西北黄土高原旱区水土保持工程措施研究与应用

杨婉宁 刘晓东 霍云超

(1.陕西省礼泉县水利管理站，陕西 礼泉 713200; 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

水土资源是中国西北旱区最重要的资源之一，由于其特殊的地理、气候、水文等天然条件，加之一些人为因素的影响，水土流失问题一直是西北环境治理的一大难题[1]。为遏制日益恶化的水土流失问题，各级政府和研究机构采取了调整土地利用结构、退耕还林、改变耕作方式和修建水土保持工程等一系列水土保持措施，并取得了一定成效[2,3]。有研究表明天然情况下，黄土高原流域的泥沙输移比为1左右[4]，而各种工程措施的建设，显著降低了流域的泥沙输移比，比如无定河流域泥沙输移比降低到0.2～0.4之间[5]。还有学者认为，黄土高原水土保持工程措施具有更高的减沙潜力，比如有梗水平梯田对流域的减沙潜力可达到65%～90%，而当梯田比大于40%时，其减少作用基本稳定在90%左右[6]。

1 研究区现状分析

1.1 研究区位置

中国西北旱区位于中国西北部，东至内蒙古锡林郭勒盟，西至新疆边界，南到秦岭—淮河的北麓，北到中蒙国界，辖6个省、56个地级市、397个县，总面积373.3×104km2，约占全国国土面积的38.9%[7]。本文研究区位于西北黄土高原旱区的典型区域，总面积为320 km2。

1.2 研究区水土流失现状

研究区内水土流失主要集中在坡耕地和荒山荒坡上，水土流失面积210 km2，占总面积的65.63%，受地形地貌、坡度、植被和气候等因素的影响，研究区内水土流失形势严峻，危害也在不断加剧。土壤侵蚀模数是反映一个地区土壤侵蚀程度的重要指标，依据相关标准，按照土壤侵蚀模数将侵蚀程度划分为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈六类[8]，各类所对应的土壤侵蚀模数范围如表1所示，研究区的土壤侵蚀程度从轻度到剧烈侵蚀都有，以中度侵蚀为主。

表1 土壤侵蚀强度分级

2 建设原则

为了实现研究区“高标准规划、高起点实施、高品质建设、高效能运转”的要求，工程建设必须坚持以下原则：

1)生态优先原则。

首先要遵循生态学原理，运用生态经济学和系统工程理论，坚持生态优先原则，构建生态文明。从实际出发，因地制宜、全面规划、科学配置各项水保措施，体现人水和谐、人与自然和谐的原则。

2)协调发展原则。

充分考虑区域内经济、社会、环境发展水平，区域内城乡发展水平。使研究区内社会、经济、资源、环境协调发展，推进研究区各个环节、各个方面相协调，促进水资源的高效利用，为现代农业发展，循环经济建设提供保障。

3)科技示范原则。

研究区要坚持科学发展观，充分运用系统工程方法，以小流域为单元，统筹山、水、田、林、路、草治理，沟坡兼治，治理与开发相结合，工程措施和植物措施合理配置，突出最新科研成果应用和新技术推广，成为技术示范的基地。

4)可持续发展原则。

以社会经济可持续发展为原则，充分发挥项目优势，开发现代农业、优势果业、特色禽畜产业，促进农民增收致富。大力改善农村生产生活条件，使区域水土流失得到控制，污染得到治理，生态环境得到明显的改善，农民健康指数和幸福指数提高，实现经济、社会、环境效益的共赢。

3 工程措施的应用

水土保持措施一般分为工程措施和生物措施，工程措施属于基础措施，可以有效的防治水土流失，保护当地的生态环境，合理的利用水土资源，常见措施有坡改梯、沉砂池、集雨窑、护坡、谷坊、淤地坝等。

1)坡改梯。

耕地侵蚀是流域产流产沙的主要来源，坡改梯措施是将原有的坡面耕地改造成梯田，再配合推行地膜覆盖、秸秆还田、提升肥料技术等措施，以达到提高土地生产力、控制水土流失、改善生态环境的目的。相关研究表明，坡改梯工程需布设在坡度小于25°的地面上，一般提倡在5°～20°的坡面上进行建设[9]。研究区共进行了590 hm2的坡改梯工程改造。

2)沉砂池、集雨窑。

沉砂池是减少水土流失的常用措施，可以有效的沉淀粒径0.05 mm以上的粗颗粒泥沙[10]。集雨窑是一种蓄水工程，一般在山顶或者位置较高处进行修建集水场，在集水场下部或者边缘开挖地下水窑收集雨水，收集的雨水用于农田灌溉[11]。

沉砂池、集雨窑主要作为配套工程建设在梯田地块中，这些坡面小型蓄排工程与坡耕地治理、经济林建设及原有工程相结合，同步进行，合理布设，分层拦蓄，从而构成完整的防御体系，保护梯田区、保护耕作区的安全。研究区共建设集雨窑100座、沉砂池100个。

3)护坡。

护坡是指在坡面上做的防止边坡冲刷的各种铺砌和栽植的统称，可以有效的防止边坡冲刷，有利于水土保持，并且能够与周围环境协调融合[12]。护坡不仅仅应用于河道，在水土流失严重的边坡处也多有应用，为了营造出与周边生态环境相协调的坡面防护景观群，研究区设计了浆砌砖护坡、浆砌石护坡、生物袋护坡、蜂巢格室植草护坡、垂直绿化护坡和铺草皮护坡等8种生态护坡，共计1 200 m2。

4)谷坊群。

谷坊是修建在易受侵蚀的沟道中的土、石建筑物，一般高3 m～5 m，基础埋深为2 m～3 m，拦蓄量达数百至几千立方米，用来防止沟底下切、沟岸扩张，减轻山洪或泥石流危害[13]。研究区布设了浆砌石谷坊、笼石谷坊、土谷坊、编篱谷坊与干砌石谷坊5种材料的谷坊群，共计620 m。

5)淤地坝。

淤地坝是指在水土流失地区的各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物，这是我国黄土高原水土流失地区重要而独特的治沟工程体系[14]，同时，淤地坝将泥沙拦蓄，使之成为可以旱涝保收的农田，增加当地的粮食产量，可谓是控沙拦泥的“神器”，丰产增收的“聚宝盆”[15]。研究区共设计建造了28座淤地坝。

4 效益分析

通过水土保持工程措施的建设，在一定程度上提高了对区域地表径流、泥沙的拦蓄能力，扩大了区域内植被覆盖面积。采用定额计算法对工程措施在正常年份下的蓄水保水效益进行计算，参照有关标准[16]和本地治理实际，设定蓄水定额和保土定额，工程的蓄水保水效益如表2所示，蓄水保土效益计算公式分别如式(1)，式(2)所示：

Ew=m×Aw

(1)

Es=m×As

(2)

其中，Ew为蓄水效益，万m3；Es为保土效益，万t；m为工程措施的数量；Aw为某工程的蓄水定额；As为某工程的保土定额。

经过计算得到，坡改梯每年的蓄水效益为16.5万m3，保土效益为4.7万t；沉砂池每年的保土效益为0.04万t；集雨窑每年的蓄水效益为3万m3；护坡每年的保土效益为19.2万t；谷坊群每年的保土效益为0.06万t；淤地坝每年的蓄水效益为56万m3，保土效益为154万t；各措施合计每年实现蓄水效益75.5万m3，保土效益178万t，见表2。

表2 水土保持工程措施蓄水保水效益计算表

水土保持工程措施还具有一定的生态效益，工程初步控制水土流失，有利于区域绿化，生态环境也随之得到了明显改善。此外，水土保持工程的防灾减灾作用也很显著，工程措施在一定程度上拦蓄山洪泥沙，降低了泥石流的危害。

5 结语

黄土高原地区常年遭受水土流失的影响，建设水土保持工程是进行水土流失治理的重要措施。本研究以西北黄土高原旱区的典型区域为研究区，强调了研究区水土保持工程的建设原则，阐述了水土工程的应用情况，采用定额计算法计算出工程措施的蓄水效益和保土效益。该研究区的建设为西北旱区进行水土保持工程建设提供了重要的指导和借鉴作用。