宁夏扶贫扬黄灌溉工程水土保持监测及评价

2013-12-16魏亮杨波张静月

中国水土保持科学 2013年5期

魏亮，杨波，张静月

(宁夏回族自治区农业勘查设计院，750002，银川)

水土保持监测数据是评价主体工程实施效果的主要依据之一，其精度的高低对工程建设过程中的水土流失防治决策、相关措施调整方案、方案验收结果和当地同类项目前期数据引用等方面会产生重大影响，尤其对大型开发建设项目更为直接。宁夏扶贫扬黄灌溉工程水土保持监测工作通过不同的水土流失量监测方法获得数据，运用其相互间的逻辑关系与应用条件，采用相互检验、相互补充，综合判断，科学分析的原则去粗取精，获取达到一定精度要求的数据，对数据应用进一步相关性分析后得出红寺堡项目区起沙初始风速数据，不同护坡条件、不同措施条件下的拦沙率数据，不同施工阶段的土壤侵蚀背景值。监测数据填补了我区在干旱风沙区缺少水土流失资料的空白。本工程采用的水土保持监测方法、实测数据、应用指标等对同类开发建设项目工程在投资决策、建设实施及后期评价方面具有重要的借鉴作用;工程建设中探索出的水土保持监测技术体系可以作为促进黄河中游多沙区开发建设项目水土保持工程建设的经验进行推广。

1 工程区域概况

宁夏扶贫扬黄灌溉工程是实现国家“八七”扶贫攻坚计划和宁夏“双百”扶贫攻坚计划的战略工程，位于宁夏回族自治区中部干旱带，由新开发的红寺堡灌区和固海扩灌区2部分组成，主要解决来自宁夏中卫、吴忠、固原3市9县(区)移民的脱贫致富问题。涉及总土地面积1 461 km2，主体工程建设内容为新建及配套水利骨干工程、供电工程、通讯工程、农业及田间配套工程、移民工程、水土保持和环境保护工程等，完成改造扩整水源干渠49.57 km，建设主泵站18座，支泵站18座，输水干渠334.9 km，支干渠232.6 km，输电线路417 km，新建及改扩建变电所31座，新建1个水利专用通信网工程，总投资36.69亿元，建设期6年［1］。

工程从1994年9月开始筹建，于1996年5月奠基，1997年5月批准兴建，2003年10月固海扩灌全线通水，2005年11月骨干工程按批准设计全部建成。工程水土保持监测工作于2002年8月开始，2008年5月结束。工程分水利骨干工程区、移民工程区、农业及灌区配套工程区、供电工程区和通信工程区5个分区，建设区总面积5万9 200 hm2，弃渣量1 020.84万m3。工程建设后移民40余万人，开发灌溉土地5.32万hm2。据2007年数据据统计，实现人均纯收入增长1 300元，土地比移民前增产粮食6 600余万t，纯收入增加4亿4 200万元。

工程建设不仅使项目区农业生产生活条件得到了有效改善，土地利用及产业结构趋于合理，劳动生产率明显提高，经济得到发展，而且促进了对黄河上中游多沙粗沙区流域的开发治理，生态环境得到了更大改善。

2 监测方法及指标

扶贫扬黄灌溉工程项目区位于宁夏中部典型的水蚀风蚀交错区，水土保持监测中选择不同的监测方法对数据的精度影响很大。为了提高了数据采集的精度，监测中采用地面监测、实地调查和巡查检测等不同方式相组合，结合GPS技术，进行精确定位定点，利用水蚀径流场［2］、风蚀观测场、流域卡口站和侵蚀沟量测［3］等常规监测设施及方法的不同组合，补充和校验监测数据;在建设期不同时段，选取植被调查样方，调查测定植物措施的成活率、保存率和林草覆盖度等植被指标，分析评价水土保持措施对工程建设扰动破坏的治理效果;加强在施工过程中对土地的扰动情况、弃土弃渣量、耕地的占用及复耕数量、水土保持措施实施数量的监测统计，利用水土保持监测规范的评价指标及不同指标相配合的方法体系来评价主体工程建设及水土保持措施实施的影响程度、实施质量和效果。

2.1 主要监测方法

2.1.1 水蚀径流场法选择在已经扰动的开挖面或堆填坡面修建径流观测小区。坡度取观测处原地形平均值。宽度5.0 m，长度取水平投影20.0 m。四周布设混凝土板围埂，制作成内直外斜的型式。围埂外侧设置保护带，带宽2 m，种植低矮草种，后端设置集水槽，呈三角形。比降取1%，槽深30 cm，顶宽40 cm。槽后接径流桶，采用镀锌铁皮制作，直径1.0 m，高度1.6 m。径流桶平时加盖，径流桶进水口低于引水槽出口。每次径流后根据同期观测的降雨特征值，取样分析被侵蚀的泥沙量，计算水力侵蚀强度。水蚀径流场示意图见图1。

2.1.2 水蚀侵蚀沟法选定的典型坡面上，量测坡面形成初的坡度、坡长、坡面组成物质密度等，并记录造成侵蚀沟的次降雨。在每次降雨或多次降雨后，量测侵蚀沟的体积，得出沟蚀量，根据小区面积与监测区面积比例关系，计算水土流失量。示意图见图2。

图1 水蚀径流场示意图Fig．1 Schematic of water erosion runoff field

图2 水蚀侵蚀沟法监测示意图Fig．2 Schematic of water erosion gully monitoring method

2.1.3 水蚀控制断面卡口站法卡口站布设在一定集水区出口，修建具有三角形断面的量水槽，采用西峰水保试验站三角形量水槽断面尺寸和公式［4］，次降雨过程中量测水位、取水样并称取含沙量，计算侵蚀量(图3)。

2.1.4 风蚀简易小区法风蚀小区采用简易小区法，宽度2 m，长度水平投影2 m，面积4 m2。小区内分上中下、左中右纵横插各3排钢钎，共计9条，打入地下，并在钢钎与地表接触处涂上红漆，编号登记入册。每次大风之后和年终观测标记距地面高度，量测土壤侵蚀厚度，计算侵蚀量。为保证观测的连续，钢钎可长期定点不变，平常加强保护防止人为破坏影响观测数据的精确性，对损坏丢失的钢钎应及时补插，示意图见图4。

2.2 水土保持监测采用的指标

1)水土流失防治措施监测:采用调查、询问或实地测量等方法，统计记录水土流失防治责任范围内的水土流失防治措施类型、扰动面积与工程量等。

2)生态环境变化监测:通过设立对照小区，采用统计、丈量、照相、调查等方法反映工程建设引起当地地形地貌、植被、水系等变化情况，监测植被类型、郁闭度或盖度、监测生物群落演替等来反映生态环境变化程度。

图3 水蚀控制断面卡口站法监测示意图Fig．3 Schematic of bayonet check station monitoring method of the water erosion control section

图4 风蚀简易小区法监测示意图Fig．4 Schematic of the simple wind erosion area monitoring method

3)水土流失危害监测:水土流失危害监测内容主要包括重力侵蚀量调查、泥石流调查、土地沙化、土壤理化性质变化、水力引起的干支渠道掩埋冲毁、淤压调查。

4)水土保持单项措施效果监测:依据水土保持工程措施、植物措施、综合防治措施的实施进度多次进行监测。监测指标包括水利骨干工程中的干支渠、泵站边坡防护、排水沟、挡土墙、公路排水沟、场地硬化等工程措施的个数(处)、主要措施及规格、面积、减少土壤流失量和保护与维修情况等;泵站、渠道、移民点及周边各类林草措施的位置、面积、成活率及保土效果等;料场面积、整治后的地面状况、覆土厚度、整治后的土地利用方式等。

5)水土流失治理综合效益监测。植被调查:在有代表性的区域中选有代表性的坡耕地、草地、林地、农地结合风蚀小区监测，量测郁闭度或覆盖度。灌区内林、草样方位置应在坡面的上、中、下部等不同部位，其生长情况有良好的代表性，样方面积乔木林为20 m×20 m，灌木林为5 m×5 m，草地为2 m×2 m。林地郁闭度监测用树冠投影法，灌木覆盖度的监测用线段法，草地覆盖度的监测用针刺法或网格法。蓄水保土效益监测:主要采用对照小区与建设期监测小区对比的方法、农林牧措施间的横向对比的方法进行。灌区总蓄水保土效益采用水保法［5］计算。

6)经济效益监测:采用定点和定位监测相结合的方法。定点监测是选取典型农户，调查询问农户基本情况、每年生产性固定资产情况、年末生产性固定资产情况、当年新增生产性固定资产情况、年末生活消费支出情况、生产投入与产出情况、农产品经营收入情况、农户劳动力情况;定位监测用GPS选定农户的地块，调查种植投入、产出及用工情况等。

7)社会效益监测:采用典型农户、典型区域的社会调查方法进行，主要内容涉及人们对水土保持措施和水土流失治理的认知程度，水土保持对社会发展的促进作用等。

2.3 监测结果的自检查及校正

不同的监测方法获得的数据不同，甚至存在很大差距;因此根据不同监测方法、不同监测小区间的组合关系，利用数据间的逻辑关系，与原貌小区的对照关系，把不同方法、不同组合和不同小区获得的数据进行相互检验、相互补充，综合判断，科学取舍，合理分析，以获得合理有用的数据，发现措施与减蚀量间的规律，为工程建设、措施规划提供科学依据。

1)监测结果的相互检测:根据不同监测方法应用条件、获取数据的方式及相互关系，分析检测测钎法、径流场法、侵蚀沟法、卡口站法测量所得的单位面积的侵蚀数据的合理性和正确性。如测钎法主要用于风蚀监测，径流场法、侵蚀沟法及卡口站法主要用于水蚀监测;因此，风蚀量主要侧重于用测钎法测得的数据，水蚀量主要侧重于用卡口站测得的数据。一般来说，同一地区测得的水蚀数据表现为侵蚀沟法＞径流场法＞卡口站法，数据误差表现为侵蚀沟法＜径流场法＜卡口站法。

2)监测结果的相互监督和反馈:通过与原设计方案中的分区、占地、土石方数据和植被指标数据对照，寻找与设计数据不一致的地方，分析不一致的原因。对占地变动大、扰动范围大的，分析相关原因，反馈给建设单位，建议建设单位督促施工单位和监理单位优化施工工序和方案，提出合理化建议。通过原地貌小区、风蚀小区和水蚀小区获得数据的相互比较对照，对于发生侵蚀数量大的地方，建议主体工程施工过程中加强防护措施，优化布局，减轻水土流失。

3)监测结果的预测预报:利用测量的单位面积水土流失数据和植被指标数据分析水土流失量和扰动面积间的关系，计算不同分区、不同措施和不同时段间的水土流失量，汇总计算整个工程建设期和植被恢复期的水土流失总量，从而预测分析各项水土保持措施产生的效益［6-8］。

3 结果与分析

3.1 侵蚀模数及侵蚀量的变化规律

依据上述监测方法及监测结果的相互校验，得出工程建设期不同扰动地表土壤侵蚀模数在6 000～9 600 t/(km2·a)之间，开挖面小于回填面，移民点观测土壤侵蚀强度为6 000 t/(km2·a)，其他扰动区开挖面观测数值为7 200 t/(km2·a)，回填面观测数值为 9 600 t/(km2·a)。

由于地表扰动面积、扰动强度及水土保持措施的实施数量在不同建设时段发生变化，因此其水土流失强度也必然随主体工程建设进度和水土保持措施的实施进度发生相应变化。通过连续监测，得到监测灌区不同时段水蚀风蚀强度数据，见表1。

表1 红寺堡灌区和固海扩灌区水风蚀强度监测数据变化表Tab．1 Monitoring data variation of intensity of water erosion or wind erosion for Hongsibu irrigation area and Guhai irrigation area t/(km2·a)

根据数据分析计算，主体工程建设过程2003、2004、2005、2006和2007年土壤流失量依次为24万7 992.7 t、24 万 1 152 t、13 万 7 099 t、11 万 626 t和4万3 158 t，年土壤流失量逐年递减，相应土壤侵蚀量递减率分别为 2.76%、43.15%、19.31%、60.98%，见图5。

图5 2003—2007年扶贫扬黄灌区水土流失量递减变化折线图Fig．5 Change of soil and water loss amount in Ningxia poverty alleviation irrigation area during 2003—2007

在测定风力侵蚀数据的同时，使用手持风速仪观测距地面2 m处的风速数据。通过对地面组成物尤其是不同风沙土粒径的起沙风速测定发现:红寺堡地区0.1～1 mm粒径风沙土的起动风速为4.0～7.2 m/s。其中:粒径在0.1～0.25 mm之间时，平均起沙风速为4.0 m/s;在0.25～0.5 mm时，平均起沙风速为5.6 m/s;在0.5～1 mm时，平均起沙风速为6.7 m/s;在＞1 mm时，平均起沙风速≥7.2 m/s。

3.2 水土流失防治效益

3.2.1 不同措施类型水土流失强度及减沙率对比

针对不同工程护坡、土地整治、造林、人工种草等对象进行布点监测，得出不同措施类型对水土流失量的影响，分析得出不同措施减沙率。结果数据见表2。

从以上数据分析得出，人工种草防护效果最高，达71.52%，混交林次之，工程护坡可以达到50%，土地整治防护效果最低;因此，在该类项目区中水土流失治理措施配置中，应该积极推广人工种草、乔灌草结合，工程措施与生物措施相结合等形式，能够最大限度地减小水土流失强度，减轻水土流失危害。

表2 不同措施类型水土流失强度及减沙率结果表Tab．2 Result of soil erosion intensity and the sediment reduction rate affected by different measures

3.2.2 治理前后监测的土壤有效养分含量变化对比监测结果表明，项目区内小气候得到了明显改善，起沙风时间由30 d/a减少为21 d/a，相对湿度由48.7%提高到50.8%，年蒸发量由2 050 mm降到2 015 mm，荒地造田后有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、速效磷、速效钾质量分数分别由原来的0.830%、0.085%、0.083%、0.069‰、0.002‰、0.025‰ 和 0.079‰ 变化为 0.910%、0.089%、0.088%、0.077‰、0.003‰、0.040‰和 0.104‰。可见其保持水土、提高土壤肥力的效益是极其显著的。

3.2.3 监测期扰动面积与土壤流失量变化对比土壤流失量由2003年的24万8 193 t减小为2006年的11万626 t、2007年的4万3158 t(表3)。相对于2003年来说，2004—2007年每km2的保土量依次为79.6、1 283.51、1 557.46 和 2 326.61 t，保土效率依次为2.84%、45.74%%、55.51%和82.91%。

3.2.4 工程建设引起的社会经济情况对比项目区年人均占有粮食739.28 kg，增加了194.54 kg，人均年纯收入达到 1 847.93元，比 2003年增长255%，实现了“一年搬迁，两年定居，三年解决温饱”的工程目标，部分移民已向小康迈进。

4 结论

经监测，宁夏扶贫扬黄灌溉工程项目区扰动土地整治率达到98.2%，水土流失总治理度达到98%，土壤流失控制比达到1.24，植被恢复率达到93.7%，植被覆盖率达到10.7%，水土流失防治目标基本达到规范要求，各项水土保持措施实施后也逐步发挥了减蚀保土和改善生态的作用。结果表明，扶贫扬黄灌区主体工程中水土保持措施的实施，使宁夏中部荒漠化水土资源环境在开发土地潜力，转变土地利用方式的条件下得到了最大程度的保护，实现了国土整治、资源开发、生态建设、环境保护的有机结合。

表3 不同时期扰动面积、土壤流失量及侵蚀强度对比Tab．3 Comparison between the area of disturbance，soil loss amount and soil erosion intensity during different time periods

5 建议

土地利用方式转变后，水土流失影响随着移民生产活动的开展，由原有的自然侵蚀为主变为人为加速侵蚀为主;因此，在加大保护已有水土保持措施的基础上，保持效益可持续发挥，提升监测成果的应用层次，还需做好以下4方面工作。

5.1 防治风蚀的主要耕作措施

1)深耕改垄。改平作为垄作，垄向与主风向垂直，或不小于60°的夹角，3～5年深耕一次。

2)作物间混套种。实行作物间的混套种，不仅可以提高土地生产力，而且能相对延长地面覆盖物地面留存时间，从而有效减轻风力侵蚀。

3)实行免耕留茬，保持地面覆盖。农田一般在秋季采用留高茬，严禁大风季节对地表耕翻，保持地面覆盖，阻滞风速，减轻风力对地表的侵蚀。

4)实行农林间作。在极易起沙的平沙地，实行农林间作，采用“一水二林三农”的设计理念，以获得综合防护和稳定防护的效果。

5.2 继续实行项目区封禁管护措施

项目区自工程建设后实行以工程围拦为主的草原禁牧措施后，植被恢复效果明显，自然植被由原来的15%恢复到22.81%，生态环境朝着有利于水土保持的方向变化。

5.3 开展扶贫扬黄灌溉工程水土保持监测数据的应用及验证推广工作

水土保持监测作为主体附属工作中的一项，为建设单位提供了翔实的第一手资料，在建设期能及时反馈信息，提出优化施工方案建议，具有减少原生地貌扰动，减轻风水蚀危害的重要作用，能为同类地区分类优选治理措施提供很好的现实参照，为水土保持规划和设计提供参考数据和计算依据;因此，继续总结本工程水土保持监测技术的应用经验、汇总分析基础数据及效益数据，通过其他类似项目验证数据的准确性、方法的合理性及指标的科学性，进一步优化监测方法、措施、修正数据应用缺陷和拓展完善指标体系，开展该工程水土保持监测数据的应用及验证推广工作。