陇东黄土塬区固沟保塬工程治理模式研究

王小帆，霍艾迪，朱兴华，赵彦斌，姜 程，郑小路

（1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安710054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安710054；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054；4.庆阳市水土保持生态环境监测分站，甘肃庆阳745000）

陇东黄土塬区能源富集,是我国重要的能源、化工基地［1］,长期以来,由于土质疏松、降雨时空分布不均,因此水土流失十分严重［2］,造成沟头不断前进、塬面逐年萎缩,已对当地农业和经济的发展造成了严重危害,给塬区人民的生产生活造成极大的不便。据庆阳市水土保持局调查,该市各流域水土流失面积占比均在90%以上,个别地区高达98%,经济发展带来的城市拓展、基础设施建设、石油煤炭资源开发等人类活动,使塬面萎缩速度愈发惊人。目前,黄土塬区的马莲河一级支流火巷沟沟头已伸入到庆阳市西峰区市区腹地,距市中心不足 1 000 m［3］。

过去60多a来,经水土保持、水利、农业及相关科研部门长期联合探索,“固沟-护坡-保塬”的黄土塬区治理理念日趋清晰,提出了一系列综合治理措施［4-9］,如黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站历经60多a探索,提出了“塬面径流调控、坡面植被恢复、沟道水沙集蓄”三道防线治理模式,以砚瓦川流域为基础提出了基于径流调控利用的多元综合治理模式。2014年庆阳市政府对固沟保塬工程进行专题部署,制定并实施塬面保护治理总体规划,这是黄土塬区实施的一项重大水土保持和土地整治工程,目前有些固沟保塬工程建设已接近尾声。固沟保塬治理模式可分为哪几种类型、今后应如何卓有成效地开展？对此,笔者在典型的黄土塬区——董志塬对固沟保塬工程建设情况进行了实地调研,对固沟保塬实施方案中典型沟道的治理模式进行了分类总结,对实施固沟保塬工程建设的火巷沟进行遥感影像解译和治理效果评估,以期为今后固沟保塬工程建设提供技术参考。

1 董志塬西北塬区固沟保塬主要治理模式

固沟保塬工程建设,源于20世纪50年代以来南小河沟土地整治的实践经验［10-11］。据实地调查,目前董志塬西北塬区固沟保塬治理模式主要有简单填埋型（砚瓦川)、排水+填埋型（火巷沟)、排水+填埋+护坡型（冯家畔沟)、排水+填埋+生态护坡型（驿马大沟)4种类型,见图1。

图1 固沟保塬工程主要治理模式

1.1 简单填埋型

对侵蚀沟简单填埋是董志塬治沟保塬最常见的一种工程措施,分为直接倾倒和经过夯实两种方式。填埋物主要分两种,一是其他地方的黄土,二是城市建筑废弃物与黄土的混合物。例如砚瓦川流域对沟头的治理就采用直接倾倒、填埋城市建筑废弃物与黄土的混合物（见图1（a)),这种方式在庆阳市最为常见,原因是节省成本并间接解决了城市废弃物处理的问题,但此方式填埋物未进行人工固化直接倾倒沟内,废弃物裸露,受雨水冲刷,会造成地下水水质污染。对于没有足够回填物来源的大型沟道的沟头防治,应该充分考虑高塬沟壑区“径流主要来自塬面,泥沙来自沟谷”的实际情况,在水文分析的基础上,采用化整为零的方式在塬面修建涝池等拦蓄塬面径流,同时布设沟头防护工程。

1.2 排水+填埋型

该模式一般有悬臂式跌水、陡坡式及台阶式跌水混合泄水防护工程,如实施固沟保塬的重要工程——火巷沟沟头治理工程（见图1（b)),该工程在填埋土体之上修建横向排水渠,径流汇流后排泄入沟。这种治理模式可在一定程度上防止径流对坡面的冲刷,但侵蚀沟局部区域导流设计不合理,尤其是在泄水结构选择和工程设计方面未根据沟头水文、地形条件精确计算汇水量,尚未解决地下水淘蚀问题,易引发重力侵蚀,导致填埋工程从底部坍塌。

1.3 排水+填埋+护坡型

该模式是在排水+填埋型治理的基础上,在沟道两边修筑护坡工程,对坡面土体进行加固,防止土体流失,如对冯家畔沟的治理（见图1（c))。常见的护坡方式有干砌石和混凝土砌石护坡、格状框条护坡等,与排水+填埋型治理模式相比,护坡工程可截留降雨、削弱溅蚀,更好地防止填埋土体的流失。

1.4 排水+填埋+生态护坡型

生态护坡就是综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知识对边坡进行保护,形成由工程和植物组成的综合护坡系统。排水+填埋+生态护坡型治理模式就是在对沟道进行填埋后,利用植物与岩土体的相互作用（根系锚固作用)对边坡表层进行防护、加固,不但降低填埋土体的孔隙水压力,而且还可以截留降雨、恢复遭受破坏的自然生态环境,是一种有效的固土手段,如对驿马大沟的治理（见图1（d))。此模式防护效果最为明显,沟道侵蚀得到明显控制。

2 火巷沟治理效果分析

火巷沟紧邻庆阳市西峰区东城区,沟头距离城区居民住宅区不足50 m,由于城市生活及企业排水引起沟岸塌陷,部分企业厂房已悬空,随时都有塌陷的危险,从2000年开始对该沟道采取简单填埋的方式进行治理。据对2000年10月19日（晴)ETM影像（见图2)和2017年5月17日（晴)快鸟卫星影像（见图3)的解译,分析火巷沟固沟保塬治理效果。尽管从2000年开始进行了填埋式治理,但沟头仍在不断侵蚀前进,17 a间火巷沟沟头仍前进了48 m,原因是缺乏合理的径流调控措施,人为机械夯实的黄土与原始固结黄土相比结构稳定性更差,导致该工程短期内效果明显,但长期而言易在汛期被径流冲蚀。因此,近期在简单填埋治理的基础上配套建设了径流调控（排水)工程等,以综合防治沟道侵蚀、防止沟头前进。

图2 2000年10月19日ETM影像

图3 2017年5月17日快鸟卫星影像

3 固沟保塬科学治理模式研究

3.1 厘清沟头前进致灾原因，针对主控因子“对症下药”

庆阳市不同流域沟道侵蚀致灾主要原因不尽相同。沟道若临近城区,则城市不合理的排水系统可能加剧侵蚀；沟道若在农区（农村、农田),则因黄土具有湿陷等性质,故直接被降雨冲刷后易形成落水洞等,引起坍塌造成沟头前进［12］。虽然造成溯源侵蚀、水土流失的原因都是径流冲刷,但沟道所在区域不同,径流产生的方式也不同,因此针对不同沟道应先厘清其径流产生方式,再“对症下药”,采取相应工程措施。对临近城区的沟道,合理修建排水渠道或管道,禁止直接向沟道放水；对农区沟道,可栽植深根性灌木,固土绿化、阻止雨水直接冲刷土壤。

此外,针对黄土塬区普遍存在的重力侵蚀灾害［13］,基于常见滑坡治理虹吸排水法［14］,结合黄土自身横向渗透性差的特性［15］,提出一种图4所示的辐射井（二叉树)虹吸-泵吸排水装置,用来降低侵蚀沟的地下水位、治理黄土塬区侵蚀滑坡：通过打井监测沟壑坡脚处地下水位,在合适高程处布置横井,横井管道采用二叉树辐射状连接,覆盖面积大、密集度高、汇水性好,土壤中赋存的地下水经反滤层、滤布双重过滤后进入管道中；竖井垂直管道中放置液位计感应探头,通过压力传感器准确测算出地下水位,一方面将其转化为电信号无线传输至云平台,可远程获知地下水位的变化情况,另一方面转化的电信号传递至控制器,控制器根据水位高低切换合适的排水方式；在沟底修建蓄水池,将蓄积的地下水抽至塬上供居民使用；在塬面汇水区域可修建梯级排水系统,就地拦蓄、利用。此装置构造简单、汇水性好、造价低廉,可配合沟头回填措施,防治黄土崩塌、滑塌,控制沟道溯源侵蚀,但目前具体应用的实践经验不多。

图4 二叉树排水法降低坡脚地下水位示意

3.2 建立水蚀模型，模拟大时空尺度下水土流失响应机理

当前实施的固沟保塬工程建设多依赖于经验,缺乏科学的理论体系支撑,没有系统的规范作指导,大部分措施只重视小尺度范围治理（如仅沟头填埋)而忽略了中大尺度（如流域)的反馈效应,只重视短时间尺度的治理效果而忽视中长期时间尺度的反馈,部分治理措施的效果差强人意。因此,在实施治理措施之前,建议采用水蚀模型,针对不同沟道的固沟保塬工程措施,定量评估中大空间尺度、中长时间尺度的实施效果以及整个流域的反馈效果,即超前判识工程效果,确保固沟保塬工程建设的实效。

3.3 依据“三区三线”，制定科学系统的防治体系

划定“三区三线”是党中央对空间规划的明确要求［16］,“三区”指生态、农业、城镇三类空间,“三线”指根据生态空间、农业空间、城镇空间划定的生态保护红线、永久基本农田边界、城镇开发边界。固沟保塬工程是一举多得的民生工程,其有效实施直接影响黄土塬区城镇“三区三线”精准落地,因此应依据政府部门确定的“三区三线”,着眼城镇、农业、生态空间布局,基于用地分类、城镇边界,划分地质灾害高易发区和高危险区,根据沟道具体情况,采取相应的治理模式（见表1)。根据董志塬土地利用现状调查、农田及林地规划,结合高危险区域分析,在不影响经济发展的情况下,应适当缩减农田、营造防护林,在保证生态空间面积不减小的情况下,合理规划固沟保塬工程,有效防止沟头前进。

表1 “三区三线”及对应的固沟保塬治理模式

截至目前,庆阳市固沟保塬工程已治理水土流失面积1.09万km2,占全市水土流失面积的47%,取得了显著的成效,应通过总结评估,为今后系统、科学、经济地开展固沟保塬治理提供借鉴,争取在未来做到水不下塬、坡不滑塌、沟不扩展,促进治理区生态环境和农村人居环境得到明显改善,农业与农村产业结构不断优化,生态文明建设取得显著成效。