黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术.pdf
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1、第 33 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.10 2017 年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2017 1 黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术刘彦随,李裕瑞 ( 1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101; 2. 中国科学院精准扶贫评估研究中心,北京 100101; 3. 中国科学院大学,北京 100049) 摘 要: 黄土高原实施退耕还林还草工程之后,凭借沟道土地整治工程的推进,实现了坡面与沟道协同治理、生态保护与农业生产协调发展
2、的“双赢”目标。论文基于复杂流域系统的视角,探讨了黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术,提出了沟道土地整治应以增良田、保生态、惠民生为主题,以景观协调、结构稳固、利用持续、功能高效为理念,强调山上退耕还林、山下治沟造地,治沟保生态、造地惠民生。制定了沟道土地整治分区、分类标准及技术要点,划定了修复整治型、配套完善型、开发补充型、综合治理型等 4 种工程建设类型,创建了“干 -支 -毛”分层防控、 “渠 -堤 -坝”系统配套、 “乔 -灌 -草”科学搭配的增强型沟道整治工程技术体系。这些原理与技术近 3 年来应用于延安治沟造地土地整治重大工程实践,取得了明显成效。为进一步发挥土地整治工程
3、的综合效益,论文梳理提出了加快推进新型农村社区化与民居安置、城乡服务均等化与设施配套、现代农业产业化与基地建设、农村土地资产化与制度创新等 4 大配套工程建设及对策建议。 关键词: 土地利用;整治;农业工程;农业地理工程;沟道土地;黄土高原;延安市 doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.001 中图分类号:F301 文献标志码: A 文章编号: 1002-6819(2017)-10-0001-09 刘彦随,李裕瑞 . 黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术 J. 农业工程学报,2017,33(10):19. doi: 10.11975/j.issn
4、.1002-6819.2017.10.001 http:/www.tcsae.org Liu Yansui, Li Yurui. Engineering philosophy and design scheme of gully land consolidation in Loess PlateauJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 1 9. (in Chinese with English abstract) d
5、oi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.001 http:/www.tcsae.org 0 引 言黄土高原地区沟壑纵横、地形复杂,加之暴雨集中、强度大,黄土物质极易受到暴雨、径流的侵蚀。长期以来由于滥垦、滥伐、滥牧等不合理的土地利用方式,黄土高原地表植被遭到严重破坏,水土流失加剧,加之居民生活贫困,因而成为中国人地矛盾最为突出的地区之一,在黄土丘陵沟壑区尤为明显1-3。据史料记载,早在400 多年前当地就发明了打淤地坝的水土保持措施, 既能拦截泥沙、保持水土,又能淤地造田。直至 20 世纪 50年代至 60 年代中期,黄土丘陵沟壑区水土保持仍以沟底打坝工程手
6、段为主,但由于技术水平与经济能力有限,泄洪设计标准偏低,工程建设投入较少,多数大坝相继垮塌。 60 年代中期至 70 年代末期,加强了梯田、坝地、小片水地等以小规模工程为主的基本农田建设,取得一定成效,但存在“重工程、轻林草,重新修、轻管护,重主体、轻配套,重治水、轻改土,重治沟、轻治坡”等问题4。 70 年代末期至 90 年代末期,逐步形成了以小流域为单元的综合治理模式,提出工程措施、耕作措施收稿日期: 2016-09-29 修订日期: 2017-04-10 基金项目:国家重点研发计划( 2017YFSF030051) ;国家自然科学基金项目( 41471143, 41571166) 作者简
7、介:刘彦随,男,汉族,陕西绥德人,研究员,博士生导师,长江学者特聘教授,主要从事农业土地工程和城乡发展研究。北京 中国科学院地理科学与资源研究所, 100101。 Email: 与生物措施相结合,注重流域内水土流失治理与经济开发的结合,局部地区取得显著成效,但仍难以整体解决黄土高原面临的生态问题5。 黄土高原自 1999 年开始实施“退耕还林(草) ,绿化荒山,个体承包,以粮代赈”的生态退耕战略,形成以生物治理为主的水土保持政策。伴随着当地农村劳动力外出就业,该项工程取得了显著成效,集中体现在植被覆盖率大幅增加6-7,入黄泥沙大量减少8-9,生态状况得到显著改观10。从治理效果看,该工程是黄
8、土高原地区实施规模最大、最受好评的一项生态工程11。然而,坡地退耕还林还草后,耕地面积大幅减少,仅 2000-2008年耕地面积减少了 10.8%10,在工程核心区减少的更多。黄土高原退耕还林还草已对区域粮食生产产生了明显的负面影响,局部出现人 -粮关系紧张8,影响到农户生计和粮食安全。还有许多城镇位于河谷低地,发展空间受限。因此,如何平衡退耕还林还草、粮食生产和城镇化快速发展的时空关系成为当前亟待解决的现实问题11。 鉴于黄土高原梁峁坡面多已退耕和植树造林,沟道成为治沟造地的重要切入点12-14。当地一亩沟道坝地的产量相当于五亩梁峁坡地的产量,故有“宁种一亩沟,不种十亩坡”的说法。长期以来,
9、由于深沟洪水侵蚀、基础设施建设滞后,沟道土地利用的难度大、效率低。而随着水土流失状况显著改善,泥沙流失量明显减少,传统的淤地坝建设模式也已不再适宜。为满足粮食生产综合研究 关键技术 万方数据农业工程学报( http:/www.tcsae.org) 2017 年 2和城镇发展的用地需求,进一步巩固退耕还林成果,延安等地部分区县近年来率先开展了以闸沟造地为特点的沟道土地综合整治工程实践,简称“治沟造地”15。对于保障沟道安全、提高沟道基础设施水平、提升沟道农业生产能力起到了积极作用, 具有示范和推广价值8,16-18。笔者团队主持完成了中央支持陕西省延安市治沟造地土地整治重大工程项目,国土资源部、
10、财政部联合发文( 2013914 号) 正式批准实施。 项目建设总规模 3.37 万 hm2,总投资 48.32 亿元,建设期为 2013-2017 年。在生产实践中,延安“三造” (植树造林、治沟造地、平山造城)践行了“三生” (生态、生产、生活)协调发展的新模式。本文拟阐释延安治沟造地工程原理及其创新理念,分析针对延安治沟造地特点而研究提出的增强型工程设计技术方案,并对流域生态安全、治沟造地后续工程、土地整治学科发展进行深入探讨,为新时期科学推进黄土丘陵沟壑区的国土整治与农业发展提供模式参考和技术支撑。 1 黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与创新理念 1.1 学界认知 黄土高原国土整治事
11、关区域国土空间重构、土地利用配置和城乡发展转型,影响到华北生态屏障建设、黄河下游泥沙治理大局,深化黄土高原国土整治的科学认知,具有重要的现实意义和价值19。国内外诸多学者在该领域开展了大量研究,提出了许多重要的学术观点和建议。朱显谟提出了黄土高原国土整治“ 28 字方略”20,之后相关专家进一步提出了黄土高原综合治理的理念与模式(表 1) 。本文基于土地整治、水土保持、生态建设、农田水利建设等相关国家标准、行业规范,梳理提炼了相关理论与技术,并应用于延安治沟造地土地整治重大工程设计。总体来看,黄土丘陵沟壑区沟道治理的关键是洪灾和坡体的综合治理,为了确保治沟造地工程安全性与稳定性,必须强化沟坡同
12、治、因地制宜、因害设防、科学管理。 表 1 黄土高原国土整治代表性观点 Table 1 Main opinions about land consolidation in Loess Plateau 典型文献 Typical references 主要观点 Main points 朱显谟( 1998)20黄土高原国土整治“ 28 字方略”:“全部降水就地入渗拦蓄;米粮下川上源;林果下沟上岔;草灌上坡下坬”。水平梯田是降水全部就地入渗拦蓄的典范;隔坡梯田中实现坡段径流拦蓄于水平田面之内;将道路、场院、屋面的径流蓄存在水窑;鱼鳞坑、隔坡水平阶、水平沟等整地造林种草措施,可强化降水就地入渗拦蓄。 山
13、仑( 1999)21黄土高原水土保持综合治理的核心是拦沙、治水。通过水土保持强化雨水就地入渗。应在拦沙蓄水的基础上,把宝贵的水资源利用好,使黄土高原的生产得以持续发展。 李玉山( 1999)22黄土高原治理开发的 3 条基本经验: 1)增粮起步,治理开发并举; 2)调整土地利用结构,综合发展农林牧业,建立产业经济; 3)小流域为单元,坡沟兼治,治坡为主,生物与水土工程措施相结合,大力修建基本农田。 傅伯杰( 1989)23陕北黄土高原土地合理利用的方向和措施: 1)按照土地的适宜性,调整农林牧用地结构,分区建立优化土地利用结构模式; 2)造林种草,增加植被,改善生态环境; 3)建设基本农田,培
14、肥地力,实现粮食自给; 4)小流域综合治理,控制水土流失; 5)加强土地管理。 蒋定生等( 2000)24坝地具有拦蓄泥沙、增地增粮、抗旱保收的作用。黄土高原重点可推广的打坝淤地模式: 1)治理支毛沟的胡家沟劈山填沟模式; 2)治理较大支沟、干沟的对岔沟模式。 刘彦随等( 2006)25陕北黄土丘陵沟壑区“三带六段”模式,即峁、坡、沟(川)三带及带内六个差异区段: 1)流域生态建设、资源利用、经济增长服务于综合治理目标; 2)保持生态系统平衡和稳定; 3)把生态系统食物链和经济系统的投入产出链科学地融为一体; 4)对不同阶段建立的实体模式进行动态调控。 刘国彬等( 2008)26黄土高原治理的
15、主要经验包括: 1)以流域为单元进行水土流失综合治理,促进生态改善与经济同步发展; 2)以淤地坝建设为核心的沟道治理,形成拦截泥沙屏障; 3)重视基本农田建设,保障黄土高原地区粮食安全。 傅伯杰等( 2014)27基于黄土高原坡面、小流域、流域、区域不同尺度景观格局与生态过程的长期观测研究,提出了黄土高原生态环境建设建议: 1)继续加强坡面植被恢复,优化植被空间配置以增强生态系统水土保持服务功能; 2)在沟道里构建相应的生物阻拦、岩土工程设施;3)处理好退耕农民产业转移、收入来源调整,维护退耕还林还草成果。 1.2 实践经验 黄土丘陵沟壑区不缺地,缺的是土质肥沃、设施齐备、耕作方便的高标准基本
16、农田,在当地特指沟道里的坝地。在实施退耕还林工程之前,为增加耕地、保持水土,主要以小流域综合治理为重点,采用“坡修梯田、沟打坝”的工程治理方式,打坝就是筑坝淤地。近年来,随着丘陵峁坡地区植被条件的改善和泥沙量的减少,沟道筑坝淤地受到限制,因而改为闸沟造地。实践证明,实施退耕还林工程之后,科学推进沟道土地整治工程是恰逢其时的重大举措,闸沟造地既是水土保持工作理论的发展,也是水土治理实践模式的创新。主要创新: 1)用机械将沟道两侧的山坡梯级切下,把沟道分层填平形成耕地。 2)在坝田边侧修筑沟渠,确保洪水能排到沟底。3)田块间修筑塄坎和挡坝,留住雨水,保持墒情。 4)修筑田间道路,从沟口直到沟头。在
17、工程试验过程中,通常需要创新多项措施确保工程协调推进15:一是坚持因地制宜、科学规划;二是按照干、支、毛全流域设计,拦、蓄、排整系统推进,连片开发,一次建成;三是坚持“八配套” 、 “三清楚” 、 “一到位” ,分别是田、坝、路、林、渠、排水、退耕、产业相配套,新增耕地面积清楚、工程量清楚、投资额清楚,一次规划到位。 1.3 工程原理 1.3.1 基于复杂流域系统理 论透视沟道土地整治工程设计 沟道是由分水岭分割而成的自然地域单元,水、泥万方数据第 10 期 刘彦随等:黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术 3 沙、其他沉积物和化学物质都主要在沟道内部循环,并通过水流汇集到出口处。因此,
18、沟道是一个既与外界保持着物质、能量和信息交换,同时又是一个相对封闭、有着清晰边界的小型流域系统。随着人类经济活动的日益增强,沟道系统可理解为由自然生态、资源环境、社会经济等协同构成的、具有鲜明层次结构和整体功能的复杂流域系统28-29。治沟造地土地整治工程设计亟需充分认识黄土丘陵区坡面 -沟道系统的复杂性、脆弱性和动态性,揭示流域系统分异形态格局与规律,探究坡体 -边坡 -沟道复合系统过程与机理,探明水、土、气、生、人等各类要素在沟道系统内的稳态阈值、运移规律及相互作用机制,诊断制约生态安全的关键因素,掌握控制性因素的关键状态参数,构建沟道及边坡治理工程的生态安全保障技术体系。 工程设计的要点
19、: 1)基于沟道内不同界面的产流规律,做好坡面径流导流、梯级拦蓄工程,提高水资源利用效率,保障坡面稳定和沟道防洪安全; 2)针对黄土易湿陷、易崩解的特性,通过创新工程技术和施工工艺,提高混凝土工程耐久性,提升土体结构稳定性,增强土壤耕作适宜性; 3)揭示不同地表界面水土要素耦合机制,实现产沙产流精细化建模与快速测算,因灾设防,确保坝系安全; 4)发挥沟道土地整治工程、植被修复工程在流域及大尺度区域碳氮循环与生态保育中的支撑作用; 5)针对植被承载力、土地适宜性、坡体 -植被系统稳定性,优化坡体植被生态工程设计,提高水土保持能力; 6)基于削坡填沟经济性、边坡防护安全性、坝地土体稳定性综合视角,
20、 明确削坡填沟的优化模型与方案,求解造地面积较大、工程风险较小、经济投资较低的技术方案; 7)探究人类活动对生态环境影响机制及其效应测度方法,探明土地可持续利用新途径。实现复杂流域系统内坝系稳定、植被恢复、边坡稳固、坝地熟化、生态安全、经济合理、社会认可的沟道土地综合整治系统目标。 1.3.2 黄土丘陵沟壑区沟道 土地整治空间认知与工程模式 黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程设计,以现有大中型拦洪坝、淤地坝为骨架,合理配置中小型坝, “拦、蓄、排、灌”相结合,遵循保护退耕成果、降低生态风险、方便耕作利用的原则,在全面提高沟道防洪、排水能力的前提下,重点推进闸沟造地和沟台地建设,恢复水毁坝地,配套生
21、产道路,形成完整的沟道安全防护体系与农业基础设施体系,切实提升治沟造地土地整治重大工程的可行性与可靠性,着力建设符合黄土丘陵沟壑区自然地理条件和现代农业发展方向的高标准基本农田。为切实增强沟道稳定性、安全性和生态性,本文提出了包含布设边坡植物防护工程、堤坝防护工程、沟道治理工程、坡面防 护工程的系统方案, 形成集生物、 工程、管护于一体的综合防护体系,实现沟头、沟底、沟坡及梁峁坡面的全方位防护。山水林田湖是一个“生命共同体” ,稳步推进“山上退耕还林,山下治沟造地” ,实现“治沟保生态、造地惠民生”的目标,成为破解传统的人文 -自然系统恶性循环怪圈,构筑黄土高原丘陵沟壑区生态安全、农田保护、农
22、业增效、农民增收的新机制、新平台。 1.4 创新理念 借鉴黄土高原国土整治、复杂流域系统、土地资源工程、乡村转型发展的相关经验、教训与技术模式,黄土丘陵沟壑区沟道土地整治重大工程创新的关键是以治沟造地“增良田、保生态、惠民生”为主题,以“景观协调、结构稳固、利用持续、功能高效”为理念,系统开展农业地理工程建设,深入推进现代生态农田有机重构和新造地“三微” (微结构、微形态、微机理)系统观测研究,强化分段分带、沟坡同治,因地制宜、分类推进,统筹兼顾、持续发展理念。 1.4.1 整治类型划分 由于汇流面积、现状设施、利用导向、工程需求的差异性,沟道土地整治重大工程设计强调因地制宜、因势利导,划定了
23、沟道土地整治 4 大类型(表 2) 。 表 2 黄土丘陵沟壑区沟道土地整治建设类型、现状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 类型 Type 现状特征 Current features 主要工程需求 Main engineering demand 备注 More information 修复整治型 Restoration- type consolidation 现状为耕地,曾有基
24、础设施,但目前损毁严重 验核控制性工程的可靠性并提出修建方案,修复中小型基础设施,加强生态防护 以修复为主,新增耕地潜力较小 配套完善型 Facilities- type consolidation 现状为耕地,但缺乏坝、渠、路、林、堤等基础设施 重新配套建设控制性骨干工程和中小型基础设施,加强坡面及沟道的生态防护 以新建为主,新增耕地潜力较小 开发补充型 Exploitation- type consolidation 现状为荒草地、 盐碱地等宜耕未利用土地,没有基础设施 配套建设控制性骨干工程,土地平整工程,基础设施配套,加强生态防护 以新建为主,投资较大,新增耕地潜力较大 综合治理型 C
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