連續(xù)式柳編跌水在侵蝕溝治理中的應(yīng)用
——以拜泉縣松林小流域?yàn)槔?/h1>
2019-01-12 06:58:12徐金忠高德武劉鳳飛
中國(guó)水土保持 2019年1期
徐金忠，劉 松，高德武，劉鳳飛
(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150070)
東北黑土區(qū)是世界上僅有的四大片黑土區(qū)之一，是我國(guó)最大的商品糧產(chǎn)區(qū)，其糧食生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性關(guān)系到國(guó)家的糧食安全戰(zhàn)略[1]。當(dāng)前，該區(qū)域正遭受著嚴(yán)重的水土流失，尤其是溝道侵蝕和黑土退化已成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。溝道侵蝕是土地退化主要的過程及最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式[2]，是長(zhǎng)期存在的一個(gè)最受關(guān)注的具有普遍性、緊迫性和復(fù)雜性的世界性環(huán)境問題[3]，其發(fā)生機(jī)理[4-5]、發(fā)育過程[6-8]、影響因子[9-10]等被廣泛關(guān)注，侵蝕溝防治措施也成為侵蝕溝相關(guān)研究的最終對(duì)象。處于發(fā)展階段的侵蝕溝多以溝頭前進(jìn)(溯源侵蝕)、溝岸擴(kuò)張和溝底下切三種表現(xiàn)形式作用于溝道，使侵蝕溝向長(zhǎng)、寬、深三個(gè)維度擴(kuò)展。溝頭防護(hù)工程是一種在侵蝕溝頭用于防止溝頭前進(jìn)的水土流失防治工程措施，主要被用來制止坡面暴雨徑流由溝頭進(jìn)入溝道或使之有控制地進(jìn)入溝道，從而制止溝頭前進(jìn)，保護(hù)地面不被溝壑切割破壞[11]。
連續(xù)式柳編跌水是排水式溝頭防護(hù)工程中跌水式溝頭防護(hù)工程的一種，是為防止溝頭前進(jìn)、溝底下切和溝岸擴(kuò)張，以柳條為主要材料，在侵蝕溝內(nèi)修建的斜坡式消能建筑物[12]，一般適用于黑龍江省黑土丘陵區(qū)域內(nèi)溝頭落差大于2 m的發(fā)展型侵蝕溝，目前已在黑龍江省拜泉-克山地區(qū)廣泛應(yīng)用并取得良好效益。其特點(diǎn)是：柳條成活率高，不易沖毀，可長(zhǎng)期運(yùn)行，造價(jià)低廉，施工工藝簡(jiǎn)單。利用連續(xù)式柳編跌水進(jìn)行溝頭防護(hù), 既能保障侵蝕溝溝頭的安全與穩(wěn)定, 又能為侵蝕溝的生態(tài)修復(fù)提供有利條件, 從而起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高水體自凈能力的作用。
1 連續(xù)式柳編跌水的適用條件
連續(xù)式柳編跌水適用于位于耕地之中，溝頭侵蝕嚴(yán)重，溝道比降小，溝道邊坡緩，溝道較淺，部分溝段溝深大于2 m，需要削坡，匯水面積小于100 hm2的處于發(fā)展階段的侵蝕溝[12]。
2 水力計(jì)算
連續(xù)式柳編跌水工程的防御標(biāo)準(zhǔn)是10年一遇6 h最大暴雨[12]。一般通過對(duì)擬治理的典型侵蝕溝道進(jìn)行實(shí)地踏查，確定溝頭位置，實(shí)測(cè)出侵蝕溝長(zhǎng)度、均寬、均深，溝頭跌差、比降、匯水面積等參數(shù)，并結(jié)合工程需要，在保證工程正常運(yùn)行的前提下，選擇有利于侵蝕溝道生態(tài)修復(fù)的兼顧安全性的連續(xù)式柳編跌水作為典型溝道溝頭防護(hù)措施。為了保證工程質(zhì)量、節(jié)約工程投資，需要通過水力計(jì)算確定鋪設(shè)柳編跌水的溝槽寬度。下面以拜泉縣松林小流域典型侵蝕溝為例，對(duì)鋪設(shè)柳編跌水的溝槽寬度進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)實(shí)測(cè)，拜泉縣興國(guó)鄉(xiāng)松林村孟大騾子屯侵蝕溝道長(zhǎng)1.5 km，溝頂平均寬度20.4 m，溝道平均深度6.0 m，溝頭跌差3.2 m，平均比降3.1%，溝頭匯水面積98 hm2。為防止溝道發(fā)生溯源侵蝕，在溝頭修建連續(xù)式柳編跌水，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度200 m(侵蝕溝發(fā)展段長(zhǎng)度)，那么溝槽寬度計(jì)算步驟如下。
2.1 計(jì)算設(shè)計(jì)流量
設(shè)計(jì)流量根據(jù)公式Q=0.002 78KIF[11]計(jì)算，式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；K為徑流系數(shù)；I為降雨強(qiáng)度，mm/h；F為溝頭以上匯水面積，hm2。
(1)確定徑流系數(shù)。通過查詢黑龍江省水文圖集(1956—1992年平均年降雨量等值線圖、1956—1992年平均年徑流深等值線圖)，得到松林小流域多年平均降雨量為490 mm、多年平均徑流深50 mm ，計(jì)算得出徑流系數(shù)K=0.1。
(2)計(jì)算匯水面積。通過ArcGIS軟件，結(jié)合1∶1萬小流域地形圖，測(cè)得松林小流域匯水面積F=98 hm2。
(3)確定降雨強(qiáng)度。通過黑龍江省水文圖集分別查得多年平均最大6 h降雨量為48 mm、對(duì)應(yīng)的模比系數(shù)為1.77，多年平均最大24 h降雨量為61 mm、對(duì)應(yīng)的模比系數(shù)為1.83。經(jīng)計(jì)算求得I=58.51 mm/h。
(4)計(jì)算設(shè)計(jì)流量。將上述參數(shù)代入流量計(jì)算公式，計(jì)算得到Q=0.002 78KIF=1.59(m3/s)。
2.2 試算溝槽過流能力
由此可見，設(shè)計(jì)流量Q3 連續(xù)式柳編跌水施工工藝
3.1 施工條件
(1)施工應(yīng)在秋季進(jìn)行，并于土壤凍結(jié)前完工。
(2)柳條應(yīng)為2～3年生活立木枝條，宜在采集后3日內(nèi)鋪設(shè)。
(3)侵蝕溝周邊道路、水源供給應(yīng)滿足施工要求。
(4)施工布局應(yīng)少占地，盡量減少對(duì)原有植被的破壞。
3.2 溝道整形
(1)采用機(jī)械修整坡面時(shí)，表土應(yīng)集中堆放，為下道工序做準(zhǔn)備。
(2)削坡坡面應(yīng)平整，坡比應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
(3)填方夯實(shí)應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
(4)邊坡處理后，測(cè)量放線，開挖鋪柳溝槽。
(5)根據(jù)測(cè)定的鋪柳溝槽位置，按設(shè)計(jì)尺寸，確定輪廓線。
(6)采用機(jī)械開挖，挖方堆放于鋪柳溝槽兩側(cè)的邊坡并攤平。
3.3 柳編工程
(1)鋪設(shè)廄糞層。在鋪柳溝槽內(nèi)鋪10 cm厚廄糞或熟化土。從溝槽尾部向上逐級(jí)鋪設(shè)，柳條捆之間也可用廄糞或熟化土填實(shí)。
(2)定樁。沿垂直溝槽中心線方向距溝槽末端10 cm開始打樁，打樁入土50 cm，溝槽兩邊各預(yù)留50 cm，樁間距40～60 cm，均勻布設(shè)；行間距宜150 cm。
(3)鋪柳條枕、柳條。在溝槽末端沿垂直水流方向鋪柳條枕，柳條枕長(zhǎng)度與溝槽寬度相等，用鐵絲將柳條枕固定于木樁上,覆蓋土；在柳條枕上鋪設(shè)一層柳條，柳條根部順?biāo)鞣较颍o靠溝槽末端；在柳條上對(duì)應(yīng)木樁的位置再鋪柳條枕，用鐵絲將柳條枕固定于木樁上。依此類推，逐級(jí)鋪設(shè)到溝槽封頭處。
(4)封頭。在溝槽頂端10 cm處沿垂直水流中心線方向，開挖寬20 cm、深20 cm的凹槽，長(zhǎng)度與鋪柳溝槽寬度相等；凹槽內(nèi)放入直徑20 cm的柳條捆，木樁固定，樁距同上級(jí)；在柳條捆上面鋪一層10 cm厚的柳條，鋪柳根部緊靠溝槽頂端，在相應(yīng)位置再鋪直徑20 cm的柳條捆，鐵絲固定。最末兩級(jí)間柳條做切梢處理，長(zhǎng)度應(yīng)為最末兩級(jí)樁距加20 cm。
(5)鋪設(shè)柳條龍。封頭后，在溝槽內(nèi)兩側(cè)鋪設(shè)柳條龍，長(zhǎng)度同溝槽；打樁釘牢柳條龍，樁間距75 cm，用鐵絲把柳條龍固定在木樁上。之后全面覆蓋10～15 cm表土，并踏實(shí)。
(6)覆土。柳條龍鋪設(shè)后，用剝離的表土進(jìn)行覆土，人工整平踏實(shí)。
(7)澆水。覆土后澆一遍透水。
(8)用鐵絲固定鋪柳時(shí)，不宜過緊，以人工踩踏不發(fā)生位移為度。
(9)楊樹樁亦可代替木樁，釘樁時(shí)應(yīng)將楊樹根部端向下。
連續(xù)式柳編跌水縱剖面圖、俯視圖分別見圖1、圖2。
圖1 連續(xù)式柳編跌水(縱剖)
圖2 連續(xù)式柳編跌水(俯視)
4 效益分析
柳編跌水較漿砌石跌水施工工藝簡(jiǎn)單，不需要專業(yè)的施工機(jī)械設(shè)備，對(duì)施工人員的專業(yè)素質(zhì)要求較低，適合于村民自建。材料價(jià)格方面，柳條相比塊石、水泥、砂漿優(yōu)勢(shì)明顯。漿砌石跌水長(zhǎng)期受到徑流的沖刷，基礎(chǔ)很容易遭到破壞，對(duì)后期維護(hù)要求較高，而柳編跌水由于柳條成活率高，耐沖刷性好，后期管護(hù)較容易。柳編跌水非常適合在盛產(chǎn)柳條的黑土丘陵地區(qū)推廣應(yīng)用。
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(2)計(jì)算匯水面積。通過ArcGIS軟件，結(jié)合1∶1萬小流域地形圖，測(cè)得松林小流域匯水面積F=98 hm2。
(3)確定降雨強(qiáng)度。通過黑龍江省水文圖集分別查得多年平均最大6 h降雨量為48 mm、對(duì)應(yīng)的模比系數(shù)為1.77，多年平均最大24 h降雨量為61 mm、對(duì)應(yīng)的模比系數(shù)為1.83。經(jīng)計(jì)算求得I=58.51 mm/h。
(4)計(jì)算設(shè)計(jì)流量。將上述參數(shù)代入流量計(jì)算公式，計(jì)算得到Q=0.002 78KIF=1.59(m3/s)。
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