某小流域綜合治理工程設(shè)計(jì)分析

李 俠

（遼寧省丹東市寬甸縣水利局，遼寧丹東118200）

某小流域綜合治理工程設(shè)計(jì)分析

李 俠

（遼寧省丹東市寬甸縣水利局，遼寧丹東118200）

小城子小流域位于遼寧省寬甸縣北部的牛毛塢鎮(zhèn)小城子村，嚴(yán)重的水土流失制約著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)采取切實(shí)可行的工程措施、林草措施和封禁治理措施對(duì)該小流域進(jìn)行治理，能夠控制水土流失，綠化荒山荒坡，提高土地利用率，改善生態(tài)環(huán)境，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造條件，將產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

水土保持；小流域；治理措施；布設(shè)；研究

1 基本概況

小城子小流域位于遼寧省丹東市寬甸縣北部的牛毛塢鎮(zhèn)小城子村。距離寬甸縣城50km，流域總面積60.93km2。小城子小流域葫蘆溝工程區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，水土流失程度逐年加劇，現(xiàn)有水土流失面積2.82km2，占工程區(qū)總面積的36.82%。其中，輕度侵蝕1.92km2，中度侵蝕0.9km2，分別占水土流失總面積的68%、32%。平均侵蝕模數(shù)2150t/（km2·a）。侵蝕類型主要以水蝕為主，重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕相伴發(fā)生。工程區(qū)年平均土壤流失量為1.8萬(wàn)t。嚴(yán)重的水土流失制約著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展［1］。

工程綜合治理水土流失面積200hm2，其中封禁治理149hm2，水土保持林51hm2，疏溪固堤1.32km，谷坊30座，作業(yè)路2000m，宣傳牌1塊。通過(guò)工程建設(shè)，改善了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)過(guò)渡［2］。

根據(jù)工程總體布置原則，結(jié)合工程區(qū)土地利用現(xiàn)狀、自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，因地制宜，因害設(shè)防，工程和生物措施相結(jié)合，在坡面經(jīng)濟(jì)林區(qū)采取補(bǔ)植等改造措施，強(qiáng)化水土保持基礎(chǔ)設(shè)施和提高植被覆蓋度，提高土地利用率；在覆蓋度較低的荒草地、灌雜地栽植水保林，綠化荒山荒坡，美化環(huán)境，涵養(yǎng)水源；對(duì)10a生以下的幼林、疏林地實(shí)行封禁治理，充分發(fā)揮大自然的自我修復(fù)能力，實(shí)現(xiàn)生物的多樣性保護(hù)；對(duì)侵蝕溝采取閘溝等工程措施，減輕侵蝕溝的擴(kuò)張，減少耕地的切割，控制水土流失［1］。在溝道下游的小河道采取工程和植物措施，維系河道及周邊生態(tài)系統(tǒng)，改善水質(zhì)，提高河道行洪能力；在經(jīng)濟(jì)林區(qū)建設(shè)作業(yè)路，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造條件［3］。

2 綜合治理設(shè)計(jì)分析

2.1 工程措施設(shè)計(jì)分析

2.1.1 谷坊工程措施設(shè)計(jì)分析

根據(jù)工程規(guī)模、類型而定，10年一遇3～6h最大暴雨或采用當(dāng)?shù)刈钜桩a(chǎn)生嚴(yán)重水土流失歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨。利用山區(qū)石料豐富特點(diǎn)，選擇節(jié)約工料、適合含沙量大的山洪溝道特點(diǎn)的干砌石谷坊與鐵絲石籠谷坊［4］。

（1）谷坊高度。應(yīng)根據(jù)所采用的建筑材料來(lái)決定谷坊的高度，以能承受水和泥沙的壓力而不致破壞為原則。根據(jù)1∶50000地形圖，首先在該圖上勾繪溝道的分水嶺，再求得溝道的集雨面積F。由該地形圖勾畫(huà)的各河段的流域面積求出主溝道長(zhǎng)度L。以水平距離為橫坐標(biāo)，高程為縱坐標(biāo)，繪出河道縱斷圖，以無(wú)資料手冊(cè)方法（遼寧省水文資源勘測(cè)局1998年8月出版的《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》）求出溝道平均比降i=45.6‰。通過(guò)計(jì)算得小流域集水面積十年一遇的洪峰流量：

式中：Qp—設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；φp—設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)；ip—設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度，mm/h；F—集水面積，km2。

根據(jù)式（2）計(jì)算流量：

式中：Q—洪峰流量，m3/s；N—溝道表面糙率，在0.025～0.030之間；R—水利半徑，為R=A/χ，A為過(guò)水面積（m2），χ為濕周，即管道或渠道斷面被水浸濕的長(zhǎng)度；i—溝道比降，%。

試算后得到，當(dāng)H=2.0m時(shí)，Q=55.8m3/s，所以，溝確定谷坊高度為2.0m。

根據(jù)式（3）計(jì)算谷坊的間距和數(shù)量：

式中：H—谷坊的有效高度，m；i—原溝床比降，%；i0—谷坊淤滿后的比降，i0=0.02。

計(jì)算谷坊的間距和數(shù)量，通過(guò)1/10000地形圖量出：i=0.0456，H=2.0m，計(jì)算后得到L=78m，即谷坊的間距為78m。

對(duì)于過(guò)水的石谷坊僅檢查在地基或砌體最危險(xiǎn)的水平斷面處的滑動(dòng)?；瑒?dòng)安全系數(shù)K在2.0～2.5范圍內(nèi)取值。利用公式（4）和（5）進(jìn)行谷坊的穩(wěn)定計(jì)算：

式中：V—在危險(xiǎn)斷面處水平斷面以上的體積，m3；γ—單位砌體容重，干砌石采用2.4t/m3；P—流體單寬垂直壓力的總和，取P=w/2；f—摩擦系數(shù)，取0.65；w—液體單寬水平壓力的總和，t；H2—最危險(xiǎn)水平斷面以上的建筑物高度，m；γc—水流質(zhì)容重，一般取1.3t/m3。

谷坊溢流口采取梯形，尺寸可按照寬頂堰公式計(jì)算：

式中：Qm—寬頂堰的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；b—溢流口底寬，m；h—溢流口水深，m；M—流量系數(shù)，一般取1.55。

根據(jù)式（6）計(jì)算，當(dāng)b=3m，h=0.3m，M= 1.55的時(shí)候Q=2.08m3/s。本工程設(shè)計(jì)的谷坊為石谷坊，透水效果明顯，對(duì)水流阻礙小，所以Q= 2.08m3/s，滿足泄洪要求。本工程確定谷坊溢流口尺寸底寬3.0m，高度0.3m。

（2）谷坊結(jié)構(gòu)。干砌石谷坊、鐵絲石籠谷坊頂寬1.0m，迎水坡坡比為1∶0.2，背水坡1∶0.8。谷坊的高度取1.2m，基礎(chǔ)埋深0.3m或清基至巖石層。干砌石谷坊頂用混凝土壓蓋10cm，谷坊高度二分之一處混凝土夾層厚10cm。

（3）谷坊的布置。谷坊工程布置原則是“頂?shù)紫嗾铡?，選擇溝道直段布設(shè)，避免彎處布設(shè)，有跌坎的溝道，在跌坎上方布設(shè)，在溝道斷面變化時(shí)，選擇較窄處布設(shè)。

（4）谷坊砌筑位置選擇。谷坊砌筑要在溝底和岸坡，地形、地質(zhì)狀況良好，無(wú)孔洞和破碎底層，沒(méi)有不易清除的亂石和雜物；避開(kāi)跌水和拐彎處；在有支流匯合的情形下，應(yīng)在匯合點(diǎn)的下游修建谷坊。

2.1.2 疏溪固堤工程設(shè)計(jì)分析

為了保證該工程區(qū)內(nèi)有一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境，保證農(nóng)民生產(chǎn)和生活的安全，根據(jù)工程區(qū)河道的自然特點(diǎn)，因害設(shè)防，工程和植物措施相結(jié)合，促使河床穩(wěn)定，河水規(guī)矩流暢。本項(xiàng)目共建設(shè)鐵絲籠防洪堤466m，漿砌石防洪堤70m，疏通河道850m［5］。

（1）洪峰流量計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用十年一遇洪水，堤防等級(jí)為5級(jí)。因無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，故采用《遼寧省水文手冊(cè)》，按無(wú)資料地區(qū)進(jìn)行水文計(jì)算。以葫蘆溝河0+50段為例計(jì)算成果如下：

平均比降：i=15.5‰；河長(zhǎng)：L=5.2km；積雨面積：F=17.58km2；匯流歷時(shí)：τ=1.24h；計(jì)算查表：1、6、24h和3d的設(shè)計(jì)面雨量：P3d= 210mm，Cv3d=0.6，Cs=3.5Cv；P24h=160mm，Cv24h=0.6，Cs=3.5Cv；P6h=95mm，Cv6h=0.55，Cs=3.5Cv；P1h=40mm，Cv1h=0.52，Cs=3.5Cv。

上述各符號(hào)含義：P3d—3d設(shè)計(jì)面雨量，mm；P24h—24h設(shè)計(jì)面雨量，mm；P6h—6h設(shè)計(jì)面雨量，mm；P1h—1h設(shè)計(jì)面雨量，mm；Cv3d—3d設(shè)計(jì)面雨量變差系數(shù)；Cv24h—24h設(shè)計(jì)面雨量變差系數(shù)；Cv6h—6h設(shè)計(jì)面雨量變差系數(shù)；Cv1h—1h設(shè)計(jì)面雨量變差系數(shù)；Cs—設(shè)計(jì)面雨量偏差系數(shù)。

采用不同頻率計(jì)算的成果見(jiàn)表1。

表1 不同頻率洪峰流量成果

式中：C—謝才系數(shù)（一般用曼寧公式計(jì)算，C=R?（1/6）/n；n為粗糙系數(shù)，不同的材料不同，可以查設(shè)計(jì)手冊(cè)）；i—渠道底坡比降；其他符號(hào)意義同前。

由式（7）計(jì)算當(dāng)河寬40m，水深0.9m時(shí)，10年一遇Q=230.65m3/s。見(jiàn)表2。

表2 十年一遇洪峰流量

（2）堤防高度確定。按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-98規(guī)定，5級(jí)堤防，安全加高值取0.3m，波浪爬高和風(fēng)壅高度不計(jì)。本設(shè)計(jì)堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加上0.3m，確定防洪堤高度為1.2m。

按水流平行于坡岸產(chǎn)生的沖刷，依據(jù)下式進(jìn)行沖刷計(jì)算。

式中：hB—局部沖刷坑深度，m；hp—沖刷處的水深，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替，m；VCP—平均流速，VCP=4.59m/s；V允—允許不沖流速，V允= 1.6m/s；n—岸坡系數(shù)，n=0.25。

計(jì)算得出hB=0.30m。

依據(jù)下式計(jì)算按水流斜沖岸坡而產(chǎn)生的沖刷。

式中：Δhp—斜沖深度，m；α—水流流向岸坡夾角，α=30°；m—護(hù)岸迎水坡邊坡系數(shù)，m=0.3；d—坡腳處土壤計(jì)算粒徑，d=0.5cm；g=9.81m/水流局部沖刷流速，（50.47-7.2）=5.33m/s；ω—即過(guò)水面積A，m2；ωp—水流流速不均勻時(shí)的阻礙面積，ωp與α有關(guān)，經(jīng)查表和計(jì)算可得，m2。

計(jì)算得出Δhp=0.7m。

根據(jù)以上沖刷深度計(jì)算結(jié)果可以看出，在水流平順護(hù)岸時(shí)，沖刷深度最大為0.3m，在水流斜沖護(hù)岸時(shí)，基礎(chǔ)應(yīng)在沖刷深度至少0.7m以下，但本工程采用漿砌石基礎(chǔ)，即使有局部沖刷，也不致使基礎(chǔ)毀壞。本地凍層深在1.3m，所以采用1.3m深。

工程布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。①堤線布置。在保證河道行洪斷面的前提下堤線布設(shè)盡量不占耕地及民宅，同時(shí)考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃及發(fā)展。②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。防洪堤采取漿砌石結(jié)構(gòu)，每15m設(shè)1道瀝青木板伸縮縫，木板厚度為2.0cm。③穩(wěn)定計(jì)算。防洪堤穩(wěn)定計(jì)算主要參數(shù)：抗滑安全系數(shù)1.5，抗傾安全系數(shù)1.3，摩擦系數(shù)0.45，承載力40～60t/m2。當(dāng)?shù)虄?nèi)有水時(shí)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果：K抗傾=1.58＞1.5K抗滑=4.74滿足設(shè)計(jì)要求。④葫蘆溝河防洪工程處于1級(jí)階地與河漫灘交界的地帶。兩側(cè)以第四紀(jì)階地地層為主，由上至下地層主要為填土、砂土和卵石，河谷及漫灘地層以砂土和砂礫石為主。堤基坐落在巖層之上，壩后回填透水性較好的砂礫石。

2.1.3 作業(yè)路工程設(shè)計(jì)分析

為了方便施工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及有利于林間管理，同時(shí)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展接軌，在工程區(qū)建設(shè)作業(yè)路工程。路面寬度3.0m。本工程作業(yè)路設(shè)計(jì)上盡量利用原有道路基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際地形，由人工或機(jī)械修整平面后上墊10cm厚砂礫基層，平整壓實(shí)后墊磨耗層2cm，共建設(shè)作業(yè)路2.0km。

2.2 林草措施設(shè)計(jì)分析

2.2.1 植物護(hù)岸工程設(shè)計(jì)分析

根據(jù)工程區(qū)河道的自然特點(diǎn)，因害設(shè)防，發(fā)育河流以植物護(hù)岸為主。本項(xiàng)目疏溪固堤工程在采取工程措施的同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際布設(shè)植物護(hù)岸工程。植物護(hù)岸工程護(hù)岸林選擇適生的鄉(xiāng)土核桃楸、水曲柳等樹(shù)種。具體設(shè)計(jì)按照以下要求布設(shè)實(shí)施。

（1）實(shí)施地塊：河道兩側(cè)。

（2）立地條件：防洪堤背水坡及缺少植物措施的河岸。

（3）造林圖示：核桃楸護(hù)岸林。示意圖如圖1所示。

圖1 護(hù)岸林標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

（4）整地規(guī)格：造林春季人工穴狀整地，坑規(guī)格為長(zhǎng)×寬×深=0.3m×0.3m×0.3m。

（5）造林季節(jié)及方法：春季人工施肥、灌水、植苗造林。

核桃楸：雙行或多行，株行距為0.5m×0.5m。

水曲柳：雙行或多行，株行距為0.5m×0.5m。

（6）撫育措施：穴狀除草、松土，撫育年次：第1年1次；第2年1次。

（7）每畝苗木用量：詳細(xì)計(jì)算情況見(jiàn)表3。

表3 每畝種苗用量

（8）幼林撫育。新造幼林要實(shí)行封育，禁止放牧及其他不利幼林生長(zhǎng)和破壞整地工程的活動(dòng)。成活率30%～70%的進(jìn)行補(bǔ)植。

（9）工程區(qū)共栽植護(hù)岸林1.0hm2，其中核桃楸0.5hm2。

2.2.2 老果園改造設(shè)計(jì)分析

在板栗園樹(shù)下空間栽植紅松，紅松的栽植不耽誤板栗的生長(zhǎng)，同時(shí)紅松的栽植可提高植被覆蓋度，待紅松8a結(jié)塔后可將老板栗樹(shù)伐掉，松樹(shù)園替代了板栗園，紅松屬于林果兼用林，這種治理方法可增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)，又可保持水土維護(hù)生態(tài)，提高土地利用率［7］。工程主要是魚(yú)鱗坑整地，整地規(guī)格為短徑0.4m，深0.4m，長(zhǎng)徑0.8m，株行距為2.5m×3m，造林密度為1320株/hm2。

2.3 封禁治理措施設(shè)計(jì)分析

對(duì)工程區(qū)郁閉度在0.3以下的疏林地、灌木雜叢、10a生以下的幼林地以及3類蠶場(chǎng)，采取封禁治理措施，充分發(fā)揮大自然的自我修復(fù)能力，達(dá)到培育森林后備資源和實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)的目的。封禁治理采取的輔助措施為安排專人常年管護(hù)，定期補(bǔ)植，加強(qiáng)撫育管理。嚴(yán)禁放牧、割柴、取土、開(kāi)荒等破壞植被的活動(dòng)，使林地盡快達(dá)到有效覆蓋度，防止水土流失［6］。

2.3.1 封禁方法

結(jié)合各項(xiàng)治理措施，杜絕人為破壞，防治水土流失，促進(jìn)林草植被的自我修復(fù)，對(duì)遭到破壞后根系基礎(chǔ)較好或殘存有天然樹(shù)種的原有林地，劃界封禁起來(lái)，停止放牧、取薪柴、開(kāi)荒，禁絕山火，利用天然樹(shù)種、根株和根部萌芽及地下莖蔓延就可使森林得到恢復(fù)和發(fā)育。植被再生力強(qiáng)的地塊可以半年封半年放，植被再生力差的地塊只允許定期割草，禁止放牧。

2.3.2 封禁措施

對(duì)郁閉度＜0.3的疏林地和未成林造林地實(shí)施封禁治理。封禁治理應(yīng)結(jié)合補(bǔ)植、平茬復(fù)壯、修枝疏伐等撫育措施。同時(shí)為保證封得住、有效果、不反復(fù)，要明晰產(chǎn)權(quán)，制定優(yōu)惠政策，建立封禁等法規(guī)與政策，做到有明確的封育制度和相應(yīng)的鄉(xiāng)規(guī)民約，并家喻戶曉［4］。

2.3.3 封禁措施設(shè)計(jì)

（1）封禁組織管理設(shè)計(jì)。建立健全嚴(yán)格的封禁管理制度。封禁（封育）期間對(duì)林間隙地要及時(shí)補(bǔ)植造林，并適時(shí)做好撫育間伐。禁止封禁期間在修復(fù)區(qū)進(jìn)行砍喬木等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。封禁區(qū)的防火和森林病蟲(chóng)害防治工作，要按照《中華人民共和國(guó)森林法》和有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（2）封禁技術(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)護(hù)林員要確定管理制度，落實(shí)管護(hù)崗位責(zé)任制。在封禁區(qū)內(nèi)定期巡查，嚴(yán)禁人畜進(jìn)入破壞林草植被，在交通道路、村屯館舍、牧場(chǎng)周邊等與封禁區(qū)接壤地帶設(shè)置隔離圍欄、宣傳牌，以便流域群眾了解和監(jiān)督。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)寬甸縣小城子小流域葫蘆溝項(xiàng)目區(qū)治理工程的總體布置和工程措施、林草措施和封禁治理措施的分析，可以看出該工程的治理措施布設(shè)符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，做到了因地制宜、合理布置工程的各項(xiàng)措施，工程建設(shè)后將改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，為促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］李俠.小城子小流域葫蘆溝項(xiàng)目區(qū)治理工程建設(shè)分析［J］.黑龍江水利科技，2015（02）：105-106.

［2］李德花.建平縣水土保持工程總體布局與工程措施設(shè)計(jì)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2012（01）：51-56.

［3］金艷麗.建平縣水塘溝小流域綜合治理工程布局［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（01）：39-40+43.

［4］王忠法.對(duì)小流域規(guī)劃的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，1994（02）：35-38.

［5］李靜華.凌源市四官營(yíng)子小流域治理工程分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（02）：45-46+58.

［6］段威.新農(nóng)小流域綜合治理工程分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（03）：21-23.

［7］林曉靜.四官營(yíng)子小流域治理措施設(shè)計(jì)分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（05）：37-39.

S157

B

1672-2469（2015）12-0057-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.021

李 俠（1971年—），女，工程師。