CN104452704A - 一种波型坡耕地水土流失的防治方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种波型坡耕地水土流失的防治方法及其装置，本发明在波型坡耕地的波谷地下沿纵坡向埋设排水管，下方通入田间沟渠或河道，在波谷处按纵坡向分段设置若干横向砌墙坎，砌墙坎入土深度为其高度的一半，在砌墙坎中心内设有竖管与排水管相通，在竖管朝向迎水面设若干引水管通向外，引水管由外向内呈斜向上，外端裸露于地面以上；本发明采用砌墙坎拦挡汇集径流，降低了水流速度和冲击强度，使泥沙得以沉积、清水排出，地表径流调控率97.5%、泥沙调控率99.9%，对于波型坡耕地水土流失的减蚀效果显著；与现有技术相比，本发明的运行使用可达数十年，且效果稳定、维护成本低，尤其对土层较薄的坡耕地更适用，其工程造价比石坎梯田低2.4倍。

Description

一种波型坡耕地水土流失的防治方法及其装置

技术领域

本发明属于水土保持工程技术领域，具体涉及波型坡耕地水土流失的防治方法及其装置。

背景技术

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失主要分布于西北黄土高原、西南云贵高原、北方高原山地、南方山地丘陵、东北半湿润平原等五大水土流失区。据水利部2009年统计数据，我国水土流失面积达356万平方公里，约占国土面积37%，年平均土壤侵蚀量高达45亿吨。全国各省都有不同程度的水土流失，其分布之广、强度之大、危害之重，在全球屈指可数。

坡耕地是水土流失的主要策源地之一，据统计全国有3513万hm²坡耕地（其中>25°的坡耕地520万hm²），坡耕地的水土流失量占到流域水土流失总量的40％～60％，而面积大、坡度较陡的地区可达70％～80％；海河流域年平均土壤侵蚀总量4亿吨，25%来源于坡耕地；三峡库区每年坡耕地产生的土壤流失量占库区总流失量的73％；陕西省每年入黄河泥沙的40％～60%来自坡耕地；贵州省珠江流域坡耕地侵蚀量占流域总侵蚀量的60％以上。坡耕地水土流失的特点是：以水力侵蚀为主；土壤疏松、可蚀性大；坡度越陡，土壤流失越严重；养分流失严重。

坡耕地治理是我国水土流失治理工作的重点，传统的工程治理措施主要针对厚层(≥2m)土壤坡耕地。而对于薄土坡耕地土层较薄(＜2m)，土壤侵蚀极易导致坡耕地的退化，针对这一类坡耕地水土流失的治理已引起人们的重视；由于土层较薄、不适合修筑梯田的坡耕地治理，主要以耕作措施为主，如等高沟垄种植、垄作区田、草田轮作及横坡带状间作等。而这些水土保持耕作措施效益差、不稳定、需频繁维护、花费较多劳力。

波型坡耕地是一种地形较为复杂的坡耕地，这种坡耕地除纵向坡度外，在横向（等高线方向）也存在起伏从而形成波浪状，这类坡耕地在波谷处易汇集大量径流，从而使波谷处产生严重侵蚀。现有的坡耕地水土保持措施（包括耕作措施和生物措施）主要是针对坡面横向无起伏的直型坡，对于有波谷汇流的波型坡耕地则难以发挥作用，尤其是对波型坡薄土坡耕地的水土流失治理措施的未见有报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种波型坡耕地水土流失的防治方法及其装置，以期减少波型坡耕地的水土流失，提高坡面土壤水分含量，为坡耕地的水土流失治理提供一种稳定、持续有效的工程防护方法。

本发明提出的波型坡耕地水土流失的防治方法及其装置适用于土层厚度2m以下、横向坡度为5°～15°、纵向坡度为5°～25°、波峰间距为10～50m、坡面侵蚀模数10000t/(km²·a)以下的波型坡耕地，对土壤特性及作物特性无特殊要求。

本发明波型坡耕地水土流失的防治方法，其特征在于，实地获得波型坡的横向和纵向坡度以及波型坡两波峰的间距，在波型坡耕地两波峰之间波谷的低凹处地下0.4m～0.6 m沿纵坡向埋设一排水管，排水管的下方通入田间沟渠或河道；在波谷低凹处按纵坡向分段设置若干横向砌墙坎，分段设置的横向砌墙坎的间距是以纵向坡度决定（坡度大则间距小，坡度小则间距大），横向砌墙坎以排水管位置为中心向两侧横向延伸，砌墙坎入土深度为其高度的一半；在砌墙坎中心位置内部设有竖管，与其下端的排水管相通，上端口可以伸出砌墙坎体外；在竖管朝向迎水面设有若干引水管通向砌墙坎外，其外端裸露于地面以上，引水管由外向内呈斜向上。

本发明波型坡耕地水土流失的防治装置，其特征在于，在沿坡向的排水管上方分段设置有横向砌墙坎，其间距为10～45m，砌墙坎长3～9m，宽40～60cm，高70～80cm；在砌墙坎中心位置内部设有竖管，与其下端的排水管相通，其上端口可以封闭在砌墙坎体内，也可以伸出砌墙坎体外，或是与砌墙坎上表面齐平，并设有检查盖；在竖管朝向迎水面设有若干引水管通向砌墙坎外，引水管由外向内斜向上呈8°～12°，引水管（口）在砌墙坎迎水面呈竖向排列1～3列，每列由高向下设置4～7根。引水管的列数和每列的数量及其口径是依据坡面的径流量确定，径流量越大则设置的列数及每列的数量及其口径就相应增大。

本发明的特征还在于，所述的砌墙坎可采用砖混结构或是水泥混凝土砼体，其可以是整体结构或是按长分段组合构成；所述砌墙坎的宽度是根据土壤的紧实度确定，紧实度越小则砌墙坎的宽度越大，以保证砌墙坎不被上坡来水冲倒；砌墙坎的入土深度是在波谷中心处约为砌墙坎高度的一半；砌墙坎的长度由两侧的横向坡度决定，横向坡度越小，其长度越大。所述的排水管采用双壁波纹管，竖管和引水管可以采用PVC管，排水管直径20～25cm，竖管直径为15～22cm，引水管直径为4.5～5.5cm。

本发明波型坡耕地水土流失的防治装置的安装施工方法：①在确定波型坡耕地的地块后，实地测量波型坡的横向和纵向坡度，波型坡两波峰的间距及坡地长度；根据当地的径流量设计砌墙坎和各管道的参数。②将制备好的（组合）砌墙坎和管道材料运输到实施地，在两波峰之间波谷（中心）的低凹处，由坡上端设计的第一道砌墙坎处向坡下端挖深0.5m、宽0.5 m的管道沟，沟底部用三合土夯实成“U”型，铺设并连接排水管。③按设计间距和长度分别挖掘各段砌墙坎的横向壕沟（宽1m，深0.5m），沟底部用三合土夯实，先将砌墙坎的中心块（内有预置的竖管和引水管，底部竖管位置有凹槽，便于固定排水管）置入，把竖管与排水管对接连通，再将砌墙坎其余组合块向两侧横向拼接并固定为一体；也可以直接在沟底部按要求砌筑整体的砌墙坎（应先把竖管与排水管对接连通，并固定连接引水管）。④对所有的横纵沟进行覆土压实，并保证引水管的外端裸露于地面以上。

本发明波型坡耕地水土流失防治装置的工作机理：当坡面出现径流时，径流沿横向坡面汇集到波谷，再沿纵向坡面顺波谷汇集到砌墙坎的迎水面；随着径流量的增加，汇集的水面不断上升，当水面超过最下一排引水管时，水流由引水管进入竖管流入地下的排水管排出，通至坡下的田间沟渠或河道。由于砌墙坎的拦挡作用，水流中携带的大部分泥沙在此沉积，而引水管由外向内呈斜向上的结构，也可使水流中的泥沙向下沉积而不随水流进入竖管流失；当沉积的泥沙掩埋堵塞最下一排的引水管口后，水面继续上升到达上一排引水管，由上一排引水管将水流排出；当坡面径流过大，一排引水管无法将来水及时排出，水面会不断上升到达上一层，甚至是再上层的引水管，则由更多的引水管同时排水，有效避免径流从砌墙坎顶部溢出。砌墙坎的间距和高度是依据该坡耕地的侵蚀量来确定，能够满足一年的泥沙淤积，因此不会出现一次降雨使泥沙淤满的情况；若泥沙淤积量过厚过多时，可在作物收获后农闲季节对淤积的泥沙进行清理，并通过检查盖对管道进行疏通，不影响当季作物的种植和生长。

本发明根据波型坡波谷汇流的特点，在波谷处设置拦挡排水设施，采用砌墙坎拦挡汇集的径流，不仅降低了水流速度和冲击强度，还使径流中所携带的泥沙得以沉积；同时砌墙坎内不同高度的斜上引水管能够阻止泥沙随水流流失，而将上层清水排出。经实验监测显示，对照实验区的年地表径流总量为7.27m³，侵蚀总量为996.4kg；采用本发明装置的实验区的年地表径流总量为0.18m³，侵蚀总量仅为0.89kg，其地表径流调控率和泥沙调控率分别达到了97.5%和99.9%，对于波型坡耕地水土流失的减蚀效果十分明显。

与现有的技术措施相比，本发明采用砌墙坎砼体和管道结构，其运行使用可达数十年，且效果稳定、维护成本低，在田间设置后视具体情况可不维护或是少维护；本发明装置可以采用预制件形式在室内工厂进行模块化生产，在实地应用时可快速拼接组装，提高施工效率。与传统的耕作措施相比，本发明的坡面减蚀效率远高于横坡种植、沟垄种植、等高耕作等措施，且效果稳定，在大暴雨条件下效果依然显著，克服了耕作措施只能抵御较小降雨侵蚀的缺点；与生物措施相比，本发明便于维护，对于耕作的影响较小且不会对植被生长产生负面影响，克服了植物篱等生物措施使用年限较短、大暴雨条件下减蚀效果差、以及与农作物竞争养分的缺点；与传统的水平梯田措施相比，本发明对耕地土层厚度要求较低，可在土层较薄（2m以下）的坡耕地上设置，适用范围广，克服了实地应用受到土层厚度限制的缺点。另外，本发明的工程造价低（平均每亩约1900元），按照国家发改委和水利部共同编制的《全国坡耕地水土流失综合治理工程专项建设方案（2013-2016年）》，北方土石山区石坎梯田平均造价4639元/亩，约是本发明的2.4倍。

附图说明

附图1为本发明波型坡耕地水土流失防治方法原理与装置结构的示意图。图中A为坡顶，B为波峰线，C为波谷中线，L为砌墙坎间距；图中1为砌墙坎，2为排水管，3为竖管，4为引水管，5为迎水面，6为（组合）砌墙坎连接处。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明技术方案的实施方式和效果。

实例中的实施地为河北省承德市平泉县东北沟小流域的野外径流观测实验区，土层厚度1.1m，同时以相同地块设为对照区。

步骤一、在确定波型坡耕地实验区后，实地测量波型坡的横向坡度为6°，纵向坡度为11°，波型坡两波峰的间距为15m，坡地长度为37m。根据当地的径流量确定砌墙坎宽度为0.5m，长度为7.5m，高度为0.7m，中心线处入土深度为0.3m，砌墙坎间距为20m，设置2段砌墙坎。

步骤二、将砌墙坎按长度设计为7个组合块（其中，中心块1个长1.5m；其余6个组合块各长1m；各块两端的连接处为嵌槽结构，以保证组合后连接为一整体）为一组，采用水泥石块混凝土按确定参数制备二组组合块，其中中心块制备时按前述要求将竖管和引水管预置于砼体内，并在底部竖管位置制有凹槽。各管道均为市购，排水管采用双壁波纹管，竖管和引水管采用PVC管，排水管直径20cm，竖管直径16cm，引水管直径5cm。

步骤三、将砌墙坎组合块和管道材料运到实施地；在两波峰之间波谷（中心线）的低凹处，由坡上端处（距坡顶16m）向坡下端挖深0.5m、宽0.5 m的管道沟，沟底部用三合土夯实成“U”型，铺设并连接双壁波纹管（排水管下端通至坡下的沟渠）；在距坡顶16m和36m两处分别挖掘横向壕沟（长8m，宽1m，深0.4 m），沟底部用三合土夯实，先把砌墙坎的中心块置入壕沟（外露引水管的一面为迎水面），使底部凹槽卡在排水管上，将竖管与排水管对接连通，再将其余组合块向两侧横向镶嵌拼接组合（一侧3块），连接处用水泥灌浆固定为一体；对所有的横纵沟进行覆土压实，砌墙坎中心块的入土深度为0.3m，使引水管的外端裸露于地面以上。（参见附图）

经过一年的实验观测，设置本发明装置的实验区水土流失明显减少，坡面无明显沟蚀，泥沙流失较对照区减少90%以上，土壤水分含量较对照区提高了6.7%，玉米产量较对照区提高了7.6%，砌墙坎及相应的管道系统保存完好，砌墙坎无明显损坏、管道系统通畅，可持续发挥作用。一年只需清理淤积泥沙一次。

Claims (5)

1.一种波型坡耕地水土流失的防治方法，其特征在于，实地获得波型坡的横向和纵向坡度以及波型坡两波峰的间距，在波型坡耕地两波峰之间波谷的低凹处地下0.4m～0.6 m沿纵坡向埋设一排水管，排水管的下方通入田间沟渠或河道；在波谷低凹处按纵坡向分段设置若干横向砌墙坎，横向砌墙坎以排水管位置为中心向两侧横向延伸，砌墙坎入土深度为其高度的一半；在砌墙坎中心位置内部设有竖管，与其下端的排水管相通；在竖管朝向迎水面设有若干引水管通向砌墙坎外，引水管由外向内呈斜向上，其外端裸露于地面以上。

2.实施权利要求1所述的波型坡耕地水土流失防治方法的装置，其特征在于，在一排水管上方分段设置横向砌墙坎，分段设置的间距为10～45m，砌墙坎长3～9m，宽40～60cm，高70～80cm；在砌墙坎中心位置内部设有竖管，与其下端的排水管相通；在竖管朝向迎水面设有若干引水管通向砌墙坎外，引水管由外向内斜向上呈8°～12°，引水管在砌墙坎迎水面呈竖向排列1～3列，每列由上向下设置4～7根。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的砌墙坎为砖混结构或是水泥混凝土砼体，为整体结构或是按长分段组合构成。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述竖管的上端口封闭在砌墙坎内，或是伸出砌墙坎外，或是与砌墙坎上表面齐平，设有检查盖。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的排水管采用双壁波纹管，所述的竖管和引水管采用PVC管，排水管直径20～25cm，竖管直径为15～22cm，引水管直径为4.5～5.5cm。