耕地地貌，防止降水產(chǎn)生較大徑流。培土壟式栽培能有效促進降水滲入地表，減少其對地表泥土的沖刷。通過進購專門的耕地機械設備，用其改變土壤的空隙度和松緊度，進而提高土壤微生物的活性以及肥力，達到水土保持的效果。

第三種措施是通過工程技術(shù)手段來實現(xiàn)水土保持，也是最重要的一種技術(shù)措施?？赏ㄟ^人為創(chuàng)造小地形進行攔蓄降水以減少坡地的徑流，進而達到預防泥石流等災害的發(fā)生?？梢岳迷械臏锨卫砉こ蹋@些工程設施主要用于保護人工修建的道路、建筑的安全與暢通，同時能降低水的流速，起到水土保持的作用。在小型河道流域中修建蓄水工程設施，主要在低洼地區(qū)進行修建，攔蓄地表徑流并將其用作干旱時節(jié)的農(nóng)田灌溉，以此提高農(nóng)作物的產(chǎn)出及農(nóng)民收入。據(jù)初步統(tǒng)計，德州市現(xiàn)可利用的坑塘有5 251座，將坑塘用來蓄水，年蓄水量可達8 800 m3。然而由于坑塘常年缺乏治理保護，導致其淤積嚴重，蓄水能力大幅下降。水利工程建設應重點增加攔蓄設施，利用坑塘等進行治理后蓄水，特別是打通縣鄉(xiāng)溝渠與坑塘水系連通。

第四種措施是從系統(tǒng)的角度來解決水土流失，主要以人工輔助種草育林結(jié)合自然生態(tài)修復的方式，在短時間內(nèi)改善環(huán)境條件。同時，形成相對穩(wěn)定的生物群落結(jié)構(gòu)，以人為創(chuàng)造景觀異質(zhì)性來提高生物群落對外界不良環(huán)境的抵抗力。

2 小型河道流域工程治理效益觀測方法

本文所研究的小型河道流域位于山東德州，據(jù)統(tǒng)計資料，德州市經(jīng)過多年的水土保持治理，林木覆蓋率已達35% ，而土壤侵蝕模數(shù)已降至600t/(km2·a)以下。研究小流域的水土流失面積為15.81km2，水土流失類型主要為水力侵蝕。在該小流域內(nèi)展開相應的治理中，水土保持技術(shù)措施主要包括修建蓄水池、谷坊、溝渠等，并實施坡改梯、保土耕作、經(jīng)果林等工程。圖2為觀測到的小型河道流域工程治理中水土保持技術(shù)措施的效益內(nèi)容。

圖2 小型河道流域治理水土保持的技術(shù)措施效益

從圖2中可知，水土保持的觀測效益主要有4種，各種效益之下對應著相關(guān)的技術(shù)措施。在坡面土壤侵蝕的觀測中，對比徑流小區(qū)是使用最為廣泛的一種方法。通過布設對照小區(qū)，來比較同等降水條件下產(chǎn)流的區(qū)別。但由于未直接在該小型河道流域布設徑流小區(qū)，因此本文參考《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/T 15774-2008)，并引用經(jīng)過適當修正后的該流域附近水土保持檢測點歷年徑流觀測資料。保水量ΔWm(mm)的計算公式如下：

ΔWm=Cm1·P-Cmo·P=P(Cm1-Cm0)

(1)

式中：P為次年降雨量，mm；Cm0,Cm1分別為措施實施前與某種水土保持措施相應的徑流系數(shù)，在相同降水條件下對比產(chǎn)沙的區(qū)別情況。

取直徑為0.6cm、長為30～50cm、相距1m×1m或者2m×2 m形狀如釘子的鋼釬，分上中下與左中右各3排，沿著坡面垂直打入坡面或臺面。每次等級時段的末尾觀測釘帽露出地面的高度，對土壤的侵蝕度進行計算。對各種類型水土保持措施樣地容重ρ采用環(huán)刀法進行測量，實施某措施的保土量ΔS的計算公式如下：

(2)

式中：S為土地侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Z為平均侵蝕深度，cm；ρ為土壤容重，g/cm3；Fe為某措施的實施面積，hm2；ΔSma,ΔSmb分別為實施措施后與實施措施前的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a。

然后對比典型農(nóng)戶與地塊有無措施的布設觀測點，并在確定后的觀測地塊中，根據(jù)不同面積，分別選擇約5～10個不同的采樣點。面積較小的用對角線采樣，面積適中的用棋盤式采樣，較大的面積用Z行進行采樣。將表層2～3cm的土壤及其上面的各種殘渣刮去，并向下進行采集土樣。土壤化學性質(zhì)樣品采集是將0～20cm多點采集的土樣混合，重量約為1 000g。土壤性質(zhì)及環(huán)境狀況分析測定見表1。

表1 土壤性質(zhì)與環(huán)境狀況分析測定方法

通常采用樣方法與踏查法對植被狀況進行觀測，選擇有代表性的人工水保林和草地，分別布設觀測樣方，然后對各樣方的坡度、植物的種名、樹木灌木及草的高度、喬木林郁閉度，以及灌木與草地的覆蓋度等進行調(diào)查。對樣方的面積要求見表2。

表2 樣方的各種要求

采用典型地塊法與農(nóng)戶調(diào)查法對經(jīng)濟效益進行觀測，根據(jù)每年家庭內(nèi)的收支經(jīng)營情況，要求各農(nóng)戶填寫相關(guān)調(diào)查表，并根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，計算該項目區(qū)的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益主要包括實施水土保持措施前后，對比在該土地上生長的植物產(chǎn)品的增產(chǎn)量、增產(chǎn)值。種草經(jīng)濟效益是對草養(yǎng)畜，以及提高載畜量節(jié)約土地這兩方面分別進行計算。該效益需要結(jié)合當?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)進行計算。植物產(chǎn)品單位面積年凈產(chǎn)值j，以及節(jié)約牧業(yè)用地和提高土地載畜量ΔF的計算公式如下：

(3)

式中：y為該項措施的產(chǎn)品單價，元/kg；pb、pa分別為措施實施前后每年單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；ub、ua為該項措施實施前后的單位面積年生產(chǎn)費用，元/hm2；V為發(fā)展畜牧總需飼草量，kg；Tb、Ta為天然草地與人工草地的單位面積產(chǎn)草量，kg/hm2；Fb、Fa為天然草地和人工草地的總需土地面積，hm2。

社會效益以典型農(nóng)戶調(diào)查為主，包括調(diào)查人員協(xié)助農(nóng)戶自報的方式進行。社會效益是指在實施期各年度，按單戶分項目連續(xù)進行記錄，在年終時進行匯總。

3 小型河道流域工程治理中水土保持技術(shù)措施與效益結(jié)果分析

根據(jù)小型河道流域的生態(tài)自然環(huán)境、社會經(jīng)濟條件以及農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，依照全面貫徹落實科學發(fā)展觀以及人與自然和諧相處原則，在該小型河道流域?qū)嵤┫鄳乃帘３志C合治理措施。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，該流域內(nèi)原有水土流失面積為1 581hm2，在該土地總面積的占比約為34%。按侵蝕強度劃分，水土流失面積的具體情況見圖3。

圖3 治理前后水土流失情況

圖3(a)中，將研究區(qū)的小流域按侵蝕程度等級劃分后，輕度、中度、強烈、極強烈的水土流失面積分別為1 143、191、229、17hm2，各占水土流失面積的72.3%、12.1%、14.5%、1.1%。隨著各項水土保持工程的建設完成，該流域內(nèi)水土流失的情況有所改善，水土流失面積為146hm2，占地總面積為3.2%。圖3(b)中，在水土保持措施實施后，該流域水土流失總面積比治理前減少1 434hm2，占地總面積下降約30.8%。研究區(qū)參與保水效益計算的總共為5種水土保持措施，措施實施總面積約為1 434hm2，該區(qū)域總保水量為238.50m3。圖4為該項措施實施后的保水效益。

圖4 該項措施實施后的保水效益

由圖4可知，在5種措施中，水保林的保水量厚度最高，達到178.70mm；其次是經(jīng)果林的保水量厚度為170.92mm；然后是坡改梯的保水量厚度為168.48mm；封禁林與保土耕作的保水量厚度分別為159.67和28.37mm。封禁林保水量為173.35×104m3，在5項措施中的保水量體積最大。其次是水保林、經(jīng)果林以及坡改梯的保水量體積，分別為33.95×104、29.05×104、1.71×104m3。保土耕作的保水量體積微小，為0.43×104m3。

該流域?qū)嵤?種保土措施后的保土量見圖5。

圖5 該項措施實施后的保土效益

由圖5可知，研究區(qū)措施實施后，該區(qū)域的總保土量為4.36×104t/km2·a。水保林的侵蝕模數(shù)最小，為561t/km2·a；坡改梯與經(jīng)果林的土壤侵蝕模數(shù)均為650t/km2·a；保土耕作土壤侵蝕模數(shù)最大，為840t/km2·a。其中，封禁林的保土量最大，為6 032×104t；而坡改梯的保土量最少，為308×104t。

圖6為該項措施實施后的生態(tài)效益。

圖6 該項措施實施后的生態(tài)效益

由圖6可知，所有實施措施后的區(qū)域土壤養(yǎng)分含量均高于荒坡地，其中封禁林土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷含量最高，從總體上看，采取5種措施后對土壤的養(yǎng)分含量有一定的提高作用。研究區(qū)流域的荒坡地土壤水分較低，為24.52%，但其土壤溫度較高。各項措施近地表空氣溫度均比荒坡地要低，但空氣濕度均比荒坡地高。結(jié)果表明，原荒坡地采取措施后，土壤環(huán)境及地表小氣候均得到改善。表3為實施后兩年的經(jīng)濟效益對比。

表3 實施措施后兩年山東德州市某小流域水土保持的經(jīng)濟效益對比

由表3可知，自2020年起，各項措施生效后，該流域的增收值約為1 657.1萬元；2021年，該流域措施增收值約為2 355.8萬元，表明實施措施后該流域的經(jīng)濟效益顯著。綜合各項調(diào)查得知，該項目實施使大部分農(nóng)戶得到較多收益與便利。

4 結(jié) 論

小型河道流域水土治理是一項涉及面較廣的系統(tǒng)工程。本文分析了導致小流域水土流失的原因，提出了有針對性的治理措施，并選用具有代表性的效益評價指標來反映水土保持的綜合效益。結(jié)果表明，在水土保持措施實施后，該流域水土流失的總面積比治理前減少1 434hm2，占地總面積下降約30.8%，總保土量為4.36×104t/km2·a。各項措施近地表空氣溫度均比荒坡地要低，空氣濕度均比荒坡地高，土壤環(huán)境及地表小氣候均得到改善。