黄土高原治沟造地水利设施综合配置与管理

符素华，刘宝元，吴 歌，崔乐乐，马理辉

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，土壤侵蚀与干旱农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100；2.北京师范大学地理科学学部，北京 100875； 3.黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站，陕西 榆林919000)

0 引言

治沟造地工程是黄土高原退耕还林还草工程之后的又一重大工程，是解决耕地后备资源不足的重要举措[1]。该工程的实施有助于增加优质耕地，实现流域生态环境高质量、可持续发展。张信保等[2]认为，治沟造地是黄土高原淤地坝建设的继承和发展，可快速造地，变荒沟为良田。

黄土高原地区一方面干旱缺水，另一方面暴雨成灾，解决好用水和排水问题，是治沟造地流域农业产量提升、生态环境高质量发展的关键[3-6]。水资源的高效利用不仅能促进区域资源和经济的良性循环，也具有很好的环境效益。本研究在黄土高原多次暴雨灾后考察基础上，针对黄土高原在灾情中存在的问题，提出了治沟造地流域水利设施综合配套利用技术，以保障治沟造地耕地安全，提高耕地产量，实现水资源永续利用和生态环境高质量发展。

1 洪涝与干旱灾害损失和成因

1.1洪水灾害的危害

黄土高原历次暴雨及特大暴雨事件中，耕地及淤地坝等都存在严重损毁的现象。如1994年的“94.8”暴雨中，最大点雨量为159.7 mm，黄河中游淤地坝水毁率为9%～94%，平均水毁率为46.8%，坝地冲毁率6.1%～45.7%，平均冲毁率为12.2%[7]。2010年9月19日，山西省吕梁市遭遇的暴雨中，暴雨中心北川河流域方山县大武镇7 h降雨量为201 mm，农作物受灾面积2.04万hm2，农作物绝收面积3 400 hm2，塘坝冲毁132座，该次暴雨造成的直接经济损失达10.95亿元[5]。2012年7月27日，山西省吕梁市遭遇的洪灾中，3 h最大降雨量达197 mm，直接经济损失约13亿元，其中农业损失3.24亿元，农作物绝收面积8 200 hm2，水利设施损失1.29亿元，损毁淤地坝98处，渠道13.54 km[5]。2017年7月26日，黄河中游山陕区间中北部降大到暴雨，暴雨中心降雨量达247.3 mm，直接经济损失达42.32亿元[8]。

1.2洪水灾害成因

(1)流域内排洪沟渠缺失或缺乏排洪系统统一规划。流域内地块、坡面和坡脚缺乏有效的排洪通道，排洪通道被道路和耕地等其他用地挤占，上下游排洪沟道连通性不好。当遭遇较大坡面径流时，水流就自创水路，往低洼处汇集，导致田面、道路和淤地坝等严重损毁。

(2)工程设施不配套。主要体现在淤地坝的建设上，淤地坝通常由坝体、溢洪道和放水建筑物3大部分组成，但常常这3大部分配套不完全。如2017年7月26日大暴雨后对岔巴沟178座淤地坝进行调查发现，97座淤地坝(占调查淤地坝的54%)仅有坝体，为闷葫芦坝；8座淤地坝3大部分齐全，占调查淤地坝数量的4%。178座淤地坝中损毁85座，其中62座仅有坝体，14座仅有坝体和溢洪道，6座仅有坝体和放水建筑物，仅有3座坝体、放水建筑物和溢洪道3大部分齐全。从损毁比例来看，仅有坝体淤地坝的损毁率为64%，远高于3大部分齐全淤地坝损毁率的38%。

(3)设计标准低。多数排水渠按照10年一遇暴雨进行设计。在黄土高原，小雨量出现的频率高，入渗率高，径流系数小，不会造成大的灾害；但大暴雨或特大暴雨径流系数大，流量也大，因此常导致低设计标准的排水设施抗洪能力低，一遇大暴雨就出现损毁。

(4)管理不善。有建设经费，无运行经费，导致一些水利项目“重建轻管”或“只建不管”。该维护的淤地坝和排水渠因泥沙淤积而丧失了防洪排水功能，出现小患酿大祸。

(5)农民缺乏防灾意识。南方的暴雨常常大于黄土高原，但从田面受损率来看，却远远低于北方。南方一旦出现暴雨，农民自觉出现在田头开沟放水，使田地排水畅通。在“7.26”暴雨调查中发现，岔巴沟流域沟头燕窝钵子损坏的主要原因是缺乏排水沟，大水浸泡地埂和田面，最后出现陷穴和暗管，导致土地被毁。另外对淤地坝的坝体管理不善，在坝体上栽种作物，增加了坝体入渗，降低了坝体的稳定性。

1.3旱灾及成因

干旱是最普遍的自然灾害，对农业生产影响极大，全球每年由干旱所造成的损失为60亿～80亿美元，远高于其他自然灾害[9]。黄土高原总体呈现干旱化趋势，受干旱影响面积以每10年4%的速率增加[9-10]。黄土高原的干旱灾害原因之一是缺乏蓄水工程，农作物靠天吃饭，缺乏必要的灌溉保障。其次是已有农田水利工程缺乏经常性维修和配套管理，破坏严重，蓄排能力差，抗旱灾能力弱，旱涝保收面积减少。合理利用流域内的水资源，新建小型水利工程或妥善管理维护已有水利工程，蓄水抗旱，降低干旱所带来的农业经济损失，是黄土高原生态经济高质量发展的关键。为此，需要合理布设流域内的蓄水设施以保障农业干旱用水。

2 水利设施综合配置与设计标准

为充分利用流域内水资源，降低洪水及干旱灾害风险，需在流域内构建蓄(水)、排(水)、防(洪、盐渍化)、灌(溉)为一体的水利综合配套设施。流域塘坝蓄水不仅可以提供生活生产用水，也可以提供景观用水。尤其在黄土高原的干旱年份，塘坝蓄水灌溉更是农业产量的保障。治沟造地两侧边坡设置排(截)水沟，用以保护新造坝地免受洪水威胁。排洪渠布设于治沟造地两侧用于防洪排洪，田间排水渠用于防涝和防盐渍化。

2.1蓄水减洪抗旱设施

在治沟造地流域，应以小流域为单元，综合考虑灌溉用水、景观用水和生活用水，布设流域内的蓄水坝或塘坝。建议在自然村附近或治沟造地的上游，根据地形地貌特点，选择合适断面修建蓄水坝(塘坝)，如修建骨干坝，其设计参考SL289—2003《水土保持治沟骨干工程技术规范》，本文仅介绍小型蓄水坝或塘坝(以下简称塘坝)设计考虑要点。

2.1.1灌溉设计保证率选取及频率计算

为保证干旱年的农业用水，塘坝应考虑为多年调节型塘坝，以充分拦蓄丰水年的水量保证干旱年的水资源利用。根据GB50288—2018《灌溉与排水工程设计规范》的规定，黄土高原塘坝兴利库容的灌溉设计保证率取50%～75%，设计保证率选择时应根据治沟造地流域具体情况确定，应同时考虑需要灌溉的坡地果园面积和治沟造地面积。若流域内坡地果园面积少，以治沟造地为主，治沟造地面积全部为灌溉面积，设计保证率选取规范中的上限值75%。如果流域内有大面积的坡地果园，治沟造地面积相对较小，需根据流域水资源量和灌溉面积综合确定设计保证率，但是对于治沟造地仍需保证75%频率干旱年的供水，其面积为保灌面积，在用水时优先考虑。

频率设计采用P-Ⅲ型频率曲线，其参数优化用万飈等[11]的《水文频率分析软件(专用版V2.6)》，该软件提供了不同的参数优化方法，且根据参数优化结果可以直接计算不同频率下的年降水量和次洪峰流量等设计值，或根据年降水量或次洪峰流量等计算对应的频率，详细可参见该软件的使用说明。根据P-Ⅲ型频率曲线的参数优化结果，选取设计频率对应的年降水量值作为设计年降水量，并据此选取典型年。典型年选取时，年内的雨量分配遵循最不利原则，即按照主要作物(果树)生长期最需水且又最干旱的年作为典型年，将此年的年内降雨量分配按比例系数法修订到设计年降水量，并根据典型年计算出主要作物(果树)的节水灌溉需水量，由此确定出流域灌溉用水量和兴利库容。

2.1.2洪水设计频率选取及洪峰流量计算

为保证防洪安全，塘坝需配有溢洪道。溢洪道的尺寸根据洪峰流量和塘坝的库容进行设计。根据野外调查暴雨后骨干工程的损毁情况及目前国民经济的现状，建议提高洪水的设计标准，以减少洪灾带来的经济损失。SL289—2003《水土保持治沟骨干工程技术规范》中的最高标准为50年一遇，但根据野外调查实际情况和生态安全的要求，建议塘坝按100年一遇进行设计，1 000年一遇进行校核。我国缺乏小流域的暴雨洪水实测资料，黄土高原推荐采用FU S等[12]的小流域洪峰流量公式(1)进行洪峰流量的计算。

(1)

式中Qpout——洪峰流量，m3/s

ROout——流域平均径流深度，mm

A——流域面积，km2

Pout——设计频率的降雨量，mm

Pout可根据当地降雨量资料，采用万飚等[11]的《水文频率分析软件(专用版V2.6)》计算。径流深可采用径流曲线数或径流系数法计算，若采用径流曲线数法，可借助于小流域产流产沙模型工具计算；若采用径流系数法，可用邻近流域的降雨径流观测资料计算。

2.2治沟造地陡边坡排水设施

流域内治沟造地两侧陡边坡的安全直接关系到沟底新造耕地及陡边坡的安全。陡边坡应与公路两侧的边坡相似，修建排水沟渠防洪，保护边坡及其下沟道和作物在大暴雨期间的安全。排水沟渠宜采用抗蚀性较好的材料修建或采用生态沟渠。

排水沟的大小根据设计洪峰流量确定。洪峰流量采用经验公式计算，式(1)和(2)均是采用黄土高原集水区或小流域的洪峰流量资料建立，因此可以直接用于排水沟或截水沟的设计。当汇水面积>0.1 km2时，可采用式(1)计算洪峰流量；当汇水面积<0.1 km2时采用式(2)计算，在此基础上设计排水渠或截水沟的尺寸[13]。设计洪水建议采用100年一遇。

(2)

需要注意的是，尺寸设计时应考虑渠道的不冲不淤流速。GB/T 16453.4—2008《水土保持综合治理技术规范：小型蓄排引水工程》规定，渠道允许最大流速<0.6 m/s，不淤比降最小为1%。

2.3治沟造地防洪排洪设施

为保障流域内沟底新造耕地的安全，应在新造耕地两侧与边坡的交接处修建排洪沟渠用以排洪。排洪沟渠的过水断面尺寸按照100年一遇暴雨进行设计，设计流量根据汇水面积的大小按照式(1)或(2)进行计算，建议尽量采用生态沟渠。地势较低的一条排洪沟渠沟底高程应低于田间排水渠的渠底高程。

2.4治沟造地田间排水设施

面积较大的治沟造地耕地应配套田间排水工程设施(排水沟渠)，用于防止盐渍化和防涝，保障新造耕地的安全和提高土地生产力。排水沟渠的过水能力按照10年一遇的暴雨来设计，渠道的过水能力(流量)按照式(2)进行计算，田间排水工程应以生态沟渠为主。为了防止盐碱化，排水渠深度大于毛管上升水的高度(一般0.8～1.3 m)。

3 水利设施管理与利用

为了降低塘坝和排水沟渠的洪水损害风险，长期发挥作用，保障造地安全和经济效益，应禁止在沟渠、边坡及坝体上种植农作物，若为生态沟渠，应保障沟道内植被长势良好，植被覆盖度高。对田间排水沟渠应经常维护，及时清理沟道中的淤积泥沙，保持沟底高程在设计标准内。对流域内的坝体、放水建筑物、溢洪道及排洪沟渠应定期检查和维护。暴雨后及时检查以上设施是否有损坏和淤堵。对有损坏的设施应及时修缮，对发生严重泥沙淤堵的渠道段应及时疏通，以保障排水沟渠能正常行洪，降低灾害风险，保障造地和道路等的安全，减少经济损失。

4 结束语

水资源永续利用和治沟造地安全是治沟造地流域农业产量提升、生态环境高质量发展的关键，本文在总结黄土高原流域水资源利用现有问题的基础上，提出了在治沟造地流域构建蓄(水)、排(水)、防(洪、盐渍化)、灌(溉)、管(理)为一体的水利综合配套技术体系。在蓄排水工程设计时，根据新时期生态安全的要求和黄土高原的实际情况，建议洪水设计标准由以前的50年一遇提高到100年一遇，校核标准提高到1 000年一遇。灌溉设计时灌溉面积需综合考虑治沟造地面积和山地果园面积，兴利库容设计保证率选取时需水与流域水资源量需协调，但应保障75%频率年治沟造地的节水灌溉用水量。推荐了两个适用于不同汇水面积的洪峰流量计算公式，以期为流域的蓄排水工程设计提供技术依据。该技术有利于黄土高原治沟造地流域水资源的永续利用和保障治沟造地的防洪安全。