劉彥隨，李裕瑞

（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2. 中國科學(xué)院精準扶貧評估研究中心，北京100101；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

·綜合研究·關(guān)鍵技術(shù)·

黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程原理與設(shè)計技術(shù)

劉彥隨，李裕瑞

（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2. 中國科學(xué)院精準扶貧評估研究中心，北京100101；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

黃土高原實施退耕還林還草工程之后，憑借溝道土地整治工程的推進，實現(xiàn)了坡面與溝道協(xié)同治理、生態(tài)保護與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)協(xié)調(diào)發(fā)展的“雙贏”目標。論文基于復(fù)雜流域系統(tǒng)的視角，探討了黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程原理與設(shè)計技術(shù)，提出了溝道土地整治應(yīng)以增良田、保生態(tài)、惠民生為主題，以景觀協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、利用持續(xù)、功能高效為理念，強調(diào)山上退耕還林、山下治溝造地，治溝保生態(tài)、造地惠民生。制定了溝道土地整治分區(qū)、分類標準及技術(shù)要點，劃定了修復(fù)整治型、配套完善型、開發(fā)補充型、綜合治理型等 4種工程建設(shè)類型，創(chuàng)建了“干-支-毛”分層防控、“渠-堤-壩”系統(tǒng)配套、“喬-灌-草”科學(xué)搭配的增強型溝道整治工程技術(shù)體系。這些原理與技術(shù)近3年來應(yīng)用于延安治溝造地土地整治重大工程實踐，取得了明顯成效。為進一步發(fā)揮土地整治工程的綜合效益，論文梳理提出了加快推進新型農(nóng)村社區(qū)化與民居安置、城鄉(xiāng)服務(wù)均等化與設(shè)施配套、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化與基地建設(shè)、農(nóng)村土地資產(chǎn)化與制度創(chuàng)新等4大配套工程建設(shè)及對策建議。

土地利用；整治；農(nóng)業(yè)工程；農(nóng)業(yè)地理工程；溝道土地；黃土高原；延安市

劉彥隨，李裕瑞. 黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程原理與設(shè)計技術(shù) [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(10)：1－9.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.001 http://www.tcsae.org

Liu Yansui, Li Yurui. Engineering philosophy and design scheme of gully land consolidation in Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.001 http://www.tcsae.org

0 引 言

黃土高原地區(qū)溝壑縱橫、地形復(fù)雜，加之暴雨集中、強度大，黃土物質(zhì)極易受到暴雨、徑流的侵蝕。長期以來由于濫墾、濫伐、濫牧等不合理的土地利用方式，黃土高原地表植被遭到嚴重破壞，水土流失加劇，加之居民生活貧困，因而成為中國人地矛盾最為突出的地區(qū)之一，在黃土丘陵溝壑區(qū)尤為明顯[1-3]。據(jù)史料記載，早在400多年前當?shù)鼐桶l(fā)明了打淤地壩的水土保持措施，既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田。直至 20世紀 50年代至60年代中期，黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持仍以溝底打壩工程手段為主，但由于技術(shù)水平與經(jīng)濟能力有限，泄洪設(shè)計標準偏低，工程建設(shè)投入較少，多數(shù)大壩相繼垮塌。60年代中期至70年代末期，加強了梯田、壩地、小片水地等以小規(guī)模工程為主的基本農(nóng)田建設(shè)，取得一定成效，但存在“重工程、輕林草，重新修、輕管護，重主體、輕配套，重治水、輕改土，重治溝、輕治坡”等問題[4]。70年代末期至90年代末期，逐步形成了以小流域為單元的綜合治理模式，提出工程措施、耕作措施與生物措施相結(jié)合，注重流域內(nèi)水土流失治理與經(jīng)濟開發(fā)的結(jié)合，局部地區(qū)取得顯著成效，但仍難以整體解決黃土高原面臨的生態(tài)問題[5]。

黃土高原自 1999年開始實施“退耕還林（草），綠化荒山，個體承包，以糧代賑”的生態(tài)退耕戰(zhàn)略，形成以生物治理為主的水土保持政策。伴隨著當?shù)剞r(nóng)村勞動力外出就業(yè)，該項工程取得了顯著成效，集中體現(xiàn)在植被覆蓋率大幅增加[6-7]，入黃泥沙大量減少[8-9]，生態(tài)狀況得到顯著改觀[10]。從治理效果看，該工程是黃土高原地區(qū)實施規(guī)模最大、最受好評的一項生態(tài)工程[11]。然而，坡地退耕還林還草后，耕地面積大幅減少，僅2000-2008年耕地面積減少了10.8%[10]，在工程核心區(qū)減少的更多。黃土高原退耕還林還草已對區(qū)域糧食生產(chǎn)產(chǎn)生了明顯的負面影響，局部出現(xiàn)人-糧關(guān)系緊張[8]，影響到農(nóng)戶生計和糧食安全。還有許多城鎮(zhèn)位于河谷低地，發(fā)展空間受限。因此，如何平衡退耕還林還草、糧食生產(chǎn)和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的時空關(guān)系成為當前亟待解決的現(xiàn)實問題[11]。

鑒于黃土高原梁峁坡面多已退耕和植樹造林，溝道成為治溝造地的重要切入點[12-14]。當?shù)匾划€溝道壩地的產(chǎn)量相當于五畝梁峁坡地的產(chǎn)量，故有“寧種一畝溝，不種十畝坡”的說法。長期以來，由于深溝洪水侵蝕、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，溝道土地利用的難度大、效率低。而隨著水土流失狀況顯著改善，泥沙流失量明顯減少，傳統(tǒng)的淤地壩建設(shè)模式也已不再適宜。為滿足糧食生產(chǎn)和城鎮(zhèn)發(fā)展的用地需求，進一步鞏固退耕還林成果，延安等地部分區(qū)縣近年來率先開展了以閘溝造地為特點的溝道土地綜合整治工程實踐，簡稱“治溝造地”[15]。對于保障溝道安全、提高溝道基礎(chǔ)設(shè)施水平、提升溝道農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力起到了積極作用，具有示范和推廣價值[8,16-18]。筆者團隊主持完成了中央支持陜西省延安市治溝造地土地整治重大工程項目，國土資源部、財政部聯(lián)合發(fā)文（[2013]914號）正式批準實施。項目建設(shè)總規(guī)模3.37萬hm2，總投資48.32億元，建設(shè)期為2013-2017年。在生產(chǎn)實踐中，延安“三造”（植樹造林、治溝造地、平山造城）踐行了“三生”（生態(tài)、生產(chǎn)、生活）協(xié)調(diào)發(fā)展的新模式。本文擬闡釋延安治溝造地工程原理及其創(chuàng)新理念，分析針對延安治溝造地特點而研究提出的增強型工程設(shè)計技術(shù)方案，并對流域生態(tài)安全、治溝造地后續(xù)工程、土地整治學(xué)科發(fā)展進行深入探討，為新時期科學(xué)推進黃土丘陵溝壑區(qū)的國土整治與農(nóng)業(yè)發(fā)展提供模式參考和技術(shù)支撐。

1 黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程原理與創(chuàng)新理念

1.1 學(xué)界認知

黃土高原國土整治事關(guān)區(qū)域國土空間重構(gòu)、土地利用配置和城鄉(xiāng)發(fā)展轉(zhuǎn)型，影響到華北生態(tài)屏障建設(shè)、黃河下游泥沙治理大局，深化黃土高原國土整治的科學(xué)認知，具有重要的現(xiàn)實意義和價值[19]。國內(nèi)外諸多學(xué)者在該領(lǐng)域開展了大量研究，提出了許多重要的學(xué)術(shù)觀點和建議。朱顯謨提出了黃土高原國土整治“28字方略”[20]，之后相關(guān)專家進一步提出了黃土高原綜合治理的理念與模式（表1）。本文基于土地整治、水土保持、生態(tài)建設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)等相關(guān)國家標準、行業(yè)規(guī)范，梳理提煉了相關(guān)理論與技術(shù)，并應(yīng)用于延安治溝造地土地整治重大工程設(shè)計?？傮w來看，黃土丘陵溝壑區(qū)溝道治理的關(guān)鍵是洪災(zāi)和坡體的綜合治理，為了確保治溝造地工程安全性與穩(wěn)定性，必須強化溝坡同治、因地制宜、因害設(shè)防、科學(xué)管理。

表1 黃土高原國土整治代表性觀點Table 1 Main opinions about land consolidation in Loess Plateau

1.2 實踐經(jīng)驗

黃土丘陵溝壑區(qū)不缺地，缺的是土質(zhì)肥沃、設(shè)施齊備、耕作方便的高標準基本農(nóng)田，在當?shù)靥刂笢系览锏膲蔚?。在實施退耕還林工程之前，為增加耕地、保持水土，主要以小流域綜合治理為重點，采用“坡修梯田、溝打壩”的工程治理方式，打壩就是筑壩淤地。近年來，隨著丘陵峁坡地區(qū)植被條件的改善和泥沙量的減少，溝道筑壩淤地受到限制，因而改為閘溝造地。實踐證明，實施退耕還林工程之后，科學(xué)推進溝道土地整治工程是恰逢其時的重大舉措，閘溝造地既是水土保持工作理論的發(fā)展，也是水土治理實踐模式的創(chuàng)新。主要創(chuàng)新：1）用機械將溝道兩側(cè)的山坡梯級切下，把溝道分層填平形成耕地。2）在壩田邊側(cè)修筑溝渠，確保洪水能排到溝底。3）田塊間修筑塄坎和擋壩，留住雨水，保持墑情。4）修筑田間道路，從溝口直到溝頭。在工程試驗過程中，通常需要創(chuàng)新多項措施確保工程協(xié)調(diào)推進[15]：一是堅持因地制宜、科學(xué)規(guī)劃；二是按照干、支、毛全流域設(shè)計，攔、蓄、排整系統(tǒng)推進，連片開發(fā)，一次建成；三是堅持“八配套”、“三清楚”、“一到位”，分別是田、壩、路、林、渠、排水、退耕、產(chǎn)業(yè)相配套，新增耕地面積清楚、工程量清楚、投資額清楚，一次規(guī)劃到位。

1.3 工程原理

1.3.1 基于復(fù)雜流域系統(tǒng)理論透視溝道土地整治工程設(shè)計

溝道是由分水嶺分割而成的自然地域單元，水、泥沙、其他沉積物和化學(xué)物質(zhì)都主要在溝道內(nèi)部循環(huán)，并通過水流匯集到出口處。因此，溝道是一個既與外界保持著物質(zhì)、能量和信息交換，同時又是一個相對封閉、有著清晰邊界的小型流域系統(tǒng)。隨著人類經(jīng)濟活動的日益增強，溝道系統(tǒng)可理解為由自然生態(tài)、資源環(huán)境、社會經(jīng)濟等協(xié)同構(gòu)成的、具有鮮明層次結(jié)構(gòu)和整體功能的復(fù)雜流域系統(tǒng)[28-29]。治溝造地土地整治工程設(shè)計亟需充分認識黃土丘陵區(qū)坡面-溝道系統(tǒng)的復(fù)雜性、脆弱性和動態(tài)性，揭示流域系統(tǒng)分異形態(tài)格局與規(guī)律，探究坡體-邊坡-溝道復(fù)合系統(tǒng)過程與機理，探明水、土、氣、生、人等各類要素在溝道系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)閾值、運移規(guī)律及相互作用機制，診斷制約生態(tài)安全的關(guān)鍵因素，掌握控制性因素的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，構(gòu)建溝道及邊坡治理工程的生態(tài)安全保障技術(shù)體系。

工程設(shè)計的要點：1）基于溝道內(nèi)不同界面的產(chǎn)流規(guī)律，做好坡面徑流導(dǎo)流、梯級攔蓄工程，提高水資源利用效率，保障坡面穩(wěn)定和溝道防洪安全；2）針對黃土易濕陷、易崩解的特性，通過創(chuàng)新工程技術(shù)和施工工藝，提高混凝土工程耐久性，提升土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強土壤耕作適宜性；3）揭示不同地表界面水土要素耦合機制，實現(xiàn)產(chǎn)沙產(chǎn)流精細化建模與快速測算，因災(zāi)設(shè)防，確保壩系安全；4）發(fā)揮溝道土地整治工程、植被修復(fù)工程在流域及大尺度區(qū)域碳氮循環(huán)與生態(tài)保育中的支撐作用；5）針對植被承載力、土地適宜性、坡體-植被系統(tǒng)穩(wěn)定性，優(yōu)化坡體植被生態(tài)工程設(shè)計，提高水土保持能力；6）基于削坡填溝經(jīng)濟性、邊坡防護安全性、壩地土體穩(wěn)定性綜合視角，明確削坡填溝的優(yōu)化模型與方案，求解造地面積較大、工程風(fēng)險較小、經(jīng)濟投資較低的技術(shù)方案；7）探究人類活動對生態(tài)環(huán)境影響機制及其效應(yīng)測度方法，探明土地可持續(xù)利用新途徑。實現(xiàn)復(fù)雜流域系統(tǒng)內(nèi)壩系穩(wěn)定、植被恢復(fù)、邊坡穩(wěn)固、壩地熟化、生態(tài)安全、經(jīng)濟合理、社會認可的溝道土地綜合整治系統(tǒng)目標。

1.3.2 黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治空間認知與工程模式

黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程設(shè)計，以現(xiàn)有大中型攔洪壩、淤地壩為骨架，合理配置中小型壩，“攔、蓄、排、灌”相結(jié)合，遵循保護退耕成果、降低生態(tài)風(fēng)險、方便耕作利用的原則，在全面提高溝道防洪、排水能力的前提下，重點推進閘溝造地和溝臺地建設(shè)，恢復(fù)水毀壩地，配套生產(chǎn)道路，形成完整的溝道安全防護體系與農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施體系，切實提升治溝造地土地整治重大工程的可行性與可靠性，著力建設(shè)符合黃土丘陵溝壑區(qū)自然地理條件和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的高標準基本農(nóng)田。為切實增強溝道穩(wěn)定性、安全性和生態(tài)性，本文提出了包含布設(shè)邊坡植物防護工程、堤壩防護工程、溝道治理工程、坡面防護工程的系統(tǒng)方案，形成集生物、工程、管護于一體的綜合防護體系，實現(xiàn)溝頭、溝底、溝坡及梁峁坡面的全方位防護。山水林田湖是一個“生命共同體”，穩(wěn)步推進“山上退耕還林，山下治溝造地”，實現(xiàn)“治溝保生態(tài)、造地惠民生”的目標，成為破解傳統(tǒng)的人文-自然系統(tǒng)惡性循環(huán)怪圈，構(gòu)筑黃土高原丘陵溝壑區(qū)生態(tài)安全、農(nóng)田保護、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的新機制、新平臺。

1.4 創(chuàng)新理念

借鑒黃土高原國土整治、復(fù)雜流域系統(tǒng)、土地資源工程、鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型發(fā)展的相關(guān)經(jīng)驗、教訓(xùn)與技術(shù)模式，黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治重大工程創(chuàng)新的關(guān)鍵是以治溝造地“增良田、保生態(tài)、惠民生”為主題，以“景觀協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、利用持續(xù)、功能高效”為理念，系統(tǒng)開展農(nóng)業(yè)地理工程建設(shè)，深入推進現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)田有機重構(gòu)和新造地“三微”（微結(jié)構(gòu)、微形態(tài)、微機理）系統(tǒng)觀測研究，強化分段分帶、溝坡同治，因地制宜、分類推進，統(tǒng)籌兼顧、持續(xù)發(fā)展理念。

1.4.1 整治類型劃分

由于匯流面積、現(xiàn)狀設(shè)施、利用導(dǎo)向、工程需求的差異性，溝道土地整治重大工程設(shè)計強調(diào)因地制宜、因勢利導(dǎo)，劃定了溝道土地整治4大類型（表2）。

表2 黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治建設(shè)類型、現(xiàn)狀特征及主要工程措施需求Table 2 Typology, characteristics and engeneering demand of gully land consolidation in hilly area of Loess Plateau

1）修復(fù)整治型。以沖垮、廢棄壩地和川道地為主要對象，采取舊壩加固、修筑排洪渠等修復(fù)整治措施，實現(xiàn)毀壞溝道土地恢復(fù)與再利用的整治類型。以恢復(fù)耕地和提高耕地質(zhì)量為主，新增耕地較少。2）配套完善型?，F(xiàn)在仍是壩地或川道耕地，但其壩、渠、路、林等配套基礎(chǔ)設(shè)施不完善，存在較大安全隱患，需重點防控與改善的整治類型。以完成農(nóng)田配套設(shè)施水平和提高土地產(chǎn)能為主，新增耕地潛力很小。3）開發(fā)補充型。以具有一定空間潛力而未開發(fā)利用的溝道、寬闊的河灘地為重點，推進工程、生物與生態(tài)等復(fù)合措施，實現(xiàn)治溝造地、灘地治理和有效增加耕地面積的整治類型。其工程量大、投入較高，新增耕地潛力也較大。4）綜合治理型。特定溝域內(nèi)治溝造地與空心村整治、工礦廢棄地復(fù)墾有機結(jié)合，推進整域性土地綜合治理的整治類型。其整治難度較大，但綜合效益顯著，有利于城鄉(xiāng)土地優(yōu)化配置。經(jīng)實地勘察、信息收集、分類匯總和意見反饋，明確各整治類型的建設(shè)規(guī)模、空間分布和具體邊界。

1.4.2 設(shè)計模式體系

土地整治重大工程技術(shù)性強、涉及面廣、影響力大、利益相關(guān)者眾多，項目團隊集思廣益，系統(tǒng)構(gòu)建了溝道土地整治重大工程的設(shè)計模式體系（圖1）：1）內(nèi)容體系。以可行性研究報告為核心報告，以新增耕地分析、水土資源分析、環(huán)境影響評價、社會風(fēng)險分析、典型設(shè)計、投資估算、實施方案為支撐報告，形成可行性研究的內(nèi)容體系。2）工程體系。遵照土地整治重大工程項目可行性研究報告編制的相關(guān)規(guī)程，明確骨干工程、土地平整工程、灌溉排水工程、田間道路工程、農(nóng)田防護與生態(tài)環(huán)境保持工程及其他工程的內(nèi)容、規(guī)范、標準、施工技術(shù)，并針對關(guān)鍵技術(shù)、參數(shù)開展專門試驗和專題研究。3）要素體系。在工程要素層面強調(diào)“干-支-毛”分層防控、“渠-堤-壩”系統(tǒng)配套、“喬-灌-草”科學(xué)搭配，在利用要素層面強調(diào)“坡-溝-川”協(xié)同推進，“田-林-路”科學(xué)布設(shè)，“人-地-業(yè)”綜合考量。4）尺度體系。以項目、片區(qū)、子項目統(tǒng)領(lǐng)工程建設(shè)的組織層級，整個重大工程視為1個項目，各區(qū)縣為相應(yīng)建設(shè)片區(qū)，以規(guī)模適度的小流域為單元，確定各個片區(qū)的子項目，以區(qū)域、流域、溝域作為工程設(shè)計空間層級。5）參與體系。溝道土地整治重大工程十分注重參與體系的構(gòu)建，強調(diào)問計于業(yè)務(wù)專家、問計于基層干部、問計于當?shù)剞r(nóng)民，基于多主體協(xié)同參與，建立土地整治重大工程調(diào)研、勘測、規(guī)劃、設(shè)計、施工、監(jiān)管、評估、利用的行動者系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 溝道土地整治重大工程的模式體系設(shè)計Fig.1 Framework of designing model of gully land consolidation project feasibility

2 延安溝道土地整治增強型工程設(shè)計技術(shù)

2.1 工程設(shè)計技術(shù)方案

生態(tài)安全通常指人類賴以生存和發(fā)展的生態(tài)環(huán)境處于不受或少受破壞與威脅的狀態(tài)?？茖W(xué)治理水土、防治生態(tài)災(zāi)害、保障生態(tài)安全是溝道整治工程設(shè)計的基本理論前提。黃土丘陵溝壑區(qū)的生態(tài)災(zāi)害主要包括由自然和人為因素誘發(fā)的植被退化，以及崩塌滑坡、溝道工程失效等引起的嚴重水土流失。因此，延安治溝造地土地整治重大工程圍繞提升溝道生態(tài)安全及土地利用穩(wěn)定性、高效性與可持續(xù)性，重點強化了壩系建設(shè)、切坡護溝、溝道排澇、溝頭治理、破面防護和農(nóng)田灌溉等六大工程技術(shù)措施。

2.1.1 壩系建設(shè)工程

治理黃河、促進陜北農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，是通過工程措施改變黃土高原水土嚴重流失區(qū)的侵蝕地理環(huán)境，其重點在于加強壩系建設(shè)。根據(jù)壩系穩(wěn)定性原理，當淤地壩達到一定的高度、壩地面積與壩所控制流域面積的比例達到一定數(shù)值之后，淤地壩將對洪水、泥沙長期控制而不致影響壩地作物生長，即洪水泥沙在壩內(nèi)被消化利用，達到產(chǎn)水、產(chǎn)沙與用水、用沙的相對平衡。這既能確保壩體在特定暴雨洪水頻率下保證壩系工程的安全，也能在特定暴雨洪水頻率下，保證壩地作物生長不受損失或少受損失，還能將絕大部分的洪水、泥沙攔截在壩內(nèi)，使溝道流域的水沙資源得到充分利用。而要達到壩系的相對穩(wěn)定，設(shè)計淤地壩時必須考慮當?shù)氐乃臈l件（如設(shè)計洪量及歷時、設(shè)計暴雨量及歷時等）、所控制的小流域的地理條件、地質(zhì)條件、壩地的面積，以及所種植的農(nóng)作物種類等。結(jié)合黃土高原丘陵溝壑區(qū)壩系建設(shè)所積累的豐富經(jīng)驗，重點須在主溝的溝頭布設(shè)攔洪壩，作為攔擋泥沙、洪水的第一道防線，在主溝溝口建設(shè)骨干型淤地壩，在支毛溝溝口、主溝中上游建設(shè)中小型淤地壩，形成“攔泥、蓄水、灌溉、排洪”相結(jié)合的綜合防護與利用體系，確保溝道的整體穩(wěn)定與安全。

2.1.2 切坡護溝工程

在黃土丘陵區(qū)主溝道兩側(cè)的緩坡段可通過梯級筑臺造田或削坡填溝造地。修筑溝臺地時，為便于機械化耕作，通常每4～6 m修一個臺階，溝臺地以寬8～15 m，長50～100 m為宜，田面外高內(nèi)低，內(nèi)側(cè)布設(shè)淺溝和集雨窖，先導(dǎo)、后蓄、再排，蓄積的雨水可供溝臺地的經(jīng)濟林果灌溉所需。在不與退耕還林工程相沖突的情況下，一些特殊地段需要對突出的陡峭側(cè)坡或部分坡地進行適當削坡，進而對地勢低洼地段進行覆土修整，借以達到增加有效耕地面積的目的。為確保邊坡穩(wěn)定性，需采取必要的固坡、護坡或緩坡措施，周邊陡坡削坡直立高度應(yīng)不超過2 m，若是非濕陷的老黃土層，可適當提高到5 m之內(nèi)；根據(jù)土質(zhì)條件的差異，采取不同的護坡措施，高邊坡開挖坡比應(yīng)控制在1∶0.50 ～ 1∶0.75，分級開挖高度控制在每級4～6 m，且設(shè)置平臺，與等高線平行，寬度宜為1.5～2 m；對易產(chǎn)生滑坡隱患的坡面，嚴禁削坡，除非能通過削坡消除該隱患。如果坡腳存在滑塌誘因，則應(yīng)及時采取干砌石、堆沙袋等坡腳防護措施。對開挖坡面、退臺均采取植物防護、生態(tài)還綠措施。在坡腳開挖修筑排洪渠時，排洪渠應(yīng)布設(shè)在距坡腳1 m之外，即預(yù)留1 m平臺，并進行必要的植物防護。

2.1.3 溝道排洪工程

在攔洪壩有效攔蓄泥沙、洪水的基礎(chǔ)上，進一步修筑溢洪道，開挖排洪渠，并配套建設(shè)蓄水池、集雨窖，是確保溝道有效攔水、適度蓄水、安全排洪的關(guān)鍵工程。在主溝道和支毛溝布設(shè)適宜規(guī)格、材質(zhì)的排洪渠，以取代壩地自然沖溝，消除對壩地的沖蝕、切割。排洪渠布設(shè)應(yīng)符合下列規(guī)定：1）排洪渠安全超高宜大于 0.2 m，設(shè)計流速應(yīng)介于不沖不淤的流速之間。2）土壤偏砂時，排洪渠應(yīng)進行必要的襯砌。3）土質(zhì)排洪渠應(yīng)采用梯形或復(fù)式斷面修筑。4）土質(zhì)排洪渠邊坡系數(shù)應(yīng)根據(jù)開挖深度、溝槽土質(zhì)及地下水情況等，經(jīng)穩(wěn)定性測試后確定，一般宜為1∶1。5）排洪渠應(yīng)結(jié)合田間道路優(yōu)化布置，通常應(yīng)布置在低洼區(qū)域，避免填方。

排洪渠系平面布置應(yīng)綜合考慮壩地平整、溝坡整治、沖溝填土、支毛溝退水等因素。一般布設(shè)在集水面積相對較大的溝道側(cè)面，宜沿溢洪道一側(cè)布設(shè)。排洪渠的下坡段和有明顯彎道、頂沖的地方，應(yīng)采用漿砌石修筑，以減少水流沖刷。在壩地尾部鹽堿地分布區(qū)開挖排堿溝，適度降低地下水位，排除壩地尾端積水。對不能降低排洪渠高程的壩地，可采取墊土壓堿的方法，即在壩地尾部采用臺階式墊土，其墊土厚度應(yīng)視排洪渠比降的大小而定。一般情況下，以壩地高出地下水位2.2 m以上為宜。排洪渠底應(yīng)盡量開挖到古土壤層或黏土層（Q1/Q2），并采用古土壤層黃土或黏土層黃土（Q1/Q2）墊基壓實，以增強耐沖刷、抗凍融能力。在溝道基流不暢、土方較厚地段，首先要清表墊基，在分層填方造地時科學(xué)布設(shè)“滲井”，既可排出溝底集水，防止填方區(qū)底部過度集水而引發(fā)新造田塌陷，也可合理利用和保護寶貴的溝道水資源。

排洪渠系建筑物要保證渠系排泄暢通、運行安全，方便群眾生產(chǎn)與生活。在局部地段進行襯砌時，如果襯砌段較長，可鋪設(shè)帶孔塑料管，以促進壩地的地下水下滲，適當降低田面地下水位，防止局部鹽堿化。在局部水流速度較大地段，可因地制宜地布設(shè)滯洪區(qū)或是大型蓄水池，以減緩水流速度，確保溝道排洪安全。排洪渠為單側(cè)布置時，在溝道壩地的另一側(cè)，宜與坡面的截水溝、排水溝相配套，布設(shè)垂直于溝道的明溝，通過明溝將異側(cè)坡面來水順利導(dǎo)入排洪渠。為了節(jié)約壩地、方便生產(chǎn)，明溝宜布設(shè)在田坎下方，且與田坎平行布局，穿過生產(chǎn)路時應(yīng)鋪設(shè)涵管。壩地兩側(cè)的支毛溝退水宜與壩地田塊劃分、生產(chǎn)路布設(shè)等統(tǒng)籌規(guī)劃，便于匯入排洪干渠，形成壩地排洪渠系，實現(xiàn)行洪通暢，防洪安全。

2.1.4 溝頭治理工程

對于溝道匯水面積較大的溝頭，要選擇適宜的地段建設(shè)攔洪壩，以有效攔截溝頭匯水和泥沙，并輔以溢洪道和放水建筑物，實現(xiàn)“攔、蓄、排、灌”的有機結(jié)合、配套運行。為切實增強溝道穩(wěn)定性、確保生產(chǎn)安全性，本項重大工程攔洪壩設(shè)計的洪水防御標準，高于現(xiàn)行行業(yè)標準。小型、中型攔洪壩的設(shè)計防御標準分別為20年一遇和30年一遇，對于匯水面積相對較小、不適宜建設(shè)攔洪壩，但又確有必要進行工程防護的溝頭區(qū)域，則適當采取修筑谷坊、溝頭防護等工程措施，有效攔擋泥沙，減輕洪水對溝道的直接沖刷和破壞。

2.1.5 坡面防護工程

確保坡面穩(wěn)定與生態(tài)保育，是溝道土地整治的重要目標。為增強坡面穩(wěn)定性，宜采取的工程措施：1）開挖截水溝。在匯水面積大于1 hm2的坡地上沿峁緣線、等高線開挖用于攔截坡面雨水徑流的溝槽，經(jīng)排水溝后將雨水徑流引到蓄水池或坡腳的排洪渠，避免坡面徑流下滲影響坡面穩(wěn)定性甚至產(chǎn)生坡面崩塌。2）布設(shè)排水溝。在坡面適當位置設(shè)計排水溝，將截水溝截流的雨水徑流導(dǎo)入下游渠道，防止山洪沖毀梯田等坡面水土保持工程。排水溝一般布設(shè)在坡面截水溝的兩端或較低一端，其終端連接壩地內(nèi)的排水明溝；梯田兩端的排水溝，應(yīng)與水窖、蓄水池、沉沙池靠近，并和田間道路平行布置。在梯田區(qū)應(yīng)分段設(shè)置跌水，排水溝，以每臺梯田田面為水平段，以每臺田坎高為跌水，跌水處采用漿砌石襯砌防沖。工程設(shè)計時考慮排水溝的不沖不淤流速，盡量減少溝道沖淤。

增強坡面穩(wěn)定性的植物措施：1）溝頭梁峁植物防護。在退耕還林效果欠佳，容易產(chǎn)生水土流失的溝頭、梁峁區(qū)域補植喬木、灌木，營造以減少水土流失為主要目的的人工林草系統(tǒng)，以進一步恢復(fù)區(qū)域植被，鞏固退耕還林成果，確保溝道生態(tài)安全。2）開挖坡面植物防護。為保護開挖面，選用生長快、耐旱、耐瘠薄、根系發(fā)達、固土作用大的草種進行植草護坡。在臺面采取單排喬灌混交，并穴播種草，盡快恢復(fù)坡面水保功能。3）壩坡埂坎植物防護。在淤地壩、田坎背坡面，以及溝臺地的埂坎坡面營造植物防護體系。在於地壩、田坎的堤壩坡坡面，采用穴播種草、密植小灌木護坡。4）田間道路植物防護。沿田間道路營造以防止水土流失、保護岸坡安全、提供休憩庇蔭場所為主要目的的人工林。

2.1.6 農(nóng)田灌溉工程

目前陜北地區(qū)溝道農(nóng)業(yè)仍為傳統(tǒng)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，從事糧食作物生產(chǎn)的大多數(shù)農(nóng)戶對灌溉設(shè)施尤其是輸水工程的需求不高，農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”較為普遍。事實上，遵照因地制宜、持續(xù)高效原則，適當布設(shè)各型蓄水池、集雨窖，既可在一定程度上攔滯地表徑流、分擔滯洪及泄洪壓力，還可充分利用黃土層壤流與溝道來水，發(fā)展自流節(jié)水灌溉，并起到滯洪蓄水、增加灌溉的雙重作用。同時，考慮到未來發(fā)展溝道現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的需要，切實發(fā)揮治溝造地的綜合效益，還應(yīng)鼓勵后續(xù)建設(shè)過程中科學(xué)布設(shè)一些機井，采取噴灌、微灌或滴灌的方式進行農(nóng)田精準灌溉。

2.2 工程技術(shù)體系

土地綜合整治作為適時補充耕地、盤活存量土地、優(yōu)化城鄉(xiāng)用地、強化集約用地、提升土地產(chǎn)能的重要手段，是新時期統(tǒng)籌城鄉(xiāng)、惠及三農(nóng)、強村富民的重大“民生工程”[16]。傳統(tǒng)的土地整治工程包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程、農(nóng)田林網(wǎng)與生態(tài)防護工程，各項工程都有著規(guī)范化、程式性的建設(shè)內(nèi)容。在陜西省延安市治溝造地土地整治重大工程可行性研究中，筆者研究團隊開發(fā)了基于遙感影像與DEM圖進行溝道信息提取、土地精確調(diào)查與制圖技術(shù)方法，完成了延安市1.1萬余條溝道土地資源調(diào)查與適宜性評價，優(yōu)選出適宜整治的溝道2 026條，確定延安溝道土地整治潛力為23.87萬hm2，近期最適宜整治的面積為9.80萬hm2。研究提出“治溝保生態(tài), 造地惠民生”的工程建設(shè)理念，以及黃土丘陵溝壑區(qū)“三帶六段”農(nóng)業(yè)工程模式[25]，探明了溝道土地、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利等多種工程技術(shù)組裝的耦合原理，創(chuàng)建了“區(qū)域-流域-溝域”多尺度關(guān)聯(lián)、“水-土-氣-生”多要素耦合的溝道土地整治工程理論。

在工程規(guī)劃與設(shè)計環(huán)節(jié)，研究提出了溝道土地整治分區(qū)、分類標準及技術(shù)要點，劃分出修復(fù)整治型、配套完善型、開發(fā)補充型、綜合治理型等4種工程建設(shè)類型，創(chuàng)新了黃土高原治溝造地土地整治新模式。針對退耕還林后打壩淤地面臨泥沙減少、周期過長的問題，系統(tǒng)研究了在溝道陡峭邊坡或側(cè)溝易塌黃土區(qū)取土、機械覆土、閘溝造地的可行性；創(chuàng)建了“干-支-毛”分層防控、“渠-堤-壩”系統(tǒng)配套、“喬-灌-草”科學(xué)搭配的增強型溝道整治工程技術(shù)體系，探索解決了溝道地區(qū)多種工程組裝與系統(tǒng)集成的技術(shù)難題，探明了治溝造地與水土保持、林業(yè)建設(shè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展的新途徑，取得顯著的實踐應(yīng)用成效（圖2）。

圖2 延安溝道土地整治工程建設(shè)前后Fig.2 Before and after gully land consolidation in Yan’an

在工程規(guī)劃與設(shè)計方面，將黃土力學(xué)、地層結(jié)構(gòu)原理應(yīng)用于溝道土地整治工程，提出將當?shù)胤菨裣菪渣S土層（Q1/Q2）作為修路、筑堤、護坡材料等，利用就地取材、因地制宜、節(jié)約高效。同時，治溝造地是治溝、造地和生態(tài)防護的有機結(jié)合，探尋黃土邊坡防護穩(wěn)定、整治造地規(guī)模適度、自然災(zāi)害風(fēng)險最小的科學(xué)途徑，成為黃土高原治溝造地工程規(guī)劃設(shè)計的技術(shù)難題。為此，在模型實驗和工程試驗的基礎(chǔ)上，探討提出了高邊坡開挖的適宜坡比為 1∶0.50～1∶0.75，以及堤壩壓實干密度為1.55～1.68 t/m3。普通的格壩、田埂、堤坊的密實度可低一些，但控制性大壩、取水工程堤壩的壓實干密度標準要求更高。

2.3 工程設(shè)計特色

陜西延安治溝造地土地整治重大工程的設(shè)計方案與傳統(tǒng)方案的區(qū)別：1）農(nóng)田林網(wǎng)建設(shè)，現(xiàn)有項目建設(shè)的植物防護不夠系統(tǒng)，本項目強調(diào)對溝道進行全方位的植物防護，包括布設(shè)溝頭梁峁植物防護、開挖坡面植物防護、壩坡埂坎植物防護、道路溝渠植物防護等措施，以更好地鞏固退耕還林成果、確保溝道生態(tài)安全。2）溝道治理工程，現(xiàn)有項目通常未考慮谷坊修筑和溝頭防護，本項目強調(diào)合理布設(shè)谷坊和溝頭防護工程，以有效防控水土流失、防止溝頭下切。3）坡面防護工程，現(xiàn)有項目較少考慮坡面綜合防護，本項目強調(diào)合理布設(shè)截水溝和排水溝，配以生物防護措施，以有效攔截雨水、減少坡面徑流、確保溝道安全[30]。通過上述增強型設(shè)計方案，更有助于實現(xiàn)“景觀更加協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固、功能更為高效、利用更加持續(xù)”的目標。

本重大工程可行性研究設(shè)計方案具有以下特色：1）針對當?shù)攸S土的層理結(jié)構(gòu)、物質(zhì)特性特別是力學(xué)特征，科學(xué)利用黃土特性開展工程選址、坡面防護和就地取材的規(guī)劃設(shè)計。2）充分考慮了黃土高原丘陵溝壑區(qū)降雨和治災(zāi)的區(qū)域特點，注重攔洪、蓄水、排洪、灌溉“四位一體”水利設(shè)施配套建設(shè)，保證旱能灌、澇能排，合理利用水資源。3）系統(tǒng)構(gòu)建了溝道整域綜合防護體系。做到“干支毛分層防控、渠堤壩系統(tǒng)配套、喬灌草科學(xué)搭配”；4）凸顯了治溝造地高標準、增強型的特色。為保障治溝造地土地整治重大工程建設(shè)的科學(xué)投資與安全運行的需求，研究提出了兼顧防洪標準、要素配置、用料材質(zhì)的增強型設(shè)計方案（表3）。

表3 延安市增強型治溝造地工程措施體系Table 3 Enhanced treatment system for gully land consolidation in Yan’an

3 結(jié)論與討論

黃土丘陵溝壑區(qū)適時推進治溝造地土地整治工程，既是鞏固退耕還林成果的延續(xù)工程，也是促進農(nóng)村轉(zhuǎn)型與農(nóng)民增收的基礎(chǔ)工程。本文基于復(fù)雜流域系統(tǒng)基本特性、溝道土地整治空間認知，研究提出了延安溝道土地整治“景觀協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、利用持續(xù)、功能高效”理念，以及田、壩、渠、路、林建設(shè)相結(jié)合的準則，梳理總結(jié)了增強型工程設(shè)計方案和技術(shù)體系?？茖W(xué)推進治溝造地土地整治重大工程，可為鞏固退耕還林成果、夯實農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)、促進人地關(guān)系和諧、推動流域生態(tài)文明建設(shè)做出重要貢獻。

在黃土高原城鄉(xiāng)關(guān)系、人地關(guān)系出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)型背景下，延安治溝造地土地整治重大工程作為退耕還林工程的延續(xù)工程，要著眼于推進生態(tài)文明建設(shè)和統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展戰(zhàn)略，有序?qū)嵤?+4”系統(tǒng)工程，即以退耕還林、治溝造地兩大工程為延安轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要平臺，科學(xué)推進土地經(jīng)營規(guī)?；⒔M織專業(yè)化、生產(chǎn)機械化、產(chǎn)業(yè)高效化。同時，穩(wěn)步推進與之相配套的 4大工程，即新型農(nóng)村社區(qū)化與民居安置工程、城鄉(xiāng)服務(wù)均等化與設(shè)施配套工程、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化與基地建設(shè)工程、農(nóng)村土地資產(chǎn)化與制度創(chuàng)新工程。充分發(fā)揮延安治溝造地土地整治重大工程的綜合效益。

筆者研究團隊從項目建議、可行性研究、規(guī)劃方案研制、典型工程設(shè)計、項目投資預(yù)算、實施方案編制，到國家專家評審、實地考察、項目批準建設(shè)，實現(xiàn)了對國家重大工程項目規(guī)劃與建設(shè)全過程科技服務(wù)和技術(shù)支撐。在實踐中探索推進了國土整治領(lǐng)域土地資源、土地工程、土地管理的“理、工、管”多學(xué)科交叉研究及應(yīng)用。后續(xù)，仍需加強溝道綜合整治過程中流域生態(tài)安全效應(yīng)多維測度指標體系、坡體抗剪切強度提升的草灌配置模式、邊坡-溝道系統(tǒng)穩(wěn)定性增強的動力機制、溝道壩系安全運行及壩地持續(xù)利用等方面的綜合研究，進一步強化土地資源、鄉(xiāng)村地理、農(nóng)田水利與土地工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的深度融合、相關(guān)力量的協(xié)同整合，深入開展農(nóng)田整治工程、農(nóng)業(yè)地理工程綜合試驗和技術(shù)推廣，為新時期國土科技創(chuàng)新、國土空間優(yōu)化、國家精準扶貧和生態(tài)文明建設(shè)提供決策參考。

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Engineering philosophy and design scheme of gully land consolidation in Loess Plateau

Liu Yansui, Li Yurui
(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing100101, China;2.Center for Assessment and Research on Targeted Poverty Alleviation, Chinese Academy of Sciences, Beijing100101,China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049,China)

Loess Plateau used to be the area with the most serious erosion in China even world. Erosion area in Loess Plateau was up to 454 000 km2, accounting for 70% of the total area in the 1990s. Extremely intensive erosion area with erosion modulus more than 8 000 t/(km2·a) was up to 85 000 km2, accounting for 64% of the similar areas in China. Severe erosion area with erosion modulus more than 15 000 t/(km2·a) was up to 37 000 km2, accounting for 89% of the similar areas in China.Since 1998, Grain-for-Green Project has been implemented in the Loess Plateau. With the advancement of Grain-for-Green Project, forested land and grassland increase, and farmland decreases. Besides, as the population grows, Grain-for-Green Project has negative effects on grain production in some regions, and the population-grain conflict is intensified. In Yan’an,Shaanxi Province, farmland decreased by 74 000 hm2, grain production decreased by 156 000 t, and per capita grain production decreased by 132 kg with an increase of the residential population of 260 000 compared with those prior to the implementation of the project. With the further intensification of the conflict between population and grain, the demand for new agricultural production space is increasing. After decades of implementing Grain-for-Green, the vegetation cover rate increases and the erosion decreases greatly, which creates preconditions for gully land consolidation. Local initiatives of gully land consolidation since 2012 have achieved initial success. Gully land consolidation creates new space for agricultural and rural development. But how to design and plan the gully land consolidation engineering at a large scale and thus make it be approved by the central government needs systematic thinking and research. Taking Yan’an City, Shaanxi Province as a case study, this paper introduces the basic concepts of the gully land consolidation and its enhanced design in the Loess Plateau.Taking “farmland increasement, ecological protection, people’s livelihood guarantee” as the theme, and “l(fā)andscape coordination, structure stability, sustainable land use, effective function” as the concepts, the project highlights the land use zoning, which can be described in detail as “returning farmland to forest on the mountain, consolidating gully to farmland in the valley”, and put the emphasis on protecting ecological environment and benefiting local residents’ livelihood. In the step of planning and design, the zoning, classification standards and key techniques of gully land consolidation are identified, and 4 project construction types are proposed, which are restoration-type consolidation, facilities-type consolidation, exploitationtype consolidation, and comprehensive management-type consolidation. Furthermore, the enhanced consolidation technology system is also created, which involves “mainstream-tributary-capillary flow” tiered prevention and control technology,“canal-embankment-dam” matching system, and “tree-shrub-grass” scientific collocation. Since the implementation of the major project of more than 2 years, it has generated economic, social and ecological benefits to some extent. To further exert the project’s comprehensive benefits, the next 4 major projects need be adopted, namely new rural communities and residential resettlement project, urban and rural equalization of services and service facilities engineering, modern agriculture industrialization base construction, and rural land capitalization and land system innovation.

land use; consolidation; agricultural engineering; agricultural geography engineering; gully land; loess plateau;Yan’an city

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.001

F301

A

1002-6819(2017)-10-0001-09

2016-09-29

2017-04-10

國家重點研發(fā)計劃（2017YFSF030051）；國家自然科學(xué)基金項目（41471143，41571166）

劉彥隨，男，漢族，陜西綏德人，研究員，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授，主要從事農(nóng)業(yè)土地工程和城鄉(xiāng)發(fā)展研究。北京 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101。Email：liuys@igsnrr.ac.cn