小流域地區(qū)的水土保持與生態(tài)景觀工程設(shè)計(jì)研究

尚瑞朝

(河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心,石家莊 050000)

0 引 言

水土保持技術(shù)作為維系自然生態(tài)平衡以及加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)措施實(shí)行的重要內(nèi)容之一,多被應(yīng)用在水土流失地區(qū)的治理方案中,該技術(shù)能有效根據(jù)其流失基礎(chǔ)特征以及相關(guān)定性走勢規(guī)律進(jìn)行相關(guān)問題的治理［1-2］。提高生態(tài)循環(huán)能力以及保障生態(tài)穩(wěn)定安全是促進(jìn)流域水土保護(hù)的重要指導(dǎo)方針,生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)使水土保持建設(shè)的內(nèi)容和指導(dǎo)方針不斷豐富發(fā)展,加強(qiáng)環(huán)境治理與產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是有效助推生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容［3-5］。大流域?yàn)楣歉?小流域?yàn)閱卧?山水田林路以及蓄水排灌的統(tǒng)一規(guī)劃和綜合治理是我國水土工作的重點(diǎn)［6］。小流域是涵蓋二三級(jí)支流以下的小型自然生態(tài)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),其以分水嶺和下游河道出口斷面為界,具有較好獨(dú)立性和封閉性的匯水區(qū)域。加強(qiáng)對小流域水土保持工作的治理,不斷挖掘出其發(fā)展?jié)摿?對于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境資源條件的改善均具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和理論意義［7-8］。

河北某山區(qū)隸屬國家水土保持重點(diǎn)治理區(qū),本文以該地區(qū)的某流域?yàn)檠芯繉ο?對其水土保持現(xiàn)狀及相關(guān)生態(tài)景觀設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析研究,以更好地為其水土工作的處理獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

1 小流域地區(qū)水土保持及生態(tài)景觀設(shè)計(jì)

1.1 流域概況

本研究選取的某流域位于河北省,該流域地處的鎮(zhèn)級(jí)具有78km的生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光帶,農(nóng)產(chǎn)資源發(fā)展成為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要內(nèi)容。該研究區(qū)氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候,春季少雨干燥,夏季溫?zé)?高溫及多濕度較為明顯;秋季涼爽多晴天,冬季寒冷干燥。該氣候多表現(xiàn)為降水集中且雨熱同期,夏季和冬季的平均氣溫分別為 26.4℃和零下2.6℃,降雨量從夏季到秋季逐漸減少,夏季降雨量在全年降水量中的占比超過60%,且冬季無霜期大于150天。該地區(qū)的年均日照時(shí)數(shù)和年均輻射量分別為 2 627.5h和121.34千卡/cm2［9-10］。該流域區(qū)的主要地質(zhì)巖石類型為火成巖,偏南部山區(qū)和東部、北部分布有花崗巖和變質(zhì)片麻巖,巖石發(fā)育完整,因受大陸性季風(fēng)氣候的影響,偏東北部巖石的風(fēng)化作用明顯［11］。土壤種類主要為棕壤土,土壤為微酸性,且整體有機(jī)含量較低,涵水性較差。同時(shí),該流域面積為11.18km2,農(nóng)業(yè)為該地區(qū)主要的生產(chǎn)方式,包括小麥、玉米等農(nóng)作物以及桃子、櫻桃、板栗等經(jīng)濟(jì)林果。圖1為該流域的土地利用情況。

該流域主要土地利用類型為耕地和林地,其面積占比為61.53%和24.15%。林地主要集中在南部坡麓梯田及近山階地上,其次占比較小的土地利用類型為工礦用地、居民地和水體。較好的山林生態(tài)環(huán)境及生態(tài)旅游資源,豐富特色的農(nóng)林產(chǎn)品是該流域發(fā)展的優(yōu)勢點(diǎn)所在,但土地結(jié)構(gòu)的零散以及較為嚴(yán)重的水土流失情況較大程度制約著該流域的發(fā)展［12］。導(dǎo)致水土流失問題突出的原因在于,生態(tài)資源與相關(guān)水土保持工作配置之間的協(xié)調(diào)性較低,缺乏完整的規(guī)劃體系,且未將生態(tài)景觀設(shè)計(jì)理念與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合［13-14］。因此,為更好實(shí)現(xiàn)該流域的可持續(xù)發(fā)展,研究依托于該流域現(xiàn)有發(fā)展格局,從水、土、林、田、湖、草等方面進(jìn)行小系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì),并借助水土保持和景觀生態(tài)相關(guān)理論基礎(chǔ),進(jìn)行流域生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì),在有效實(shí)現(xiàn)水土涵養(yǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)揮其資源優(yōu)勢,激發(fā)生態(tài)農(nóng)業(yè)及觀光旅游的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2 生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)

對該流域進(jìn)行生態(tài)景觀設(shè)計(jì)時(shí),要借助工程林草措施進(jìn)行水土保持,以斑塊-廊道-基底模式原理進(jìn)行景觀設(shè)計(jì),并確定流域主導(dǎo)功能進(jìn)行區(qū)域劃分,兼顧生態(tài)效益和景觀效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)規(guī)劃。斑塊-廊道-基質(zhì)能有效描述景觀空間的一致性,通過不同空間單元的連接、帶狀結(jié)構(gòu)以及其背景結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)其生態(tài)廊道的建設(shè),在一定程度上能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性［15］。該流域以山體為主要骨架結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出立體環(huán)狀的格局,并在縱向維度上可劃分為不同山體高度的空間構(gòu)造,其對應(yīng)的農(nóng)林結(jié)構(gòu)為生態(tài)林、經(jīng)濟(jì)林和農(nóng)田。故本研究在此基礎(chǔ)上,使該三部分分別承擔(dān)水源涵蓋、水土保持和觀光旅游功能,通過在流域河道設(shè)計(jì)建溝工程實(shí)現(xiàn)中心水體景觀廊道的設(shè)計(jì)。圖2為框架示意圖。

圖2 框架示意圖

該流域景觀廊道在布局整體水體景觀以及整治環(huán)境問題發(fā)揮著重要作用,故本研究對流域?qū)嵭杏倌嗲迨?、綠化植被栽種等措施,包括生態(tài)護(hù)岸工程、谷坊工程等等。根據(jù)該流域的自然地形高程,進(jìn)行不同撫育管理示范帶的布設(shè)。其中,上部的保水修復(fù)帶主要是通過林草的更新管理來實(shí)現(xiàn)生態(tài)自我修復(fù);中部經(jīng)濟(jì)林示范帶則在控制水土流失的情況下,栽種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的樹種;下部農(nóng)田則進(jìn)行梯田建設(shè),實(shí)現(xiàn)對地形坡度的調(diào)整來改變地表徑流流程,達(dá)到徑流攔截效果等。同時(shí),輔助建設(shè)蓄排工程來引水入庫,提高水資源利用率。該三帶的建設(shè)面積分別為277、103、168hm2。4區(qū)的劃分則分別為山區(qū)雨水集蓄區(qū)、生態(tài)農(nóng)業(yè)示范區(qū)、護(hù)水休閑區(qū)以及傳統(tǒng)村落風(fēng)貌展示區(qū),其對應(yīng)的面積或擬設(shè)面積分別為174、178、99、86hm2。圖3為流域生態(tài)景觀總體布局圖。

圖3 流域生態(tài)景觀總體布局圖

以干挖方式實(shí)現(xiàn)淤泥的清除。該方式所要求的技術(shù)手段較低,具有較好的適應(yīng)性,且該流域淤泥中的水分含有量較少,對淤泥的清除能有效恢復(fù)河流的調(diào)控能力,使河道蓄水能力回歸正常。在護(hù)岸工程中,以“可滲透”駁岸這種生態(tài)形式來避免原硬質(zhì)河岸對河岸線的破壞,該形式具有較好的親水性,且在保證水體自凈能力的同時(shí)維系生態(tài)平衡,其內(nèi)容包括松木樁、漿砌、階梯型石籠、谷坊形式,具體內(nèi)容見圖4。

在4種護(hù)岸工程形式中,松木樁是通過采用置石、疊石來進(jìn)行布置,并借助相關(guān)樹種的補(bǔ)種來減少水流對土壤的沖刷性,實(shí)現(xiàn)岸坡穩(wěn)定,松木樁的高和直徑分別為3和15cm,樁徑至少高于水位15cm。對于漿砌石護(hù)岸內(nèi)部則主要是鵝卵石。階梯型石籠以鍍膜鋼絲編織成蜂巢格網(wǎng),并裝填具有透氣性的物料。針對被侵蝕的溝道,按照《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》(GB/T 16453.4-2008)規(guī)定進(jìn)行谷坊修建,以發(fā)揮其固穩(wěn)、蓄沙的功效［16］。同時(shí),將谷坊位置設(shè)置在支溝和毛溝中或者支流的下游匯合處,確保其能實(shí)現(xiàn)貯沙。對于其材料的選擇,要確保建材具有較好的承壓性能,且谷坊間距要保證其下游溢水口底與上游相鄰處的基部處于同一高度水平上。其間距的計(jì)算公式如下:

(1)

式中:h為谷坊底部與溢水口底之間的高差;i為原溝底的比降;i1為堆積淤泥后未經(jīng)沖刷的比降。

依據(jù)10年一遇暴雨情況和相關(guān)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)谷坊的頂部長度和高度分別為7和2m,其迎水坡和背水坡分別為1∶0.1和1∶0.8,谷間間距為80m。在護(hù)岸設(shè)計(jì)過程中,注重多種植物品種的配置,以實(shí)現(xiàn)較好的感官體驗(yàn)和美覺體驗(yàn)。

在三防護(hù)帶設(shè)計(jì)過程中,在水土保護(hù)生態(tài)修復(fù)中設(shè)置圍欄及專職管護(hù),并依據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,選取側(cè)柏及黑松為主要樹種,其種植密度為1 500和800株/hm2,種植面積為176和103hm2。借助魚鱗坑進(jìn)行整地,每坑為長徑1m、短徑0.6m 的半圓形,深度0.6m,且使其沿等高線進(jìn)行排設(shè),每個(gè)坑周邊需挖設(shè)寬度和深度為20cm的八字截水溝,并設(shè)置95hm2的封禁區(qū),1.5m的圍欄。對于經(jīng)濟(jì)林示范帶,其整體規(guī)格則為深度和直徑均為0.6m的穴狀圓形,主要栽種植物為經(jīng)濟(jì)作物,密度620株/hm2,根據(jù)市場變動(dòng)情況以及不同樹種的生長習(xí)性,進(jìn)行相應(yīng)植株行距的確定以及種植規(guī)模的確定。對于梯田景觀的設(shè)計(jì),則根據(jù)交通情況以及地形分布情況進(jìn)行大彎就勢、小彎取直的辦法進(jìn)行設(shè)計(jì),地面坡度在5～15m之間,以更好實(shí)現(xiàn)對地表徑流的攔蓄排水,設(shè)置相應(yīng)等排水溝。對于4個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì),則從實(shí)際設(shè)施部署、樹種選擇、項(xiàng)目設(shè)施設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行布局。

加強(qiáng)對流域的水土治理以及生態(tài)景觀的設(shè)計(jì),能獲得一定程度的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。生態(tài)環(huán)境的治理改善不僅能減少環(huán)境治理成本,還能助推生態(tài)旅游資源的發(fā)展。研究確定水土保持措施的使用年限為20年,對其創(chuàng)造的直接收益進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

B′=B-(K+C)

(2)

式中:K為治理過程的前期投資金額;C為累積運(yùn)行費(fèi)用;B為累積產(chǎn)出效益。

2 小流域水土治理及景觀設(shè)計(jì)應(yīng)用成效

本研究對設(shè)計(jì)流域進(jìn)行了相關(guān)水土治理,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行生態(tài)景觀設(shè)計(jì),確定了“一廊三帶四區(qū)”的功能設(shè)計(jì)格局,對各部分生態(tài)治理及相關(guān)工程設(shè)施設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。對研究提出的治理方案的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益進(jìn)行分析,更好地對該流域的治理效果進(jìn)行評(píng)估。流域水土保持能力的提升主要體現(xiàn)在土壤蓄水能力的提高,表1為不同帶區(qū)土壤特性變化情況。

表1 不同帶區(qū)土壤特性變化情況

從表1可以看出,當(dāng)進(jìn)行各種生態(tài)景觀工程設(shè)計(jì)后,不同帶區(qū)植株的土壤特性均存在不同的變化。在物理性質(zhì)上,研究區(qū)流域的土壤較治理前,其平均含水量和土壤孔隙情況增加幅度均在0.1%以上,最大增值幅度達(dá)到2.89%和1.24%。在化學(xué)性質(zhì)上,各帶區(qū)的植物養(yǎng)分含量均有所提升,其有機(jī)碳、含氮量以及含磷量的增加幅度最大均超過3.5%。上述結(jié)果表明,該流域的土壤蓄水能力以及養(yǎng)分涵養(yǎng)能力均得到提升,表明該水土保持工作的有效性。同時(shí),對各項(xiàng)水土措施的蓄水量和保水量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表2。

表2結(jié)果表明,在進(jìn)行各項(xiàng)治理措施后,該流域的蓄水能力和保水能力均得到不同程度的提升,其效率提升均在35%以上。其中,梯田工程及水土保持工程所帶來的保水量達(dá)到理論10.91×104和5.47×104m3。借助等效方法,河道清淤資金補(bǔ)助和建設(shè)費(fèi)用為5和2萬元,故研究提出的水土保持工程能在效益上獲得65.49萬元,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 保水及蓄水效益情況

3 結(jié) 論

小流域的水土治理工作在我國水土保持工作中具有十分重要的意義。本文以某小流域?yàn)檠芯繉ο?對其進(jìn)行水土工作處理和景觀設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,生態(tài)景觀工程設(shè)計(jì)后,土壤的平均含水量和土壤孔隙情況增加幅度均在0.1%以上,最大增值幅度達(dá)到2.89%和1.24%。同時(shí),該流域的蓄水能力和保水能力得到提升,其效率提升均在35%以上。其中,梯田工程及水土保持工程所帶來的保水量達(dá)到理論10.91×104和5.47×104m3。整體表現(xiàn)出較高的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益,有效實(shí)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境修復(fù)以及流域綜合治理工作的提升。加強(qiáng)對流域生態(tài)景觀工作的后期管護(hù)工作以及管理機(jī)制的完善,能有效實(shí)現(xiàn)綜合治理工作的提升。