吉水县沙上小流域水土保持综合治理措施及效益评价

黄冬贞

（吉水县水资源和釆砂管理中心,江西 吉水 331600）

1 工程概况

沙上小流域属于鄱阳湖水系五大河流之一的赣江吉水端东侧,地处江西省吉水县水田乡境内。流域周边有村道、乡道等现状道路经过,对外交通方便,境内水资源较丰富,饮水条件较好。本次实施流域主要存在问题：池塘淤积严重,生活污水处理滞后,村内道路两侧、房前屋后人为开发等因素造成的裸露地表水土流失较为严重。

通过野外实地踏勘发现,流域总面积3203 hm2,现有水土流失面积为1080 hm2。其中,轻度流失面积871.02 hm2,占水土流失总面积的66.28%；中度流失面积168.04 hm2,占总面积的5.25%；重度流失面积40.94 hm2,占水土流失总面积的1.28%。年均土壤侵蚀量为7.8 万t, 平均土壤侵蚀模数为1450 t/（km2·a）。

2 工程措施设计

2.1 小型蓄排工程

（1）排灌沟渠

依照《水土保持综合治理技术规范》（GB/T 16453.1-16453.6）小型蓄水排水引水工程规定,防御暴雨标准采用10年一遇24 h 最大降雨量。根据实地调查和区内地形条件分析,本次设计从典型地块坡面中、下分别选择汇水面积最大的一条沟渠进行设计流量计算,并根据项目区治理经验以及为防止坡降过大,沟渠采用砼现浇矩形断面,厚度15 cm。根据《江西省暴雨洪水查算手册》,查出项目区10 min 暴雨均值和变差系数,项目区水文特性见表1。

表1 项目区水文特性

设计最大流量计算公式如式（1）所示：

式中：Q 为设计最大流量,m3/s；Ir为设计频率10 min 最大降雨强度,mm/min；Ip为在特定时间段内,土壤平均入渗强度,mm/min；F 为坡面汇水面积,hm2。

根据明渠均匀流曼宁公式计算沟渠断面尺寸,如式（2）～（3）所示：

式中：n 为糙率,混凝土取0.013；i 为沟渠比降；R 为水力半径,m；A 为过水断面面积,m2；x 为湿周。

本次排灌沟渠采用矩形现浇,根据公式计算设计径流量,试算沟渠断面的过流量,若过流量大于设计径流量则断面合适（在不考虑最优断面的情况下）。取定不同的沟渠断面尺寸,根据式（1）～（3）进行试算,确定各沟渠的断面尺寸,试算结果见表2。

表2 沟渠过水断面水力计算表

通过过水断面水力计算,加上0.1 m 安全超高,设计的现浇排水沟断面尺寸满足过水要求（Q验=0.55 m3/s＞Q设=0.53 m3/s）。

（2）蓄水池

依照《水土保持小型水利水保工程设计手册》的规定,采用10 年一遇24 h 最大降雨量为防御暴雨标准。蓄水池容量计算按式（4）～（5）进行：

式中：V 为蓄水池容量,m3；VW为设计频率暴雨径流量,m3；VS为设计清淤年累计泥沙淤积量,m3；K 为安全系数,取1.2。

式中：MW为设计频率一次暴雨径流模数,m3/hm2；MS为1 年的侵蚀模数,m3/hm2；F 为蓄水池的集水面积,hm2。

当蓄水池连接到坡面排水沟末端,同时主要水源为沟中排水,其VW、VS值由排水沟的设计排水量和淤积量决定。由于蓄水池前面配备有沉沙池,使得流入的泥沙数量减少,故淤积量VS≈0,蓄水池的容量计算结果见表3。

表3 蓄水池容量计算结果

通过对蓄水池侧墙断面尺寸的稳定性分析,蓄水池侧墙的工作状态可分为两种情况：1）墙外填土,池内无水；2）墙外填土,池内满水。其中,情况1）为最不利情况,验算公式如式（6）～（7）所示。

式中：K 为安全系数,取1.2；G1为砖砌重量,t,砖容重为2.1 t/m3；G2为填土重量,土容重为1.7 t/m3；f 为摩擦系数,土基取0.30；E 为主动土压力,t。

式中：φ为土的内摩擦角,取28°；H 为墙高,m；γ为土容重,取1.7 t/m3。

经过计算,侧墙稳定安全系数K=1.38＞1.2,完全满足了稳定性的要求。

根据式（8）～式（10）对蓄水池地基的承载能力进行验算,确保地基具有足够的承载力,不发生不均匀沉降。

式中：Pk为基础底面处的平均压力值,kN/m2；Fk为上部结构传至基础顶面的竖向荷载,80.76 kN；Gk为基础自重和蓄水池内的水重,为792.32 kN；A 为基础底面面积,为16.0 m2；Fak为地基承载力特征值,取120.0 kPa；ηd为埋深修正系数,取1.0；γm为计算基础底面以上土的加权平均重度, 取17.25 kN/m2；d 为池体埋深,取2.4 m；fa为修正后的地基承载力特征值,经计算为150.24 kN/m3。

根据地基承载力验算结果,Pk=42.32＜fa=150.24 kN/m2,符合稳定要求。

（3）沉沙池

在10 年一遇24 h 最大降雨量的防御暴雨标准下,排水沟前沉沙池采用长×宽×深=1.0 m×0.8 m×0.8 m 的矩形断面。排水沟出口处沉沙池采用长×宽×深=2.0 m×1.0 m×1.5 m 的矩形断面,为了使水流过时沙子更容易沉淀,将池体的进水口和出水口错开布置。底板及侧墙采用C15 浇筑,厚度15 cm,沉沙池应根据池体内泥沙淤积情况进行清理。

2.2 田间道路

为了满足生产管理和交通需求,决定规划宽2 m 和3 m两种规格的田间道路,使得现有的村级道路得到充分利用。

（1）生产道路

根据现场勘测,生产道路宽度为3 m,现状为土路。本次设计主要将土路改造为碎石路,先对路基进行平整压实,然后铺筑10 cm 碎石,泥结碎石混合料配比水：沙：碎石：粘土（11∶10∶41∶11）。

（2）人行道路

为方便农民田间管理,新修2 m 宽人行道路,人行道路平行或垂直等高线与生产道路连接,路面撒播草籽防止水土流失。

2.3 农村环境整治

（1）池塘加固

由于池塘出现了比较严重的淤积情况,因此在整治过程中,需将池中水全部抽掉,并使用挖掘机和水流冲刷进行清淤。同时,在池塘的进出口处重新铺设DN500 涵管80 m,并在涵管进出口处安装分流器和拦污网,对排水沟出口铺设0.4 m×0.4 m 混凝土衬砌,以便其与原有沟渠和河流相连。涵管为预制混凝土管,排水沟为矩形混凝土结构。

在水体中栽种水族花卉,如千屈草、菖蒲、睡莲等,同时在水面斜坡上覆盖草皮,此外,在池塘四周建造铺设卵石或吸水砖的步道,步道宽0.8 m、厚5 cm,表面粗糙,总长0.15 km。

（2）沟渠整治

为了贯通排灌沟渠、村内池塘和雨水管网,设计C15 混凝土结构的连通沟渠。采用净高×净宽=40 cm×40 cm 的矩形断面,底部铺设10 cm 厚卵石垫层。

2.4 林草措施

（1）经济林改造

对水平阶整地不合格的部分区域进行重新整地,提升土地利用率；对开挖扰动的裸露边坡条播种草进行绿化,以减少雨水冲刷、稳定边坡、美化景观。

对种植条带进行平整,形成水平阶地,并在内侧开挖坎下沟,坎下沟顶宽0.5 m,底宽0.3 m,沟深0.5 m,梯形断面。沟内每隔4 m 左右留设一横土挡,土挡高度0.3 m,宽0.2 m。同时做成田面外高内低倾斜3°～5°的反坡梯田,田面外侧修建田埂,田埂高0.2 m,顶宽0.2 m,底宽0.4 m。

对部分地块长势较差或干枯死苗进行补植（油茶等）。现场调查,平均补植150 株/hm2,品种为优质高产油茶苗,种植穴宽0.4 m,穴深0.4 m,采用2 年生嫁接苗植苗造林。

配套实施雨水集蓄利用工程,因地制宜布设沟渠、沉沙池及生产道路,完善坡面水系,防止雨水冲刷,提高浇灌效率。

（2）村庄景观绿化

围绕居住区周边空地进行绿化,设计成有层次、有生态价值的人工植物群落,丰富村庄植物景观、增添自然美感,增加单位面积绿量,有效提高生态效益。

（3）封育措施

为了保护环境,划定封禁区域并在其周围设置界线。在明显的地方设置标志,并采取全年封育的方式。对于那些原本茂盛的植物,我们将采取季节性封育。在春、夏、秋季节进行封育,而在晚秋和冬季则不再进行。

3 效益评价

3.1 经济效益

按照《水土保持综合治理效益计算方法》（GB/T 15774-2008）,对各项水土保持治理措施的经济效益进行评估、测算,当各项水土保持措施全面发挥效益时,年直接经济效益见表4。

表4 年直接经济效益

3.2 生态效益

通过对各种水土保持措施进行评估、测算,在这些措施得到充分实施后,每年的保土和蓄水效益见表5。

表5 蓄水保土效益表

3.3 社会效益

通过采取各种治理措施,产生的社会效益如下所示：

（1）通过改善河流和塘坝的淤积情况,加强它们的调蓄洪水能力,从而提升流域的抗逆性和抗灾能力。

（2）通过采取措施来减少水土流失,确保耕地的安全,并且促进其长期的可持续发展,从而提高农作物的品质和收成。

（3）通过提高农业综合生产能力,可以有效推动本土特色产业的发展,完善农村的经济体系,提高农作物的生产力,提升农民的生活水平,从而推动社会的繁荣和稳定。

（4）随着生态环境的保护和可持续发展,人类的可居住空间和资源的可持续利用能够有效地减轻环境承载力,同时满足社会的需求。

4 结论

（1）各项治理措施全面发挥效益后,年直接经济效益可达170.57 万元。

（2）各项治理措施全面发挥效益后, 每年可蓄水181.10 万m3,保土4.66 万t,生态环境得到极大改善。

（3）各项水土保持综合治理措施得到了人民群众的广泛支持,使普通民众更加重视水土流失的防治,为农村的可持续发展产生了积极而深远的影响。