永和县小区域水土保持工程措施设计及效益分析

方 堃

（山西农业大学水土保持科学研究所,山西 太原 030013）

1 引言

永和县位于临汾市西北部吕梁山南侧,全县耕地土壤类型为黄土,地貌特征为丘陵沟壑。地表起伏变化较大,在丘陵地带,山坡坡度大,多处沟壑较深,降雨后水土流失十分严重,在一些地质不稳定地区,季节性洪水、滑坡等自然灾害十分严重。由于土壤瘠薄,降水集中,当地的农业基础十分脆弱,并且有限的耕地资源分布不均,肥沃农田数量较少。在适宜耕作的土壤中,土壤类型为灰褐土,耕性较好,适宜栽培的作物较多。在不适宜耕作的地区,分布着沙棘、黄刺玫、虎榛子、荆条等自然植被；在适宜耕作的地区,主要栽培农作物为玉米、谷子、马铃薯、花生等农作物。近些年,由于水土保护力度不够,水土流失十分严重,耕地肥力下降较快,导致当地的生态环境条件急剧恶化,原有的耕地资源生产能力也在降低,农作物产量在下降,原始植被逐年减少,严重影响了当地农民的收入和生存条件,需要尽快进行水土保持治理工作。

2 项目区社会经济条件

项目实施区域为永和县南庄乡和坡头乡的三个行政村,目前该区域居住人口数量为11653 人,其中专门从事农业生产活动的人数为10300 人,所在区域农村劳动力人数达到了3215 人,平均人口密度为38 人/km2,2019 年平均每人土地面积为2.63 hm2,但是人均耕地面积仅0.61 hm2,加上水土流失导致的土壤肥力降低,使得人均收入已经降低至2704 元/a,人均粮食产量仅仅309.9 kg,严重影响了农民生活水平的提高。从调研结果来看,这3 个行政村所有产业总产值为819.72 万元,其中农业产值占50.61%,达到了414.86 万元。在农业产业中,粮食产值为265.20 万元,占全部农业总产值的63.93%,说明粮食生产仍然是该地区主要经济产业。除粮食作物外,该地区经济作物产值达到了149.66 万元,占农业产业比例为36.07%。从调研结果来看,这三个行政村拥有土地面积达到8261.00 hm2,但是耕地面积仅为1393.42 hm2,所占比例仅为16.87%,而所有耕地中,中坡地耕地面积占所有耕地面积的83.95%,达到了1169.71 hm2,这也是该地区水土流失导致耕地肥力显著降低的根本原因。

3 水土流失现状

经过现场实地调研发现,在南庄乡,水土流失面积达到了90.92 km2,占本乡总土地面积102.71 km2的87.64%。在所有存在水土流失的土壤中,中度水土流失面积占总面积3.49%,为3.14 km2,而强度及以上水土流失面积占该乡总面积的90.10%,2019 年达到了81.92 km2。在坡头乡,存在水土流失的土地面积占总土地面积203.5 km2的87.85%,达到了178.77 km2,说明其水土流失问题十分严重。在存在水土流失的所有土壤中,中度水土流失土壤所占比例为3.30%,总面积为5.90 km2,但是高强度水土流失面积占总面积的比例为91.30%,达到了163.22 km2。从现场调研结果来看,该区域水土流失十分严重,并且流失面积相对较大,土壤受到自然环境的侵蚀也比较严重。由于连年的水土流失缺乏治理措施,近些年土壤质量显著降低,土壤生产力受到了显著影响,粮食生产和经济作物栽培均受到了较大影响,严重限制了人民生活水平的提高。连年的水土流失也加剧了当地自然灾害的发生频率,当地生态环境破坏十分严重。结合实地调研结果,尽快加强该地区耕地的水土保持工作十分必要,也是提高当地农民收入,改善当地生态环境条件的有效途径。

4 水土保持工程总体布置

为解决当地水土流失导致肥力降低和耕地生产力降低的问题,永和县制定并实施了水土保持综合工程,已彻底改善该地区生态环境遭到破坏的问题。本水土方案在质地之初,充分征求了当地农民群众的意见和建议,结合当地农民意愿和村屯分布、耕地分布情况,水土保持工程实施地区主要选择在25°以下的中坡地耕地范围内,对于一些退耕还林地区,经济林、疏林地、草原、梯田和大于25°的耕地目前不做治理,以防止由于人工扰动加重水土流失。在水土保持工程建设上,根据不同地块的分布,立地条件,沿着等高线布置排水渠、道路、保护设施等；在道路设计上,主要利用原有的梯田道路,能取直区域尽可能取直,主要交通道路从山脚至山顶修成“S”型曲线状。在水土保持工程措施选择上,主要采取修建水平梯田,生产道路的方式。

根据本区域内耕地分布以行政边界为小斑单元的特点,在新梯田建设上仍然延续这种做法。在坡度计算上,采取等高距和坡长的关系测算。根据小斑形状的特点,将3～5 个现有梯田断面的坡度平均值作为该区域的地面坡度。在与当地政府充分协商基础上,在1169.71 hm2中坡度耕地中,共需要新建水平梯田186 处,共计555.56 hm2。从不同地块坡度上,建设了48 处5°～10°坡耕地,总面积为110.97 hm2；新建38 处10°～15°坡耕地,面积为154.66 hm2；而5°～20°坡耕地数量最多,达到了58 处,面积为189.14 hm2；20°～25°坡耕地数量最少,仅为42 处100.79 hm2。

5 水土保持工程措施

5.1 水平梯田

根据水土保持工程总体设计方案,结合当地调研实际情况,设计并实施的水平梯田工程。从施工后梯田现状来看,总体各类梯田的宽度为5 m～14 m,依据梯田的坡度,建设了适应坡度力学要求的田坎,保证新建梯田的稳定性和持续利用性。在建设标准选择上,结合山西省降雨的历史极端记录值,新建梯田可以抵御10 年一遇的特大暴雨袭击,在遇到暴雨时,水土保持工程可以拦蓄径流80%以上,拦沙90%以上,有效降低水土流失量。

表1 水平梯田断面尺寸表

图1 水平梯田断面要素图

表2 水平梯田断面设计表

工程建设完成后,实际建设梯田情况如下：原地面坡度在5°～10°的地块,梯田净宽可以达到14 m,田坎坡度和高度分别为75°和1.91 m；原地面坡度10°～15°地块梯田净宽可以达到11 m,田坎坡度和高度分别为70°和2.65 m；原地面坡度为15°～20°的地块,新建梯田田面净宽度为6 m,田坎坡度和高度分别为70°和2.14 m；对于原地块坡度值达到20°～25°的地块,田面宽度仅仅可以建设到5 m,田坎坡度和高度分别为70°和2.44 m。新建梯田外缘全部建设为倒坡状,最外坡均高出田面20 cm。梯田所修田埂高度为30 cm,顶宽30 cm,田埂外侧坡与田坎坡度一致。

（2）降雨防御标准：从山西省历史降雨记录来看,10 年一遇的最大暴雨为6 小时降雨量达到73.25 mm。鉴于此,在梯田建设时,田面允许最大径流深度为74 mm,水平梯田边埂修建高度为30 cm,按照每小时最大降雨量计算,该设计完全可以拦蓄十年一遇的最大降水量,在遇到极端暴雨时不会出现垮塌的危险。

（3）修筑水平梯田的实际工程量。

梯田建设完成后,该工程实际工程量见表3。从工程量上来看,15°～20°坡地建设田坎工程量最大,这可能与该坡度耕地治理面积较大有关；而5°～10°坡地田坎占地最低,但是耕地治理面积和梯田净面积均超过20°～25°坡地,说明坡度较小地块修筑单位面积的梯田所耗费的工程量明显小于坡度较大地块。从单位面积土方量上来看,随着坡度的增加,土方量表现出增加的变化,这说明在坡度较大地区修建梯田工程量明显大于缓坡地地区。从土壤运移量上来看,较大的坡地需要运移土方量也较大,这会大大提高建设成本。

表3 水平梯田工程量表

5.2 生产道路

在梯田建设过程中,为了方便运输以及未来生产的需要,项目区新建主干道路16.57 km,新修建的支路主要分布在梯田中间,方便生产需要。

（1）主干道路建设

主干道路主要是起到交通功能,可以同行汽车和拖拉机,在农业生产中用于农资和农产品的运输。实际建设主干道路宽度为3 m,路面横向坡比值为1%～2%,纵向坡度为5°～11°,长坡距离一般为20 m,坡度较大地块将主干道路修建为“之”字型道路,道路最大纵坡度为15°；道路转弯处用圆曲线连接,并且在圆曲线处设置加宽通道,方便车辆同行和错车需要；另外,为方便车辆转弯需要,圆曲线半径一般控制在10 m～15 m。在道路施工中,为了防止降雨导致的水流冲刷路基,主干道路全部修建成为了外高里低的路面,每隔10 m 左右建设一个拦蓄路面流水装置,将路面积水全部引入梯田内。主干道路设计图见图2。

图2 干路布设立体示意图

（2）支路建设

在新建梯田上修建的支路主要为了同行需要,便于农民在不同的梯田田块之间同行,方便农作物种植作业。在坡度较小的地块,支路修建成为斜线型,陡坡地段修建为“S”型,对于用地比较紧张的地段,直接将支路和田埂相结合修建,以最大限度提高梯田面积。本次水土保持工程所有支路宽度均为2 m,详细布设图见图3。

图3 支路布设立体示意图

6 水土保持工程实际投资

该水土保持工程完工后,经过实地核查,最终修筑梯田面积达到了555.56 hm2,主干道路16.57 km,实际土方工程量为159.07 m3。施工过程中,共计消耗柴油数量为119.84 t,现场实际用工量为48.43 万工日,动用施工机械1413 台班。工程建设实际投资额为1250.00 万元,其中道路工程、梯田修筑费用共计1153.04 万元,独立费用96.96 万元。在资金构成上,中央投资总额度为1000 万元,地方配套资金额250 万元。

7 水土保持工程效益分析

7.1 经济效益

本水土保持工程建设除了降低水土流失功能之外,新修建的梯田还可以作为粮食生产和栽种经济作物的耕地,对于缓坡地梯田,有条件地区可以发展设施农业,提高单位面积耕地的经济效益。结合山西省的作物种类,发展具有当地特色的农业栽培模式,多渠道增加农民收入。从农民收入变化上来看,本工程使当地农民人均收入提高了1025 元。该工程预期发挥效益年限为20 年,预期各项经济效益累计增加值为27658.52 万元,内部收益率为19.59%,预计静态投资回收期为6.0 年,动态回收期为9.0 年,实际效益费用比为1.77。

7.2 生态效益

本项目的实施有效遏制了当地水土流失问题,每年雨季可以拦蓄泥沙量达到3.06 万t,减少雨水流失量7.45 万m3,降低了暴雨过后导致滑坡塌方的概率,有效提高了当地抵御自然灾害的能力,对于降低水土流失导致的下游河道污染具有显著作用。由于部分地块的退耕还草和退耕还林,使生态环境得到了较好改善,有利于当地农业环境的良性循环和可持续发展。

7.3 社会效益

该水土保持工程建设过程中,共计投入48.43 万工日劳动力参与工程施工,实际吸收农村剩余劳动力2010 个,有效解决了当地剩余劳动力问题。在新建设的502.39 hm2梯田内,按照每公顷粮食增产2109.00 kg 测算,该工程每年可以增产粮食0.11 万t,有效提高了当地农民收入,并且也为国家粮食安全做出了贡献。工程施工中新建设的16.57 km 道路可以较好的改善当地交通条件,有利于新农村建设的进行,改善了农村的生产生活环境条件。