(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 山西太原030024)
九院沙河位于太原市萬柏林區(qū)和晉源區(qū),北支九院溝發(fā)源于狼坡村以上,南支發(fā)源于高家河溝,兩溝于桃杏村附近匯合后稱為九院沙河,于山西省農(nóng)展館南側(cè)的新晉祠路橋以東820 m 處匯入汾河,屬于汾河一級支流。九院沙河上游生態(tài)治理工程范圍為其上游山區(qū)分水嶺至西環(huán)高速,主河道與九院沙河快速路改造工程接壤,流域面積22.46 km2。
九院沙河位于太原市西山地區(qū),呈窄帶樹形形狀,地形趨勢西高東低,自山區(qū)向盆地階梯下降。山區(qū)與盆地間因構(gòu)造地形突變,兩者直接相接。山區(qū)為呂梁山系,是呂梁山脈東翼云中山的延續(xù),海拔在1 300~1 800 m。
流域內(nèi)地貌形態(tài)較為復(fù)雜,溝谷密布,溝壑密度10.42 條/km2,成因各不相同,大致分為三類:土層較薄,基巖裸露的剝蝕構(gòu)造地貌;地形破碎、呈梁峁狀的侵蝕堆積地貌;流水堆積地貌,山腳多為灰?guī)r,山崖常成陡壁。
該區(qū)屬溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季短暫涼爽,冬季寒冷干燥。平均風(fēng)速2.5 m/s,最大風(fēng)速25 m/s。年平均氣溫9.5℃,極端最低溫度-25.5℃,最高氣溫39.4℃,無霜期167 d,最大凍土深度77 cm,大于等于10℃的年積溫為2 662℃,年平均降水量450 mm,最大降水量749 mm,降水量的70%集中在7、8、9月份,且多以暴雨形式出現(xiàn)。
項目區(qū)土壤屬于褐土性土,成土母質(zhì)主要為黃土和洪積物。植被類型為暖溫帶落葉闊葉林帶,北暖溫帶落葉闊葉林亞地帶。近年來由于亂砍濫伐,植被遭到嚴重的破壞,水土流失逐步加劇,原生植被幾乎不存在,現(xiàn)存的植被也多為次生演替的結(jié)果,灌木林分布較廣泛,有較大面積連片分布的天然人工林。在土壤貧瘠的干旱陽坡有少量側(cè)柏、刺槐、臭椿分布。灌叢植被有荊條、檸條、螞蚱腿子、虎榛子、黃刺玫、紫穗槐等,草叢主要有白羊草、蒿類以及其它雜草等。
該區(qū)水土流失的形式主要以水蝕為主,重力侵蝕相伴,溯源侵蝕是溝道延伸的主要形式,平均土壤侵蝕模數(shù)3 600 t/(km2·a)。
該區(qū)水土流失面積14.83 km2,占流域總面積的66.03%。其中輕度侵蝕5.95 km2,占流失面積的40.10%;中度侵蝕4.81 km2,占流失面積的32.45%;強度侵蝕2.77 km2,占流失面積的18.64%;極強度侵蝕0.84 km2,占流失面積的5.63%;劇烈侵蝕0.47 km2,占流失面積的3.18%。
自然因素——項目區(qū)降雨季節(jié)分布不均,主要集中在7、8、9月份,決定了該地區(qū)暴雨頻率相對較高。流域地形及河道比降大,一遇降雨,地面下滲能力弱,極易形成地表徑流,進而發(fā)展成為集中股流,并且洪水匯流快。而地形破碎,溝道縱橫,植被稀疏,土壤本身結(jié)構(gòu)松散,抗沖抗蝕能力弱。以上幾方面原因,導(dǎo)致了九院沙河流域極易形成雨洪,造成水土流失,水、肥、土流失嚴重,河道泥沙含量高。沖刷嚴重時,洪水、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)。
人為因素——太原市城市進化過程中,各類工礦企業(yè)規(guī)模擴大,資源開發(fā),導(dǎo)致植被破壞,使上游的水源涵養(yǎng)能力降低,水土流失嚴重;其次,各種工業(yè)及生活固體廢棄物越來越多,它們無序堆放,擠占河道,加劇了上游兩側(cè)溝岸的沖刷和下游河道的淤積。
太原市九院沙河河道上游水土流失主要表現(xiàn)在:演化性、復(fù)雜性、突發(fā)性及治理的艱巨性。
1)演化性
九院沙河屬于邊山河道,其上游干支溝較其它地方更為陡峭,降雨洪水匯水快,徑流形成快且洪流集中,溝頭及兩側(cè)溝邊極易形成滑坡、坍塌及泥石流,使得溝道向兩側(cè)及溝頭擴展、演化,水土流失若得不到及時治理,水土流失將加劇。
2)復(fù)雜性
由于九院沙河處于城鄉(xiāng)交錯區(qū),導(dǎo)致水土流失既有鄉(xiāng)村的土壤侵蝕,又有市郊結(jié)合地段獨特的侵蝕方式,主要表現(xiàn)為自然和人為因素相結(jié)合。片蝕、濺蝕頻繁發(fā)生,工礦區(qū)地下徑流所引發(fā)的管狀侵蝕,重力水引發(fā)的潛移侵蝕,集中股流引發(fā)的巖土侵蝕;采礦過程和工程建設(shè)過程誘發(fā)的重力侵蝕、滑坡、泄溜,嚴重的還有泥石流等。不同的侵蝕方式帶來不同的流失情況,程度各異,情況復(fù)雜,給治理帶來很大困難。
3)突發(fā)性
九院沙河上游屬于土石山區(qū),溝道窄,坡陡,水土流失具有突發(fā)性。1996年8月4日,受臺風(fēng)登陸后減弱為低氣壓與副熱帶高壓和東北南下弱冷空氣的共同影響,虎峪河及鄰近的九院沙河上游以石千峰、廟前山為中心出現(xiàn)了特大暴雨,虎峪河及相鄰的九院沙河都發(fā)生了山洪,其中虎峪河洪水量最大,河龍灣洪峰流量391 m3/s。西山礦務(wù)局所屬官地礦、杜兒坪礦及溝內(nèi)一些小煤礦被淹,虎峪河上大小12 座橋因泥沙漂浮物淤堵被沖毀,兩岸漫溢成災(zāi),迎澤西大街被淹過水深度達0.5 m,下元至迎澤橋一帶一片汪洋。洪水過后,60 m 寬的迎澤西大街近2 km 長度淤積1 m 厚泥沙,造成直接經(jīng)濟損失2.86 億元。
4)治理的艱巨性
河道上游水土流失恢復(fù)難度大,費用高,任務(wù)艱巨。城市生態(tài)系統(tǒng)平衡本身的脆弱性,導(dǎo)致了一經(jīng)破壞,很難恢復(fù)的特性。如溝道邊坡的滑坡、崩塌等,單靠恢復(fù)植被是不行的,必須配套相應(yīng)的工程措施。九院沙河上游生態(tài)治理措施的要求和標準要高于一般水土流失區(qū)。
1)水土流失治理現(xiàn)狀
多年來項目區(qū)累計治理水土流失面積744.13 hm2,其中水平梯田108.58 hm2、喬木林219.99 hm2、灌木林415.56 hm2、封禁治理193.52 hm2,另有攔溝壩、提水灌溉等措施,治理度為50.2%,以上措施對水蝕和風(fēng)蝕的發(fā)生有緩解作用。
2)存在問題
(1)部分區(qū)域林草植被覆蓋率較低,水土流失嚴重。
(2)由于煤炭開采、固體廢棄物堆放造成大面積裸露,邊坡較陡,部分地段渣土堆積,表土松散,治理難度大。
(3)溝道攔擋工程較少,雨后河水泥沙含量大,影響下游行洪。
(4)治理任務(wù)艱巨,投入相對不足。
(5)水土保持治理技術(shù)與新時期要求還有一定距離。
九院沙河為汾河一級支流,位于晉祠泉域的重點保護區(qū),做好九院沙河上游的水土保持綜合治理工作不僅對于改善汾河水質(zhì)有重要作用,還對改善太原市城市環(huán)境有重要影響。
1)促進地下水位快速回升、力爭晉祠巖溶大泉復(fù)流
進入上世紀60年代中期以來,晉祠泉域泉水流量一直處于持續(xù)衰減狀態(tài),特別是近年來隨著自然、人類活動等各種因素對巖溶地下水的影響加劇,泉水流量衰減趨勢加重。晉祠泉1994年4月30日晉祠泉斷流水位802.58 m,斷流后巖溶水水位持續(xù)大幅度下降,2008年8月降至歷史最低水位774 m,在泉口以下27.66 m,水位平均下降速率達0.85 m/a。通過對溝谷布設(shè)谷坊等工程滯洪和涵蓄水源,增加地下水補給量,促進地下水位快速回升、晉祠巖溶大泉復(fù)流。
2)改善汾河水質(zhì)
近年來,通過山西省政府和相關(guān)主管部門的努力,汾河的生態(tài)環(huán)境有了較大的改善,特別是汾河太原段,水質(zhì)得到明顯改善,暗濁的河水現(xiàn)在已經(jīng)不復(fù)存在,周邊生態(tài)環(huán)境有了很大提高,但問題仍然存在。市區(qū)內(nèi)的一級支流水質(zhì)污濁,大雨過后,河水猛漲,大量泥沙從上游區(qū)域匯入,增大了河水的含沙量,大量的泥沙隨河水進入汾河,影響了汾河水質(zhì)和行洪安全。因此,九院沙河上游的生態(tài)綜合治理對改善汾河水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境有重要的作用。
3)改善城市整體面容
目前,九院沙河河水污濁,雨后河水含沙量大,嚴重影響了城市的整體風(fēng)貌和生態(tài)環(huán)境,并且與創(chuàng)建“文明園林城市”的號召嚴重不符。為了改善此狀況,省市有關(guān)部門已下決心從截污和治理上游生態(tài)環(huán)境兩方面下手,徹底根治流經(jīng)太原市區(qū)的“臭水河”,而河道上游的生態(tài)綜合治理對于治理上游環(huán)境方面起著關(guān)鍵的作用。
4)提高土地利用率,改善上游生態(tài)環(huán)境
九院沙河上游河道兩側(cè)存在很多裸露邊坡,且裸露邊坡為修建道路造成的松散體,上游范圍內(nèi)還存在一定的其他草地、裸地以及植被覆蓋率較低的灌木林地、其他林地等,在強風(fēng)大雨時極易產(chǎn)生水土流失,通過在生態(tài)治理工程周邊布設(shè)水窖等雨水蓄積工程,為農(nóng)民生產(chǎn)創(chuàng)造便利條件;通過對裸露邊坡實施水土保持工程措施和植物措施,可使松散土石固定,裸露地表披上綠裝,有效改善上游的生態(tài)環(huán)境。
項目區(qū)年平均降水量450 mm,降水量的70%集中在7、8、9月份。流域內(nèi)地貌大部分為砂頁巖土石山區(qū),流域內(nèi)有多處采石場,地表大面積裸露,已進行了多年的水保治理工作,主要采取了坡面綠化、經(jīng)濟林、機修梯田、攔溝壩、提水灌溉工程等措施治理。根據(jù)項目區(qū)的地形地貌、土壤和植被類型,因地制宜采用鄉(xiāng)土樹種對荒山荒坡營造喬木林、灌木林,并在林間撒播草籽,對裸露邊坡進行治理,并采取封禁措施,根據(jù)以往治理經(jīng)驗,上述措施可行。
九院沙河河道上游水土流失以輕中度侵蝕為主,上游各級支溝中溝道坡降位5%~10%的位置適宜布設(shè)谷坊,在該比降的位置布設(shè)谷坊可以抬高侵蝕基準,防止溝底下切,抬高溝床,穩(wěn)定山坡坡腳,防止溝岸擴張,減緩溝道縱坡,減小山洪流速,淤積泥沙,對下游溝道起到攔截泥沙緩洪作用,措施可行。
綜上所述,通過對九院沙河上游山區(qū)進行水土保持綜合治理后,新增高郁閉度森林植被,涵養(yǎng)水源,為下游河流供給源源不斷的河道基流;主河道利用河岸灘地滯洪和涵蓄水源,增加地下水補給量,促進地下水位快速回升、晉祠巖溶大泉復(fù)流;林草覆蓋率進一步提升,可有效防治水土流失,改善局部小氣候條件,野生動植物得以保護;同時減少了溫室氣體排放,可有效涵養(yǎng)水源,減少地表徑流和沖刷,減輕土壤侵蝕程度;提高土地生產(chǎn)力和持續(xù)增產(chǎn)能力,促進生態(tài)環(huán)境良性循環(huán),有利于改善汾河生態(tài)環(huán)境。此外,各支溝內(nèi)布設(shè)谷坊后,可影響流域產(chǎn)匯流過程與方式,起到調(diào)節(jié)河川徑流、消減洪峰量的作用,從而減少泥石流的發(fā)生,減輕洪澇災(zāi)害造成的損失。本工程從源頭上治理,涵養(yǎng)水源,保證生態(tài)基流,增促進地下水位快速回升、晉祠巖溶大泉復(fù)流,改善生態(tài)環(huán)境,工程可行。
1)對項目區(qū)實施水土保持綜合治理措施后,水土流失得到基本控制,該流域水土流失治理度將達到80%以上,緩洪攔沙,減少流入汾河的泥沙,減少下游洪水總量。
2)通過對上游開展生態(tài)保護與植被恢復(fù),使森林覆蓋率大幅提高。通過新增高郁閉度森林植被,涵養(yǎng)水源,為下游河流供給源源不斷的河道基流。
3)主河道利用河岸灘地滯洪和涵蓄水源,增加地下水補給量,增加水面面積,促進地下水位快速回升、力爭晉祠巖溶大泉復(fù)流。
4)提高土地利用率和改善邊山生態(tài)環(huán)境,改善城市整體風(fēng)貌及周邊農(nóng)村生活環(huán)境。
1)塬面:將坡度較緩的其他草地、裸地改造為喬木林和灌木林,在其周邊合適位置修建水窖、供水工程和施工道路,為滿足林草撫育管理要求,需要同時收集地表雨水,減少地表徑流。
2)溝坡:根據(jù)不同立地條件栽植水保林,對其他林地、灌木林地全部進行補植喬木,其他林地補植率為40%,灌木林補植率為30%;對其他草地與有條件恢復(fù)植被的裸地區(qū)域改造喬木林和灌木林,并根據(jù)周邊道路、村莊情況選擇景觀樹種;對疏幼林地、新造林地和具有自然恢復(fù)能力的荒山荒坡進行封禁治理;對人為造成的裸露巖石地表修建種植槽進行綠化。在道路合適位置布設(shè)水窖,并配套灌溉設(shè)施。
3)溝底:根據(jù)溝道地形修建谷坊工程滯洪和涵蓄水源,加大地下水補給量,促進地下水位快速回升,促進地下水位快速回升、力爭晉祠巖溶大泉復(fù)流;減少溝道侵蝕,起到攔擋泥沙、緩洪作用。對于溝道坡降在5%~10%之間或部分坡降小于5%的地質(zhì)條件較好的支溝布設(shè)谷坊,谷坊群個數(shù)不宜超過10 個,谷坊群布設(shè)時一側(cè)設(shè)置施工道路連接。
4)裸露場地:坡腳布設(shè)漿砌石擋墻,擋墻以上采用漿砌石骨架護坡。坡腳植爬山虎恢復(fù)植被。