水庫工程水土保持綜合治理與效益評價(jià)

黃海云

（中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528405）

隨著人類活動的日益頻繁，越來越多的植被受到侵害，雖然近年來國家政府已經(jīng)開始重視環(huán)境保護(hù)問題，但整體情況依舊不容樂觀，水土流失問題還相對嚴(yán)重。一般來說，對于水庫工程而言可選擇的水土保持對策包括了兩個方面的措施：一方面是工程對策，為防止出現(xiàn)較大程度的水土流失現(xiàn)象，科學(xué)開發(fā)利用地方水資源，可選擇修建排水系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等方式；另一方面是生物措施，可適當(dāng)提升水庫周邊的植被覆蓋率，增強(qiáng)土地生產(chǎn)計(jì)劃，大力推進(jìn)植樹造林和退耕還林工作。該文結(jié)合水庫實(shí)例，通過科學(xué)合理地配置，各項(xiàng)防治措施效果良好，生態(tài)景觀得到升級，棄渣取料場地得到了及時(shí)有效防護(hù)，施工區(qū)植被得到較好的恢復(fù)，水土流失得到有效控制，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

1 工程概況

某水庫工程的設(shè)計(jì)采用了點(diǎn)線結(jié)合的形式，水庫的有效庫容為103.25×121m3，每年的供水量為0.892×121m3，可以灌溉區(qū)域118hm2。工程為IV 等別、?。?）型規(guī)模，主要構(gòu)筑物為Ⅳ級，次要建筑物為Ⅴ級。整個工程包括灌溉供水與樞紐兩部分。水庫占地面積為21.14hm2。樞紐工程的核心為壩體、導(dǎo)流隧洞、泄洪道。壩體材料選擇了黏土心墻風(fēng)化料，壩頂為5m 寬，壩體全長134m，壩體最高處為45.03米，寬5.5m，壩長133.0m，壩體最高點(diǎn)44.12m，泄洪道的結(jié)合為開敞式，為鋼筋混凝土矩形斷面，總長為218.0m。輸水導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)為曲線的平面布置，總隧洞長337.33m。2條管道構(gòu)成灌溉供水工程。工程所區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)為水力侵蝕性土壤，水土流失輕度，容許土壤流失量小于510t/(km2a)。

2 水土保持措施

該文研究的課題可根據(jù)工程區(qū)域的分析結(jié)果，對不同建設(shè)區(qū)域作業(yè)過程中極易發(fā)生的水土流失進(jìn)行全面預(yù)測，以此為基礎(chǔ)對工程建設(shè)水土流失防治方案進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化。水庫項(xiàng)目設(shè)計(jì)的水土保持方案包括斜坡防護(hù)、河道整治、洪水疏導(dǎo)、攔渣、植被恢復(fù)等[1]。具體劃分如下。1）工程主體治理區(qū)域：在壩體周邊構(gòu)建綠籬，可以采用將不同樹種穿插種植的方式；培育防護(hù)林可以選擇杉木；針對裸露地面植被覆蓋的治理可以采用不同草種混合撒播的方式，以保證植的恢復(fù)效果。2）棄渣場的治理：根據(jù)水土保持的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為了盡快恢復(fù)土地植被的生態(tài)功能，在棄渣體的表面可以種植一些易于成活的植物。首先，按照穩(wěn)定邊坡坡度堆放棄渣，在很多時(shí)候，水庫工程棄渣主要為土石混合料，通常情況下其最陡穩(wěn)定邊坡的坡度系數(shù)為1︰1.5，因此水土保持措施的選擇需要結(jié)合穩(wěn)定邊坡棄渣堆放情況來確定，力求把坡度控制在1︰2 左右。其次，設(shè)置排水系統(tǒng)，為避免山坡地表徑流進(jìn)入沖溝內(nèi)的堆渣中，應(yīng)順著棄渣場地邊緣附近建設(shè)一排臨時(shí)排水截水溝，確保坡面洪水的合理引導(dǎo)。最后，做好坡面以及地面的水土防護(hù)作業(yè)，棄渣場裸露表面往往會受到降水以及地表徑流的雙重影響，棄渣場應(yīng)將表面腐殖土推到其他區(qū)域進(jìn)行堆放并采取一定的防護(hù)措施，等待堆渣符合最終高程后將棄渣場表面進(jìn)行壓實(shí)，隨后回填腐殖土。3）料場治理區(qū)域：基于山區(qū)不良的施工環(huán)境，工程主體區(qū)的治理可采用永久與臨時(shí)加以混合的方式，結(jié)合料場特點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)耕地恢復(fù)方式以及道路排水措施。料場的樹種可以選擇香樟和桂花。邊坡防護(hù)可以采取狗牙根與爬藤油麻藤混合栽種的方式，以實(shí)現(xiàn)加固路基的作用。4）工程附屬企業(yè)治理區(qū)域：將防洪排導(dǎo)設(shè)施布置在各建筑物周邊以后，就要對工程擾動的范圍內(nèi)進(jìn)行植被的恢復(fù)。5）工程建設(shè)道路治理區(qū)域：針對下坡的道路，要在道路的一側(cè)進(jìn)行臨時(shí)擋護(hù)，同時(shí)要規(guī)劃恢復(fù)道路周邊擾動區(qū)域的植被恢復(fù)措施。6）施工生產(chǎn)生活區(qū)域：水庫工程施工作業(yè)開始前需要剝離表土進(jìn)行臨時(shí)堆存，同時(shí)選擇有針對性的水保對策予以防護(hù)，施工完成后需要第一時(shí)間平整施工現(xiàn)場并覆土，按照“宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林”的基本原則，占耕地應(yīng)選擇全面整地的方式實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)復(fù)墾，占用其他區(qū)域應(yīng)選擇喬灌草結(jié)合的辦法恢復(fù)植被，提升地表的水保能力，還可設(shè)計(jì)臨時(shí)排水溝和攔擋等。

3 水土保持綜合效益評價(jià)

3.1 保持水土效益分析

3.1.1 計(jì)算保水效益

增加林草植被是保水的最有效措施，植被可以增強(qiáng)土壤里的孔隙度，提高土壤蓄水功能，最主要的功能是植被自身特殊的生物屬性蘊(yùn)涵著豐富的水分，能夠有效地涵養(yǎng)水源[2]。

具體的計(jì)算方式可以根據(jù)水量平衡的規(guī)則計(jì)算水土保護(hù)方案實(shí)施前和實(shí)施后水量的變化值。

式中：Y代表植被模式具體的涵養(yǎng)水量，P0'是項(xiàng)目區(qū)域效益評價(jià)前期的年均降水量，P0則是后期的降水量，ETi'為項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)進(jìn)行植被恢復(fù)措施前不同土地利用類型的蒸散總量，ETi則是恢復(fù)措施后的蒸散總量，Ci'為項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)措施實(shí)施前不同土地利用類型的地表徑流量，Ci則是措施實(shí)施后的地表徑流總量。

對植被恢復(fù)措施具體涵養(yǎng)水量確定后，可以利用影子工程措施，確定水土保持林草措施實(shí)際的涵養(yǎng)水源量后，可采用影子工程法，根據(jù)同庫容水庫工程建設(shè)成本計(jì)算節(jié)水效益

式中：V6表示水源的涵養(yǎng)效益，G表示修建水庫單位庫容的成本。

3.1.2 攔泥保土效益計(jì)算

可利用價(jià)格替代法，減少泥沙淤積的人工清淤成本。

式中：V4為泥沙淤積效益減少值，ΔM為恢復(fù)措施進(jìn)行前、后的土壤侵蝕強(qiáng)度變化，S為有效措施面積。λ為侵蝕泥沙淤積比，β為泥沙人工清除費(fèi)用。

3.2 生態(tài)效益

3.2.1 植被恢復(fù)后產(chǎn)生的效益

生態(tài)治理方案實(shí)施后，合理處理了工程開挖面，解決了水土保養(yǎng)問題。采取綠化措施能夠起到蓄水保植、改善水土流失的作用。項(xiàng)目區(qū)實(shí)施的林草植被方案種植的林草呈現(xiàn)良好的生長狀態(tài)，達(dá)到了81%的植被覆蓋率，相對于建設(shè)期，樞紐區(qū)表現(xiàn)出明顯的小氣候特征，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)本地鄉(xiāng)土樹種占據(jù)總體比例為88%，喬、灌草混合而成的多樣性植被郁閉度明顯提高。

3.2.2 旅游景觀提升效益

該水庫利用打造庫區(qū)的生態(tài)景觀，工程區(qū)內(nèi)四季都風(fēng)光旖旎，千姿百態(tài)，具備超強(qiáng)的空間層次感，讓工程區(qū)域內(nèi)可觀賞性顯著提升。該水庫水環(huán)境為基礎(chǔ)的生態(tài)景觀建設(shè)帶動了當(dāng)?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅項(xiàng)目區(qū)域周圍的縣的旅游業(yè)的從業(yè)者達(dá)7000 人以上，旅游景點(diǎn)13處，旅游業(yè)已逐漸發(fā)展為當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)。2019 年的數(shù)據(jù)表明，旅游產(chǎn)業(yè)的規(guī)模達(dá)到了8.6 億元。

3.3 社會經(jīng)濟(jì)效益

該水庫是公益性的水利工程，集抗旱、灌溉、防洪景觀建設(shè)多種功能于一身。工程建設(shè)部門制定了全面的植被恢復(fù)方案，占用土地都進(jìn)行了林果和草木種植，可以有效控制了由于施工引發(fā)的水土流失問題，工程區(qū)域周圍自然環(huán)境得到凈化；采用水土保持方案有效改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，可以有效治理施工對自然環(huán)境的破壞，解決了工程施工產(chǎn)生的棄渣問題，生態(tài)環(huán)境得以改善。該項(xiàng)目中，植被覆蓋面積為7.20hm2，植被恢復(fù)比例為97.96%，植被的覆蓋率為78%。植物多樣性改善了區(qū)域小氣候，增加了濕度，提升了地下水位[4]。

3.4 水土保持效益綜合評價(jià)

3.4.1 評價(jià)體系建立

層次分析法的應(yīng)用。對于治理方案實(shí)施后效益加以評價(jià)，選擇相應(yīng)的指標(biāo)加以對比分析，構(gòu)建出水土保持效益評價(jià)體系，內(nèi)容包括X為目標(biāo)層，指標(biāo)中將水土保持治理效果作為目標(biāo)；Y為指標(biāo)層，細(xì)分為生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益；Z為因子層，分為15 個因子，依次為Z1～Z15；評估層。評估層細(xì)分為坡耕地、坡式梯田、復(fù)式梯田、綠籬等六種類型。水庫綜合治理的評價(jià)指標(biāo)體系如圖1 所示。

3.4.2 指標(biāo)權(quán)重確定及評價(jià)方法

研究各個評價(jià)因子的權(quán)重是評價(jià)實(shí)施中的關(guān)鍵。層次分析法的應(yīng)用體現(xiàn)出多層次、多要素的特點(diǎn)，指標(biāo)的權(quán)重體現(xiàn)出邏輯性、系統(tǒng)性、實(shí)用性。指標(biāo)數(shù)據(jù)簡單，具有可操作性。通過專家對比，建立對比較矩陣，計(jì)算出單排序與總排序，分析判斷矩陣與群組決策是否具有一致性，計(jì)算得出各評價(jià)因子與X層存在的權(quán)重關(guān)系[5]。層次分析法的計(jì)算方法較為煩瑣，本次應(yīng)用了yaahp 專業(yè)軟件取代人工計(jì)算，經(jīng)一致性檢驗(yàn)明確了各因素層與指標(biāo)的權(quán)重。借助對數(shù)效用函數(shù)分解，對各個指標(biāo)實(shí)施無量綱化處理分析，獲得水庫工程水土保持綜合治理效益評價(jià)因素的權(quán)重值，見表1。

表1 水庫工程水土保持綜合治理評價(jià)因子權(quán)重值

圖1 的綜合權(quán)重排列順序表明，影響小流域綜合治理的效果直接影響因素包括地表徑流、土壤侵蝕、植被覆蓋等，這些指標(biāo)權(quán)重累計(jì)為61%。

圖1 水庫工程水土保持綜合治理效益評價(jià)指標(biāo)體系

3.4.3 不同水土保持措施效益分析

效益指標(biāo)包括坡耕地、坡式梯田、復(fù)式梯田、綠籬、經(jīng)濟(jì)林、水源林。數(shù)據(jù)見表3。綜合效益從高到低排列分別為水源林、經(jīng)濟(jì)林、復(fù)式梯田、坡式梯田、綠籬、坡耕地，說明水保林與經(jīng)濟(jì)林的種植對于維護(hù)生態(tài)環(huán)境可以發(fā)揮較好的效果。單從經(jīng)濟(jì)效益比較，從高向低排列順序?yàn)榻?jīng)濟(jì)林、坡式梯田、綠籬、復(fù)式梯田、水保林、坡耕地，這也表明經(jīng)濟(jì)林與坡式梯田具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，綠籬也較好，這是由于綠籬的投資不多，并且在回收期方面具有優(yōu)勢，可以保證短期內(nèi)收益。復(fù)式梯田的投資較大，不同于其他耕作措施，在經(jīng)濟(jì)效益方面缺少優(yōu)勢，并且投資回收周期長。此薦研究選擇的水源林地的主要種植作物為枇杷。枇杷的種植成本相對高，并且成果時(shí)間較長，在短期內(nèi)難以體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)效益。而坡耕地如果不采用措施會導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移，區(qū)域土層逐漸變薄，作物的產(chǎn)量及收益會受到影響。6 項(xiàng)措施中，效益從高到低的排列順序依次為復(fù)式梯田，坡式梯田，經(jīng)濟(jì)林，水源林，綠籬，坡耕地。采用復(fù)式梯田不僅可以改善耕作條件，還可以推動水系、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的完善，還可以解決當(dāng)?shù)氐木蜆I(yè)問題。

6 項(xiàng)措施中，從高到低排列綜合效益分別為經(jīng)濟(jì)林、水源林、坡式梯田、復(fù)式梯田、綠籬、坡耕地。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)濟(jì)林具有保持土壤、涵養(yǎng)水源的功能，可以保證經(jīng)濟(jì)收益，體現(xiàn)出綜合經(jīng)濟(jì)效益；采用坡式梯田的優(yōu)勢是可以緩解坡耕地水土流失，可以提高旱地的種植效益，體現(xiàn)出投資少、見效快的特點(diǎn)；采用復(fù)式梯田可以有效防治水土流失，但是其缺陷是造價(jià)較高，不適用于坡度較陡或土石山區(qū)。修筑土坎梯田要考慮到地區(qū)的地形特點(diǎn)。綠籬的特點(diǎn)是造價(jià)低，易于管護(hù)，但是其缺陷仍需要采用斜坡耕作，會引發(fā)水土流失。庫區(qū)所在地的特點(diǎn)是人多地少，在坡耕地種植是糧食的主要來源，對于庫區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，采用坡式梯田與復(fù)式梯田有利于保障糧食安全，并且保證經(jīng)濟(jì)效益，解決水土流失問題，體現(xiàn)出生態(tài)效益。水源林的缺陷是經(jīng)濟(jì)效益不高，如果要大幅提高經(jīng)濟(jì)收益，要擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)林的種植面積[6]。水庫區(qū)針對水土保持進(jìn)行綜合治理要發(fā)揮種植經(jīng)濟(jì)林的優(yōu)勢，改善坡耕地現(xiàn)狀，將坡式梯田作為主要方式，另外可以發(fā)揮復(fù)式梯田和綠籬的補(bǔ)充作用。

4 結(jié)語

水庫工程的建設(shè)與運(yùn)行中往往容易出現(xiàn)水土流失的現(xiàn)象，進(jìn)而對地方生態(tài)環(huán)境的持續(xù)健康發(fā)展帶來非常大的影響。因此，水土保持綜合治理效益評價(jià)對于水土保持綜合治理工作非常重要。該水庫項(xiàng)目經(jīng)過對工程措施、臨時(shí)措施、植被措施的科學(xué)合理配置，在合理管理制度的配合下，科學(xué)有效地治理了項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的水土流失，基本上實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目制定的保護(hù)自然生態(tài)的目標(biāo)。在工程運(yùn)行期間，與本地農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)模式有機(jī)結(jié)合，大力發(fā)展項(xiàng)目區(qū)園林經(jīng)濟(jì)，在提升植被覆蓋率的同時(shí)，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 水庫工程不同水土保持措施效益指標(biāo)數(shù)值