沟道水资源的水土保持开发利用模式研究

□陈维杰

降水经坡面的地表径流及土内渗流而汇入沟道后，将形成小流域洪水并对沟床产生水力侵蚀。为防止和减轻这种侵蚀，同时最有效地开发利用小流域洪水资源，使其变害为利，人们经过长期的生产实践和科学试验，探索出了一种以蓄水为主兼具削峰、拦沙功效的小型集流坝。本文主要通过对研究区小流域集流坝的调研分析，着重概化推求布坝密度、蓄水规模、合理坝高等重要参数，并根据不同的自然条件归纳分类出几种开发利用模式。

一、集流坝主要参数的确定

(一)布坝密度的研究。根据研究区的统计数据，筑坝密度与流域水文地质条件及沟道宽窄形状有关。下表分别列出土石山区和黄土丘陵区两类不同地域的典型小流域集流坝调查资料，从中可找出一定的规律性。

表1 典型小流域集流坝情况调查表

从上表可以看出，在豫西山区开展以工程措施为主的水土保持建设，当治理程度达到80%以上时，土石山区的布坝密度以掌握在0.5～0.6座/km2为宜，黄土丘陵区以0.6～0.75座/km2为宜。

(二)蓄水规模的研究。集流坝的蓄水规模和当地的降雨量、下垫面特性以及用水需求有关。下表分别列出两类不同自然条件下的统计资料以概化出其经验参数。

表2 典型小流域蓄水规模统计表

根据上述已成集流坝的统计资料可知，在豫西的降雨特性以及能够满足流域内生态、生产及生活用水的条件下，土石山区的单坝蓄水规模宜设计为5000～10000 m3，黄土丘陵区宜设计为10000～25000 m3。

(三)坝高与库容的关系研究。坝高与库容的关系主要取决于流域形状。土石山区的流域形状大多呈V型狭长状，黄土丘陵沟壑区大多为U型宽阔状。下表分别列出两类地区代表流域内的有关统计资料以供分析研究。

表3 集流坝坝高与对应库容关系

通过对两大类型区典型流域内的集流坝坝高与对应蓄水量的统计分析，从而得出如下关系式：

土石山区：V=33H2.55

黄土丘陵沟壑区：V=113H2.34

二、开发利用模式的选择

布坝密度、适宜蓄水规模及合理坝高确定后，即可依据当地的自然条件选择开发方式。豫西一带适宜的开发方式有以下三种：

一是拦水坝。这是集流坝的主要开发形式，其功效近期以拦(蓄)水为主，中后期以拦(蓄)泥沙为主(亦可称“拦沙坝”)。据对汝阳县两座库容分别为10000 m3和6000 m3的拦沟坝实测功效抽查分析，在次降雨在78～96 mm情况下，削峰效益达到42%～45%，减沙效益达到76%～85%。修筑拦沟坝的技术一般比较简单，可根据下表分类优选坝型及根据《集雨节灌技术》有关集流坝设计内容进行规划修建。

表4 不同坝型特点及适用范围

二是截潜流。在黄土丘陵区，年内降雨分配极不均匀，暴雨集中，常常是洪水形成快、峰值高、挟沙量大，在这种自然条件下修建拦沟坝很难解决淤积问题。但豫西一带的丘陵沟壑区多系近代河流冲积形成的潜水区，沟道含水层厚度较大但埋深较浅，岩性多为中粗砂和卵砾石，透水性比新淤坝地(淤积物多为粘土、壤土和细砂等)大得多，因此在这类地区(甚至包括土石山区的丘陵地带)的河流上推行建造河床地面以下的截潜流坝就不失为一种有益的选择。

据汝阳县上店镇1996年在砂砾质淤积河床上建成的4座截潜流工程(截水墙有浆砌石和粘土两种类型)的运行情况看，这种类型的集水工程具有以下明显优点：①位于河床以下，不影响沟河行洪。②与拦沟坝相比，淤积少，使用寿命长。③与淤地坝、拦沙坝相比，水源充沛，补给频率高。④经砂层过滤，水质得以净化，不仅可用于大田灌溉，还可用于人畜饮水和工副业生产用水，更适合于喷、滴灌用水。⑤不易被大自然和人为破坏，平时勿需专人看护。⑥适宜就地取材，易于在山区的中小河流上建造推广。

三是人字闸。人字闸是一种半固定式蓄水闸门，属轻型的小型挡水坝，适应范围比较广泛。据汝阳县、栾川县等地在山区河道及沟谷上的建闸经验，这种形式集水坝的结构特点是：闸前水深H=1.5～3 m，撑杆倾角θ=60°～65°，撑、压跨度R=0.75H，撑、压杆结点高度h=0.84H。人字闸坝的优点是：①闸板为活动式，可装可卸。蓄水期装板蓄水灌溉，汛期卸板泄洪冲淤。②与拦沟坝相比，可利用洪水冲淤来扩大蓄水容积，从而延长使用寿命。③造价适中，一般每米坝长投资2000元左右，按每立方米库容折算约为5～8元。④适宜山区小泉小水的拦蓄，与水渠、堤灌站、流动泵站配套使用十分方便。⑤适宜小面积地块使用，一般二三十亩的地块建一处小型人字闸工程，再配套自流渠(管)或流动泵站进行灌溉，效果极佳。⑥运行管理方便，不蓄水时可以将面板拆装运走，而人字架为固定式，不需设专人看管。⑦可以梯级开发，有利于水资源的充分利用。⑧蓄水后狭谷可以成湖，有利于美化、净化环境，改善流域小气候。

三、运用方式的选择

集流坝的主要功能是兴利蓄水，为流域内的生态、生产、生活提供必要的水源，这也是其和一般的水土保持拦沙坝、淤地坝根本区别之所在。因用水户大都与坝址相距有一定的距离，欲取用水还需配套一定的工程设施。根据配套工程设施的类型及布局特点，可将集流坝的运用方式划分成以下四种类型：

一是坝——坝连环型，即建设集流坝系工程。通常情况下，集流坝系工程的组合形式是：从沟道上游至下游，从支毛沟至干沟，依次布设谷坊和集流坝。集流坝的布设特点是位于上游的容量相对小，位于下游的容量相对大。集流坝系的运用方式大致有两种：一种是清洪分治、排洪蓄清、蓄排结合的方式，如人字闸、截潜流以及设置专用排洪道的拦沟坝，这种方式的效益目标是以供水为主；再一种是上坝拦沙落淤、下坝滞洪蓄清，这种方式的效益目标是近期以调水削峰为主，长远以拦沙淤地为主。

二是坝——窖组合型，即先由集流坝将上游坡面来水蓄积起来，然后通过渠(或管)道输送给水窖，再由水窖转送至用水地点。当用于灌溉时，这种形式则适用于集流场与灌区相距较远、需把水窖建在灌区内的工作方式。汝阳县十八盘乡干里村高庄组在沟道内建了一处总蓄水6000 m3的集流坝工程，然后埋管1200～1800 m，将水送至田间地头，并建了4个水窖，每窖控制耕地面积10～12亩，从而解决了抗旱用水问题。

三是坝——池组合型。其工作原理与坝——窖组合型相同。

四是坝——池——窖组合型。即先由集流坝将雨水送至蓄水池，然后再转送至水窖供用户使用。

四、山泉溪流水资源开发利用模式

从传统的角度讲，一般日径流量小于20m3的小泉小溪即无开发利用价值，而山区由于岩层隙水、土壤渗水等所形成的小山泉较多，这对于水资源尤为短缺的豫西山区而言，若弃之不用则实属可惜。况此类小山泉出流距离短，大多没有污染，水质良好，含沙率极低，能够满足各类用水户对水质的需求，因此开发利用具有一定的使用价值。

近年来，豫西各地以解决人畜饮水困难为主，对山泉溪流进行了较大规模的开发。其工程形式主要有以下两种类型：

一是“长藤结瓜”式。即先在泉水出露处建一小型蓄水池(可明可暗)，然后埋管或修渠(多采用埋管以减小渗漏损失)通往用水地区。有时用水户比较分散，就在管道沿线依据用户的分布情况再布设若干个蓄水池或水窖以调蓄来水(沿线池、窖为并联关系)。这种形式在豫西山区的人畜饮水工程建设中最为常见。

二是“管道带蛋”式。即先在泉水出露处建一个小型蓄水池，然后埋管或修渠，并沿用水线路每到一个用水地点即设置一个蓄水池，再由此蓄水池的溢水口向下一个蓄水池继续埋管或修渠送水，直至终点(沿线诸池为串联关系)。这种形式较适合于山区零碎地块的灌溉，其优点是有利于微水资源的充分开发利用(上游地块用不完的水可不废弃而直接转送至下游地块继续使用)，缺点是上、下游的用水保证率有时差异较大。

五、结论与讨论

对降雨入渗及产流过程的研究一直是众多相关科研人员关注的热点。一般水资源专家的研究往往是侧重于不同集流材料的产流特征、集流性能及集流效率，从而为集雨工程寻找性优价低的新型集流材料；而水土保持专家则着重于探讨不同因子(诸如坡度、坡长、降雨强度等)对土壤流失的作用过程和影响程度，以建立相关的模型来进行水土流失预测预报。本文的立意是根据豫西山丘区半干旱特点，将两个领域的研究方向与方法进行交汇、通融、迭加、统一，即把集雨技术作为水土保持的重要措施、把水土保持作为集雨开发的重要模式进行互融研究，从而取得更为高效、持久的综合效益。