黄土丘陵沟壑区第三副区沟道治理途径研究

2021-04-04苏广旭赵力毅

中国水土保持 2021年1期

苏广旭，赵力毅

(黄河水利委员会天水水土保持科学试验站，甘肃天水 741000)

黄土丘陵沟壑区第三副区(以下简称“丘三区”)属于黄土高原严重流失区，总面积3.55万km2，包括六盘山以西的甘肃天水地区渭河流域及宁夏葫芦河流域，六盘山以东的陕西宝鸡地区渭河流域各支流，以及河南洛阳地区伊、洛河流域的一部分。调查和研究表明，丘三区的沟道有以下三个重要特征：一是沟道正处于侵蚀活动发展期。丘三区沟道发育的成因及程度与黄土丘陵沟壑区第一副区、第五副区差异较大，大多正处于侵蚀活动发展期，主要表现在沟谷界线不明显，大部分沟道断面呈V形，沟床比降大，重力侵蚀严重。二是土壤侵蚀类型地带差异较大。丘三区地表覆盖土层以第四纪黄土为主，但在地形分布上差异较大。梁峁部位土层深厚，水土流失严重的侵蚀沟部位土层较薄，主要分布第三纪红土(系红土、青杂土、红砂土的合称)，土性僵板、质地黏重、结持力大、通透性差、遇水易饱和。三是沟道侵蚀剧烈。据天水市罗玉沟流域土壤侵蚀特征研究，丘三区沟道土壤侵蚀的主要方式是沟床下切、滑坡、崩塌、泻溜和沟头前进等；土壤侵蚀模数高达15 000 t/(km2·a)，是坡面的1.63倍，活跃期沟道面积仅占流域面积的13.2%，但产沙量却占流域的58%。严重的沟蚀导致沟床下切、沟岸扩张、沟壁失稳、山体滑坡，大量泥沙向下游输移。丘三区沟道侵蚀十分剧烈，是黄土高原重力侵蚀最为严重的地区之一。

近年来通过以小流域为单元的水土流失综合治理及区域性示范区水土保持生态工程建设等，丘三区水土保持工作取得了明显成效，但其中沟道治理一直是薄弱环节。因此，本研究对丘三区沟道治理的技术条件和治理途径进行总结，希望能为积极践行区域生态保护与高质量发展、加快治理速度和提高治理水平提供帮助。

1 沟道治理探索历程及经验

早在20世纪40年代，天水水土保持科学试验站(以下简称“天水站”)就在大柳树沟的小支沟开展了沟道谷坊工程等试验研究工作；50年代又在吕二沟系统研究推广了沟道谷坊工程；1955年开始进行人工修筑沟壑土坝的试验和探索，在吕二沟修建的杨家沟土坝为丘三区第一座实验性拦泥土坝(后称淤地坝)；至60年代初在天水藉河流域、秦安清水河流域人工筑坝8座，修建小型水库1座(苏家峡水库)；70年代后期，在天水地区吕二沟、桐木沟、柳沟、老牛沟等进行了以定向爆破法和水坠法筑坝为主的试验和探索；80年代，在罗玉沟进行了土柳谷坊、沟头防护等沟道工程试验，对控制沟头前进、沟岸扩张和沟底下切起到了重要作用；2000年以后，结合藉河示范区项目建设，天水站承担了示范区7座骨干工程和19座小型淤地坝的设计、施工等建设任务，通过现场调查、设计、施工，总结出了丘三区淤地坝建设的经验，即丘三区沟道断面大多呈V形，沟道正处于侵蚀活动发展期，沟道比降大，侵蚀强烈，在该区域建坝是可行的。从目前来看，藉河示范区7座骨干坝和19座小型淤地坝运行良好，对固沟防冲、拦泥保土、防治水土流失起到了重要作用。2006年，作为“十一五”国家科技支撑计划项目“宽谷丘陵区农牧综合开发模式研究与示范”课题中沟道治理与开发研究的重要内容之一，针对丘三区的沟道水土资源利用问题，研究并提出了微型沟台阶化整治工程。此后，在甘肃省天水市中山沟流域的部分沟道实施了微型沟台阶化整治工程，总结了工程设计、建设实施、示范推广和效益分析的经验。微型沟台阶化整治工程是沟道治理的一项新措施，为丘三区沟道水土流失治理与开发利用提供了示范样板，并在罗玉沟等流域进行了推广，取得了较好的成效。丘三区沟道治理探索历程中的基本经验如下：

(1)尊重自然，从水土流失发生、发展规律出发，科学治理。该区的水土流失治理必须坚持“保梁、治坡、固沟，治坡先行”的治理方向。小流域坡面是水土流失的源头，沟壑是水土流失的后果。治沟必先治坡，沟坡兼治，保土必先保水。在坡面治理的基础上，在支毛沟修建土柳谷坊，干沟打坝筑库，把植物措施和工程措施结合起来，把治坡治沟和治河结合起来，把当前利益和长远利益结合起来，把除害与兴利结合起来，集中治理，连续治理。而如果违反自然规律，本末倒置，分散治理，盲目施工，就会受到大自然的惩罚。例如，早期吕二沟毛家庄的杨家沟，违背客观规律，在坡面治理之前，过早地在沟口筑坝(被称为丘三区第一座淤地坝)，不到两年全部淤满失效。20世纪50年代后期，天水地区治沟工程建设受政治形势影响，忽视自然条件：一是控制面积增大，大多在50 km2以上，个别达到150～200 km2；二是坝高增大，大多在30 m以上，个别甚至超过40 m。结果这些沟壑土坝大部分被迫停工，已完成的也多被洪水冲毁。这些都是应该汲取的教训。

(2)科学勘察、规划、设计、施工、管理养护等各个环节都是至关重要的。由于对区域沟道发育特征等认识不足、缺乏科学的规划和设计、建设标准低、竣工后管护不力、未能及时加高坝体和修建放水工程等，20世纪50—70年代建设的淤地坝普遍存在规划、设计、施工技术含量低，因此最终往往无法抵御暴雨洪水的袭击出现垮坝或决口。目前保存的大多为20世纪80年代之后修建的中小型淤地坝和水土保持治沟骨干工程。2000年后，藉河示范区水土保持治沟骨干工程建设的探索与实践表明，淤地坝建设是该区行之有效的沟道治理途径，坡面治理与沟道治理相结合对防治水土流失、减少入黄泥沙具有重要的意义。

(3)根据丘三区自然和社会经济状况，以及山多地少、人口密度大等特点，持续抓住水土保持与水土资源的高效利用，充分合理利用土地，提高土地生产率，增强抗御灾害的能力。沟道治理中必须重视对沟道水土资源的利用。微型沟台阶化整治工程在防治沟道水土流失、增加耕地面积、提高雨洪利用率、增加农民收入、改善农村环境等方面发挥了明显的作用，尤其在促进社会主义新农村和清洁小流域建设方面具有重要的现实意义。此外，还对分布较多、治理难度较大的坡沟陡坎、悬崖探索实施了经济生态化治理，以提升整体生态环境整治水平。

(4)在丘三区建设淤地坝是完全可行的。与黄土丘陵区其他类型区相比，丘三区淤地坝的首要功能是固沟防冲，抑制沟岸扩张、沟头前进和沟底下切。在规划布局上，主要支沟以中小型淤地坝为主，合理布设治沟骨干工程；支毛沟配置小多成群的谷坊，并注重工程措施与生物措施相结合；对适宜侵蚀沟中的切沟和中小型冲沟应大力推广微型沟台阶化整治工程。

2 沟道治理的技术条件和途径

2.1 淤地坝建设

丘三区沟道的自然特征和高坝小库容的建坝条件，对淤地坝工程质量和防洪安全要求较高。此外，淤地坝建设还存在自然土壤干容重大、工程投资大、坝系建设条件较差、筑坝施工方法单一、淤地坝淤积年限长等问题。因此，该区淤地坝工程建设应以中、小型坝为主；碾压坝体土料最优含水量宜控制在18%左右，碾压坝体干容重1.50～l.65 t/m3；在合理布设淤地坝的同时，配置小多成群的谷坊，并注重工程措施与生物措施相结合。

2.2 支毛沟谷坊工程、沟头防护和沟坡防护林建设

据调查，丘三区两岸比较陡峭的支毛沟、陡崖和沟崖的崩塌、滑塌、滑坡和泻溜比较严重，是水土流失的重要源地；沟道上部为滑塌覆盖，其下为红土，再下为沉积基岩。因此，在丘三区实施植物谷坊最为适宜，即柳谷坊、草皮谷坊等。具体建设中，一是必须和沟坡刺槐林防护相结合，在两岸植被覆盖较好的条件下，拦泥防冲效果显著，也给沟底林草创造了适生条件，促进了林草生长；二是沟道比降应小于30%，谷坊间距以5～15 m为宜，间距的大小与土质、比降、地形有关，可适当调整间距；三是坚持小多成群谷坊布设的原则；四是在陡峭的沟头配套布设沟头防护工程，并以悬臂挑流式为最佳。

2.3 微型沟台阶化整治工程

微型沟台阶化整治工程是通过人工改造，将破碎的沟道整治成梯田化台阶地的过程，即在侵蚀沟道的幼年期，通过人工改变微地形特征，分散径流，尽量就地利用，阻断侵蚀形成的条件。它是一项既保持水土又增加耕地面积的新型沟道治理措施，是缓解黄土丘陵沟壑区人地矛盾的一项新措施。微型沟即侵蚀沟中的切沟和中小型冲沟。在丘三区，沟道长0.2～2.5 km、宽3～50 m、深5～40 m、纵比降15%以下、沟坡坡度小于35°、分布密度1.85～6.32条/km2、沟壑密度1.5～3.0 km/km2，且治理程度在65%以上、坡面梯化程度70%以上、没有大的水流进入的沟道，适宜进行台阶化整治(在其他土壤侵蚀地区，整治的微型沟规模可根据当地地形条件合理确定)。微型沟台阶化整治实施后，一是在生态建设方面，改变了沟道原始形态和原始水流通道，降低了沟道比降，缩短了坡长，抬高了侵蚀基准面，调整了流域水文网络，改变了沟道汇流的地形因子，减缓了径流流速，延长了汇流时间，减轻了雨洪径流冲刷，具有明显的减水减沙作用；二是在沟道内种植农作物或栽植经济林，能够增加地面植被覆盖和拦截坡面径流，既保持了水土又改善了环境；三是实现了雨洪资源的就地利用，通过合理利用沟道内水分，既解决了沟道植物生长缺水的问题，又增加了作物和果木产量；四是增加了耕地面积，提高了当地群众的收入水平。

2.4 生态陡坎治理

丘三区小流域沟间地和沟谷地陡坎、悬崖广布，一直是黄土高原生态治理的难点。分析其主要原因：一是坡度大，稳定性差，工程较难布置；二是旱季水分条件差，植物生长困难，而雨季又极易形成土壤侵蚀。近年来，天水站在陡坎治理方面进行了有益探索，采用微润灌技术，在陡坎植物种植上有所创新，形成了具有经济、生态特色的植物陡坎。主要采用以下两种办法：一是微润灌种植经济灌木。在陡坎(45°～90°)上采用机械打孔，选择耐寒、耐旱的经济灌木(如枸杞子、紫穗槐等)进行种植，用直插式微润管直接给其根部供水，保证其成活；可分时间段和不同层面供水，以防大面积长时间供水造成陡坎滑塌；水源可选用陡坎以上部分做集流场和小型蓄水池供水，或用蓄水式沟头防护提供水源，有条件的还可选用其他供水方式。二是藤类幕帘种植。在陡坎上方种植可下垂类藤本植物(如葛藤类)，使其在雨季形成下垂幕帘，既可防治水土流失，又可达到绿化效果。