溝道水資源的水土保持開(kāi)發(fā)利用模式研究

□陳維杰

降水經(jīng)坡面的地表徑流及土內(nèi)滲流而匯入溝道后，將形成小流域洪水并對(duì)溝床產(chǎn)生水力侵蝕。為防止和減輕這種侵蝕，同時(shí)最有效地開(kāi)發(fā)利用小流域洪水資源，使其變害為利，人們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)，探索出了一種以蓄水為主兼具削峰、攔沙功效的小型集流壩。本文主要通過(guò)對(duì)研究區(qū)小流域集流壩的調(diào)研分析，著重概化推求布?jí)蚊芏?、蓄水?guī)模、合理壩高等重要參數(shù)，并根據(jù)不同的自然條件歸納分類出幾種開(kāi)發(fā)利用模式。

一、集流壩主要參數(shù)的確定

(一)布?jí)蚊芏鹊难芯?。根?jù)研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，筑壩密度與流域水文地質(zhì)條件及溝道寬窄形狀有關(guān)。下表分別列出土石山區(qū)和黃土丘陵區(qū)兩類不同地域的典型小流域集流壩調(diào)查資料，從中可找出一定的規(guī)律性。

表1 典型小流域集流壩情況調(diào)查表

從上表可以看出，在豫西山區(qū)開(kāi)展以工程措施為主的水土保持建設(shè)，當(dāng)治理程度達(dá)到80%以上時(shí)，土石山區(qū)的布?jí)蚊芏纫哉莆赵?.5～0.6座/km2為宜，黃土丘陵區(qū)以0.6～0.75座/km2為宜。

(二)蓄水規(guī)模的研究。集流壩的蓄水規(guī)模和當(dāng)?shù)氐慕涤炅?、下墊面特性以及用水需求有關(guān)。下表分別列出兩類不同自然條件下的統(tǒng)計(jì)資料以概化出其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

表2 典型小流域蓄水規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)上述已成集流壩的統(tǒng)計(jì)資料可知，在豫西的降雨特性以及能夠滿足流域內(nèi)生態(tài)、生產(chǎn)及生活用水的條件下，土石山區(qū)的單壩蓄水規(guī)模宜設(shè)計(jì)為5000～10000 m3，黃土丘陵區(qū)宜設(shè)計(jì)為10000～25000 m3。

(三)壩高與庫(kù)容的關(guān)系研究。壩高與庫(kù)容的關(guān)系主要取決于流域形狀。土石山區(qū)的流域形狀大多呈V型狹長(zhǎng)狀，黃土丘陵溝壑區(qū)大多為U型寬闊狀。下表分別列出兩類地區(qū)代表流域內(nèi)的有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料以供分析研究。

表3 集流壩壩高與對(duì)應(yīng)庫(kù)容關(guān)系

通過(guò)對(duì)兩大類型區(qū)典型流域內(nèi)的集流壩壩高與對(duì)應(yīng)蓄水量的統(tǒng)計(jì)分析，從而得出如下關(guān)系式：

土石山區(qū)：V=33H2.55

黃土丘陵溝壑區(qū)：V=113H2.34

二、開(kāi)發(fā)利用模式的選擇

布?jí)蚊芏?、適宜蓄水規(guī)模及合理壩高確定后，即可依據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件選擇開(kāi)發(fā)方式。豫西一帶適宜的開(kāi)發(fā)方式有以下三種：

一是攔水壩。這是集流壩的主要開(kāi)發(fā)形式，其功效近期以攔(蓄)水為主，中后期以攔(蓄)泥沙為主(亦可稱“攔沙壩”)。據(jù)對(duì)汝陽(yáng)縣兩座庫(kù)容分別為10000 m3和6000 m3的攔溝壩實(shí)測(cè)功效抽查分析，在次降雨在78～96 mm情況下，削峰效益達(dá)到42%～45%，減沙效益達(dá)到76%～85%。修筑攔溝壩的技術(shù)一般比較簡(jiǎn)單，可根據(jù)下表分類優(yōu)選壩型及根據(jù)《集雨節(jié)灌技術(shù)》有關(guān)集流壩設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃修建。

表4 不同壩型特點(diǎn)及適用范圍

二是截潛流。在黃土丘陵區(qū)，年內(nèi)降雨分配極不均勻，暴雨集中，常常是洪水形成快、峰值高、挾沙量大，在這種自然條件下修建攔溝壩很難解決淤積問(wèn)題。但豫西一帶的丘陵溝壑區(qū)多系近代河流沖積形成的潛水區(qū)，溝道含水層厚度較大但埋深較淺，巖性多為中粗砂和卵礫石，透水性比新淤壩地(淤積物多為粘土、壤土和細(xì)砂等)大得多，因此在這類地區(qū)(甚至包括土石山區(qū)的丘陵地帶)的河流上推行建造河床地面以下的截潛流壩就不失為一種有益的選擇。

據(jù)汝陽(yáng)縣上店鎮(zhèn)1996年在砂礫質(zhì)淤積河床上建成的4座截潛流工程(截水墻有漿砌石和粘土兩種類型)的運(yùn)行情況看，這種類型的集水工程具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：①位于河床以下，不影響溝河行洪。②與攔溝壩相比，淤積少，使用壽命長(zhǎng)。③與淤地壩、攔沙壩相比，水源充沛，補(bǔ)給頻率高。④經(jīng)砂層過(guò)濾，水質(zhì)得以凈化，不僅可用于大田灌溉，還可用于人畜飲水和工副業(yè)生產(chǎn)用水，更適合于噴、滴灌用水。⑤不易被大自然和人為破壞，平時(shí)勿需專人看護(hù)。⑥適宜就地取材，易于在山區(qū)的中小河流上建造推廣。

三是人字閘。人字閘是一種半固定式蓄水閘門，屬輕型的小型擋水壩，適應(yīng)范圍比較廣泛。據(jù)汝陽(yáng)縣、欒川縣等地在山區(qū)河道及溝谷上的建閘經(jīng)驗(yàn)，這種形式集水壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：閘前水深H=1.5～3 m，撐桿傾角θ=60°～65°，撐、壓跨度R=0.75H，撐、壓桿結(jié)點(diǎn)高度h=0.84H。人字閘壩的優(yōu)點(diǎn)是：①閘板為活動(dòng)式，可裝可卸。蓄水期裝板蓄水灌溉，汛期卸板泄洪沖淤。②與攔溝壩相比，可利用洪水沖淤來(lái)擴(kuò)大蓄水容積，從而延長(zhǎng)使用壽命。③造價(jià)適中，一般每米壩長(zhǎng)投資2000元左右，按每立方米庫(kù)容折算約為5～8元。④適宜山區(qū)小泉小水的攔蓄，與水渠、堤灌站、流動(dòng)泵站配套使用十分方便。⑤適宜小面積地塊使用，一般二三十畝的地塊建一處小型人字閘工程，再配套自流渠(管)或流動(dòng)泵站進(jìn)行灌溉，效果極佳。⑥運(yùn)行管理方便，不蓄水時(shí)可以將面板拆裝運(yùn)走，而人字架為固定式，不需設(shè)專人看管。⑦可以梯級(jí)開(kāi)發(fā)，有利于水資源的充分利用。⑧蓄水后狹谷可以成湖，有利于美化、凈化環(huán)境，改善流域小氣候。

三、運(yùn)用方式的選擇

集流壩的主要功能是興利蓄水，為流域內(nèi)的生態(tài)、生產(chǎn)、生活提供必要的水源，這也是其和一般的水土保持?jǐn)r沙壩、淤地壩根本區(qū)別之所在。因用水戶大都與壩址相距有一定的距離，欲取用水還需配套一定的工程設(shè)施。根據(jù)配套工程設(shè)施的類型及布局特點(diǎn)，可將集流壩的運(yùn)用方式劃分成以下四種類型：

一是壩——壩連環(huán)型，即建設(shè)集流壩系工程。通常情況下，集流壩系工程的組合形式是：從溝道上游至下游，從支毛溝至干溝，依次布設(shè)谷坊和集流壩。集流壩的布設(shè)特點(diǎn)是位于上游的容量相對(duì)小，位于下游的容量相對(duì)大。集流壩系的運(yùn)用方式大致有兩種：一種是清洪分治、排洪蓄清、蓄排結(jié)合的方式，如人字閘、截潛流以及設(shè)置專用排洪道的攔溝壩，這種方式的效益目標(biāo)是以供水為主；再一種是上壩攔沙落淤、下壩滯洪蓄清，這種方式的效益目標(biāo)是近期以調(diào)水削峰為主，長(zhǎng)遠(yuǎn)以攔沙淤地為主。

二是壩——窖組合型，即先由集流壩將上游坡面來(lái)水蓄積起來(lái)，然后通過(guò)渠(或管)道輸送給水窖，再由水窖轉(zhuǎn)送至用水地點(diǎn)。當(dāng)用于灌溉時(shí)，這種形式則適用于集流場(chǎng)與灌區(qū)相距較遠(yuǎn)、需把水窖建在灌區(qū)內(nèi)的工作方式。汝陽(yáng)縣十八盤鄉(xiāng)干里村高莊組在溝道內(nèi)建了一處總蓄水6000 m3的集流壩工程，然后埋管1200～1800 m，將水送至田間地頭，并建了4個(gè)水窖，每窖控制耕地面積10～12畝，從而解決了抗旱用水問(wèn)題。

三是壩——池組合型。其工作原理與壩——窖組合型相同。

四是壩——池——窖組合型。即先由集流壩將雨水送至蓄水池，然后再轉(zhuǎn)送至水窖供用戶使用。

四、山泉溪流水資源開(kāi)發(fā)利用模式

從傳統(tǒng)的角度講，一般日徑流量小于20m3的小泉小溪即無(wú)開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，而山區(qū)由于巖層隙水、土壤滲水等所形成的小山泉較多，這對(duì)于水資源尤為短缺的豫西山區(qū)而言，若棄之不用則實(shí)屬可惜。況此類小山泉出流距離短，大多沒(méi)有污染，水質(zhì)良好，含沙率極低，能夠滿足各類用水戶對(duì)水質(zhì)的需求，因此開(kāi)發(fā)利用具有一定的使用價(jià)值。

近年來(lái)，豫西各地以解決人畜飲水困難為主，對(duì)山泉溪流進(jìn)行了較大規(guī)模的開(kāi)發(fā)。其工程形式主要有以下兩種類型：

一是“長(zhǎng)藤結(jié)瓜”式。即先在泉水出露處建一小型蓄水池(可明可暗)，然后埋管或修渠(多采用埋管以減小滲漏損失)通往用水地區(qū)。有時(shí)用水戶比較分散，就在管道沿線依據(jù)用戶的分布情況再布設(shè)若干個(gè)蓄水池或水窖以調(diào)蓄來(lái)水(沿線池、窖為并聯(lián)關(guān)系)。這種形式在豫西山區(qū)的人畜飲水工程建設(shè)中最為常見(jiàn)。

二是“管道帶蛋”式。即先在泉水出露處建一個(gè)小型蓄水池，然后埋管或修渠，并沿用水線路每到一個(gè)用水地點(diǎn)即設(shè)置一個(gè)蓄水池，再由此蓄水池的溢水口向下一個(gè)蓄水池繼續(xù)埋管或修渠送水，直至終點(diǎn)(沿線諸池為串聯(lián)關(guān)系)。這種形式較適合于山區(qū)零碎地塊的灌溉，其優(yōu)點(diǎn)是有利于微水資源的充分開(kāi)發(fā)利用(上游地塊用不完的水可不廢棄而直接轉(zhuǎn)送至下游地塊繼續(xù)使用)，缺點(diǎn)是上、下游的用水保證率有時(shí)差異較大。

五、結(jié)論與討論

對(duì)降雨入滲及產(chǎn)流過(guò)程的研究一直是眾多相關(guān)科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)。一般水資源專家的研究往往是側(cè)重于不同集流材料的產(chǎn)流特征、集流性能及集流效率，從而為集雨工程尋找性優(yōu)價(jià)低的新型集流材料；而水土保持專家則著重于探討不同因子(諸如坡度、坡長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度等)對(duì)土壤流失的作用過(guò)程和影響程度，以建立相關(guān)的模型來(lái)進(jìn)行水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。本文的立意是根據(jù)豫西山丘區(qū)半干旱特點(diǎn)，將兩個(gè)領(lǐng)域的研究方向與方法進(jìn)行交匯、通融、迭加、統(tǒng)一，即把集雨技術(shù)作為水土保持的重要措施、把水土保持作為集雨開(kāi)發(fā)的重要模式進(jìn)行互融研究，從而取得更為高效、持久的綜合效益。