连续式柳编跌水在侵蚀沟治理中的应用——以拜泉县松林小流域为例

徐金忠，刘 松，高德武，刘凤飞

(黑龙江省水土保持科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150070)

东北黑土区是世界上仅有的四大片黑土区之一，是我国最大的商品粮产区，其粮食生产能力和农业可持续性关系到国家的粮食安全战略[1]。当前，该区域正遭受着严重的水土流失，尤其是沟道侵蚀和黑土退化已成为制约当地农业可持续发展的主要因素。沟道侵蚀是土地退化主要的过程及最严重的表现形式[2]，是长期存在的一个最受关注的具有普遍性、紧迫性和复杂性的世界性环境问题[3]，其发生机理[4-5]、发育过程[6-8]、影响因子[9-10]等被广泛关注，侵蚀沟防治措施也成为侵蚀沟相关研究的最终对象。处于发展阶段的侵蚀沟多以沟头前进(溯源侵蚀)、沟岸扩张和沟底下切三种表现形式作用于沟道，使侵蚀沟向长、宽、深三个维度扩展。沟头防护工程是一种在侵蚀沟头用于防止沟头前进的水土流失防治工程措施，主要被用来制止坡面暴雨径流由沟头进入沟道或使之有控制地进入沟道，从而制止沟头前进，保护地面不被沟壑切割破坏[11]。

连续式柳编跌水是排水式沟头防护工程中跌水式沟头防护工程的一种，是为防止沟头前进、沟底下切和沟岸扩张，以柳条为主要材料，在侵蚀沟内修建的斜坡式消能建筑物[12]，一般适用于黑龙江省黑土丘陵区域内沟头落差大于2 m的发展型侵蚀沟，目前已在黑龙江省拜泉-克山地区广泛应用并取得良好效益。其特点是：柳条成活率高，不易冲毁，可长期运行，造价低廉，施工工艺简单。利用连续式柳编跌水进行沟头防护, 既能保障侵蚀沟沟头的安全与稳定, 又能为侵蚀沟的生态修复提供有利条件, 从而起到保护生态环境和提高水体自净能力的作用。

1 连续式柳编跌水的适用条件

连续式柳编跌水适用于位于耕地之中，沟头侵蚀严重，沟道比降小，沟道边坡缓，沟道较浅，部分沟段沟深大于2 m，需要削坡，汇水面积小于100 hm2的处于发展阶段的侵蚀沟[12]。

2 水力计算

连续式柳编跌水工程的防御标准是10年一遇6 h最大暴雨[12]。一般通过对拟治理的典型侵蚀沟道进行实地踏查，确定沟头位置，实测出侵蚀沟长度、均宽、均深，沟头跌差、比降、汇水面积等参数，并结合工程需要，在保证工程正常运行的前提下，选择有利于侵蚀沟道生态修复的兼顾安全性的连续式柳编跌水作为典型沟道沟头防护措施。为了保证工程质量、节约工程投资，需要通过水力计算确定铺设柳编跌水的沟槽宽度。下面以拜泉县松林小流域典型侵蚀沟为例，对铺设柳编跌水的沟槽宽度进行计算。

根据实测，拜泉县兴国乡松林村孟大骡子屯侵蚀沟道长1.5 km，沟顶平均宽度20.4 m，沟道平均深度6.0 m，沟头跌差3.2 m，平均比降3.1%，沟头汇水面积98 hm2。为防止沟道发生溯源侵蚀，在沟头修建连续式柳编跌水，设计长度200 m(侵蚀沟发展段长度)，那么沟槽宽度计算步骤如下。

2.1 计算设计流量

设计流量根据公式Q=0.002 78KIF[11]计算，式中：Q为设计流量，m3/s；K为径流系数；I为降雨强度，mm/h；F为沟头以上汇水面积，hm2。

(1)确定径流系数。通过查询黑龙江省水文图集(1956—1992年平均年降雨量等值线图、1956—1992年平均年径流深等值线图)，得到松林小流域多年平均降雨量为490 mm、多年平均径流深50 mm ，计算得出径流系数K=0.1。

(2)计算汇水面积。通过ArcGIS软件，结合1∶1万小流域地形图，测得松林小流域汇水面积F=98 hm2。

(3)确定降雨强度。通过黑龙江省水文图集分别查得多年平均最大6 h降雨量为48 mm、对应的模比系数为1.77，多年平均最大24 h降雨量为61 mm、对应的模比系数为1.83。经计算求得I=58.51 mm/h。

(4)计算设计流量。将上述参数代入流量计算公式，计算得到Q=0.002 78KIF=1.59(m3/s)。

2.2 试算沟槽过流能力

由此可见，设计流量Q

3 连续式柳编跌水施工工艺

3.1 施工条件

(1)施工应在秋季进行，并于土壤冻结前完工。

(2)柳条应为2～3年生活立木枝条，宜在采集后3日内铺设。

(3)侵蚀沟周边道路、水源供给应满足施工要求。

(4)施工布局应少占地，尽量减少对原有植被的破坏。

3.2 沟道整形

(1)采用机械修整坡面时，表土应集中堆放，为下道工序做准备。

(2)削坡坡面应平整，坡比应达到设计要求。

(3)填方夯实应达到设计标准。

(4)边坡处理后，测量放线，开挖铺柳沟槽。

(5)根据测定的铺柳沟槽位置，按设计尺寸，确定轮廓线。

(6)采用机械开挖，挖方堆放于铺柳沟槽两侧的边坡并摊平。

3.3 柳编工程

(1)铺设厩粪层。在铺柳沟槽内铺10 cm厚厩粪或熟化土。从沟槽尾部向上逐级铺设，柳条捆之间也可用厩粪或熟化土填实。

(2)定桩。沿垂直沟槽中心线方向距沟槽末端10 cm开始打桩，打桩入土50 cm，沟槽两边各预留50 cm，桩间距40～60 cm，均匀布设；行间距宜150 cm。

(3)铺柳条枕、柳条。在沟槽末端沿垂直水流方向铺柳条枕，柳条枕长度与沟槽宽度相等，用铁丝将柳条枕固定于木桩上,覆盖土；在柳条枕上铺设一层柳条，柳条根部顺水流方向，紧靠沟槽末端；在柳条上对应木桩的位置再铺柳条枕，用铁丝将柳条枕固定于木桩上。依此类推，逐级铺设到沟槽封头处。

(4)封头。在沟槽顶端10 cm处沿垂直水流中心线方向，开挖宽20 cm、深20 cm的凹槽，长度与铺柳沟槽宽度相等；凹槽内放入直径20 cm的柳条捆，木桩固定，桩距同上级；在柳条捆上面铺一层10 cm厚的柳条，铺柳根部紧靠沟槽顶端，在相应位置再铺直径20 cm的柳条捆，铁丝固定。最末两级间柳条做切梢处理，长度应为最末两级桩距加20 cm。

(5)铺设柳条龙。封头后，在沟槽内两侧铺设柳条龙，长度同沟槽；打桩钉牢柳条龙，桩间距75 cm，用铁丝把柳条龙固定在木桩上。之后全面覆盖10～15 cm表土，并踏实。

(6)覆土。柳条龙铺设后，用剥离的表土进行覆土，人工整平踏实。

(7)浇水。覆土后浇一遍透水。

(8)用铁丝固定铺柳时，不宜过紧，以人工踩踏不发生位移为度。

(9)杨树桩亦可代替木桩，钉桩时应将杨树根部端向下。

连续式柳编跌水纵剖面图、俯视图分别见图1、图2。

图1 连续式柳编跌水(纵剖)

图2 连续式柳编跌水(俯视)

4 效益分析

柳编跌水较浆砌石跌水施工工艺简单，不需要专业的施工机械设备，对施工人员的专业素质要求较低，适合于村民自建。材料价格方面，柳条相比块石、水泥、砂浆优势明显。浆砌石跌水长期受到径流的冲刷，基础很容易遭到破坏，对后期维护要求较高，而柳编跌水由于柳条成活率高，耐冲刷性好，后期管护较容易。柳编跌水非常适合在盛产柳条的黑土丘陵地区推广应用。