黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术.pdf

《黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术.pdf（9页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

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

25、omprehensive management-type consolidation 具有空心村整治或工矿废弃地复垦的潜力和意愿， 基础设施尚待完善 建设用地复垦与再配置，基础设施配套，加强坡面及沟道的生态防护，新社区建设 以平整和配套为主， 城乡土地统筹配置，综合效益显著 1）修复整治型。以冲垮、废弃坝地和川道地为主要对象，采取旧坝加固、修筑排洪渠等修复整治措施，实现毁坏沟道土地恢复与再利用的整治类型。以恢复耕地和提高耕地质量为主，新增耕地较少。 2）配套完善型。现在仍是坝地或川道耕地，但其坝、渠、路、林等配套基础设施不完善，存在较大安全隐患，需重点防控与改善的整治类型。以完成农田配套设施水

26、平和提高土地产能为主，新增耕地潜力很小。 3）开发补充型。以具有一定空间潜力而未开发利用的沟道、宽阔的河滩地为重点，推进工程、生物与生态等复合措施，实现治沟造地、滩万方数据农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 4地治理和有效增加耕地面积的整治类型。其工程量大、投入较高，新增耕地潜力也较大。 4）综合治理型。特定 沟域内治沟造地与空心村整治、工矿废弃地复垦有机结合，推进整域性土地综合治理的整治类型。其整治难度较大，但综合效益显著，有利于城乡土地优化配置。经实地勘察、信息收集、分类汇总和意见反馈，明确各整治类型的建设规模、空间分布和具体边界。 1.4.2 设计模式

27、体系 土地整治重大工程技术性强、涉及面广、影响力大、利益相关者众多，项目团队集思广益，系统构建了沟道土地整治重大工程的设计模式体系 （图 1） ： 1） 内容体系。以可行性研究报告为核心报告，以新增耕地分析、水土资源分析、环境影响评价、社会风险分析、典型设计、投资估算、实施方案为支撑报告，形成可行性研究的内容体系。 2）工程体系。遵照土地整治重大工程项目可行性研究报告编制的相关规程，明确骨干工程、土地平整工程、灌溉排水工程、田间道路工程、农田防护与生态环境保持工程及其他工程的内容、规范、标准、施工技术，并针对关键技术、参数开展专门试验和专题研究。 3）要素体系。在工程要素层面强调“干 -支 -

28、毛”分层防控、 “渠 -堤 -坝”系统配套、 “乔 -灌 -草”科学搭配，在利用要素层面强调“坡 -沟 -川”协同推进， “田 -林 -路”科学布设， “人 -地 -业”综合考量。 4）尺度体系。以项目、片区、子项目统领工程建设的组织层级，整个重大工程视为 1 个项目，各区县为相应建设片区，以规模适度的小流域为单元，确定各个片区的子项目，以区域、流域、沟域作为工程设计空间层级。 5）参与体系。沟道土地整治重大工程十分注重参与体系的构建，强调问计于业务专家、问计于基层干部、问计于当地农民，基于多主体协同参与，建立土地整治重大工程调研、勘测、规划、设计、施工、监管、评估、利用的行动者系统网络。 图

29、1 沟道土地整治重大工程的模式体系设计 Fig.1 Framework of designing model of gully land consolidation project feasibility 2 延安沟道土地整治增强型工程设计技术 2.1 工程设计技术方案 生态安全通常指人类赖以生存和发展的生态环境处于不受或少受破坏与威胁的状态。科学治理水土、防治生态灾害、保障生态安全是沟道整治工程设计的基本理论前提。黄土丘陵沟壑区的生态灾害主要包括由自然和人为因素诱发的植被退化，以及崩塌滑坡、沟道工程失效等引起的严重水土流失。因此，延安治沟造地土地整治重大工程围绕提升沟道生态安全及土地利用稳定

30、性、高效性与可持续性，重点强化了坝系建设、切坡护沟、沟道排涝、沟头治理、破面防护和农田灌溉等六大工程技术措施。 2.1.1 坝系建设工程 治理黄河、促进陕北农业发展的关键，是通过工程措施改变黄土高原水土严重流失区的侵蚀地理环境，其重点在于加强坝系建设。根据坝系稳定性原理，当淤地坝达到一定的高度、坝地面积与坝所控制流域面积的比例达到一定数值之后，淤地坝将对洪水、泥沙长期控制而不致影响坝地作物生长，即洪水泥沙在坝内被消化利用，达到产水、产沙与用水、用沙的相对平衡。这既能确保坝体在特定暴雨洪水频率下保证坝系工程的安全，也能在特定暴雨洪水频率下，保证坝地作物生长不受损失或少受损失，还能将绝大部分的洪水

31、、泥沙拦截在坝内，使沟道流域的水沙资源得到充分利用。而要达到坝系的相对稳定，设计淤地坝时必须考虑当地的水文条件（如设计洪量及历时、设计暴雨量及历时等） 、所控制的小流域的地理条件、地质条件、坝地的面积，以及所种植的农作物种类等。结合黄土高原丘陵沟壑区坝系建设所积累的丰富经验，重点须在主沟的沟头布设拦洪坝，作为拦挡泥沙、洪水的第一道防线，在主沟沟口建设骨干型淤地坝，在支毛沟沟口、主沟中上游建设中小型淤地坝，形成“拦泥、蓄水、灌溉、排洪”相结合的综合防护与利用体系，确保沟道的整体稳定与安全。 2.1.2 切坡护沟工程 在黄土丘陵区主沟道两侧的缓坡段可通过梯级筑台造田或削坡填沟造地。修筑沟台地时，为

32、便于机械化耕作，通常每 46 m 修一个台阶，沟台地以宽 815 m，长50100 m 为宜，田面外高内低，内侧布设浅沟和集雨窖，先导、后蓄、再排，蓄积的雨水可供沟台地的经济林果灌溉所需。在不与退耕还林工程相冲突的情况下，一些特殊地段需要对突出的陡峭侧坡或部分坡地进行适当削坡，进而对地势低洼地段进行覆土修整，借以达到增加有效耕地面积的目的。为确保边坡稳定性，需采取必要的固坡、护坡或缓坡措施，周边陡坡削坡直立高度应不超过 2 m，若是非湿陷的老黄土层，可适当提高到 5 m 之内；根据土质条件的差异，采取不同的护坡措施，高边坡开挖坡比应控制在 1 0.50 1 0.75， 分级开挖高度控制在每级

33、46 m，且设置平台，与等高线平行，宽度宜为1.52 m；对易产生滑坡隐患的坡面，严禁削坡，除非能通过削坡消除该隐患。如果坡脚存在滑塌诱因，则应及万方数据第 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 5 时采取干砌石、堆沙袋等坡脚防护措施。对开挖坡面、退台均采取植物防护、生态还绿措施。在坡脚开挖修筑排洪渠时，排洪渠应布设在距坡脚 1 m 之外，即预留 1 m平台，并进行必要的植物防护。 2.1.3 沟道排洪工程 在拦洪坝有效拦蓄泥沙、洪水的基础上，进一步修筑溢洪道，开挖排洪渠，并配套建设蓄水池、集雨窖，是确保沟道有效拦水、适度蓄水、安全排洪的关键工程。在主沟道和支毛沟布

34、设适宜规格、材质的排洪渠，以取代坝地自然冲沟，消除对坝地的冲蚀、切割。排洪渠布设应符合下列规定： 1）排洪渠安全超高宜大于 0.2 m，设计流速应介于不冲不淤的流速之间。 2）土壤偏砂时，排洪渠应进行必要的衬砌。 3）土质排洪渠应采用梯形或复式断面修筑。 4） 土质排洪渠边坡系数应根据开挖深度、沟槽土质及地下水情况等，经稳定性测试后确定，一般宜为 1 1。 5）排洪渠应结合田间道路优化布置，通常应布置在低洼区域，避免填方。 排洪渠系平面布置应综合考虑坝地平整、沟坡整治、冲沟填土、支毛沟退水等因素。一般布设在集水面积相对较大的沟道侧面，宜沿溢洪道一侧布设。排洪渠的下坡段和有明显弯道、顶冲的地方，

35、应采用浆砌石修筑，以减少水流冲刷。在坝地尾部盐碱地分布区开挖排碱沟，适度降低地下水位，排除坝地尾端积水。对不能降低排洪渠高程的坝地，可采取垫土压碱的方法，即在坝地尾部采用台阶式垫土，其垫土厚度应视排洪渠比降的大小而定。 一般情况下， 以坝地高出地下水位 2.2 m 以上为宜。排洪渠底应尽量开挖到古土壤层或黏土层（ Q1/Q2） ，并采用古土壤层黄土或黏土层黄土（ Q1/Q2）垫基压实，以增强耐冲刷、抗冻融能力。在沟道基流不畅、土方较厚地段，首先要清表垫基，在分层填方造地时科学布设“渗井” ，既可排出沟底集水，防止填方区底部过度集水而引发新造田塌陷，也可合理利用和保护宝贵的沟道水资源。 排洪渠系

36、建筑物要保证渠系排泄畅通、运行安全，方便群众生产与生活。在局部地段进行衬砌时，如果衬砌段较长，可铺设带孔塑料管，以促进坝地的地下水下渗，适当降低田面地下水位，防止局部盐碱化。在局部水流速度较大地段，可因地制宜地布设滞洪区或是大型蓄水池，以减缓水流速度，确保沟道排洪安全。排洪渠为单侧布置时，在沟道坝地的另一侧，宜与坡面的截水沟、排水沟相配套，布设垂直于沟道的明沟，通过明沟将异侧坡面来水顺利导入排洪渠。为了节约坝地、方便生产，明沟宜布设在田坎下方，且与田坎平行布局，穿过生产路时应铺设涵管。坝地两侧的支毛沟退水宜与坝地田块划分、生产路布设等统筹规划，便于汇入排洪干渠，形成坝地排洪渠系，实现行洪通畅，

37、防洪安全。 2.1.4 沟头治理工程 对于沟道汇水面积较大的沟头，要选择适宜的地段建设拦洪坝，以有效拦截沟头汇水和泥沙，并辅以溢洪道和放水建筑物，实现“拦、蓄、排、灌”的有机结合、配套运行。为切实增强沟道稳定性、确保生产安全性，本项重大工程拦洪坝设计的洪水防御标准，高于现行行业标准。小型、中型拦洪坝的设计防御标准分别为 20 年一遇和 30 年一遇，对于汇水面积相对较小、不适宜建设拦洪坝，但又确有必要进行工程防护的沟头区域，则适当采取修筑谷坊、沟头防护等工程措施，有效拦挡泥沙，减轻洪水对沟道的直接冲刷和破坏。 2.1.5 坡面防护工程 确保坡面稳定与生态保育，是沟道土地整治的重要目标。为增强坡

38、面稳定性，宜采取的工程措施： 1）开挖截水沟。在汇水面积大于 1 hm2的坡地上沿峁缘线、等高线开挖用于拦截坡面雨水径流的沟槽，经排水沟后将雨水径流引到蓄水池或坡脚的排洪渠，避免坡面径流下渗影响坡面稳定性甚至产生坡面崩塌。 2）布设排水沟。在坡面适当位置设计排水沟，将截水沟截流的雨水径流导入下游渠道，防止山洪冲毁梯田等坡面水土保持工程。排水沟一般布设在坡面截水沟的两端或较低一端，其终端连接坝地内的排水明沟；梯田两端的排水沟，应与水窖、蓄水池、沉沙池靠近，并和田间道路平行布置。在梯田区应分段设置跌水，排水沟，以每台梯田田面为水平段，以每台田坎高为跌水，跌水处采用浆砌石衬砌防冲。工程设计时考虑排水

39、沟的不冲不淤流速，尽量减少沟道冲淤。 增强坡面稳定性的植物措施： 1） 沟头梁峁植物防护。在退耕还林效果欠佳，容易产生水土流失的沟头、梁峁区域补植乔木、灌木，营造以减少水土流失为主要目的的人工林草系统，以进一步恢复区域植被，巩固退耕还林成果，确保沟道生态安全。 2）开挖坡面植物防护。为保护开挖面，选用生长快、耐旱、耐瘠薄、根系发达、固土作用大的草种进行植草护坡。在台面采取单排乔灌混交，并穴播种草，尽快恢复坡面水保功能。 3）坝坡埂坎植物防护。在淤地坝、田坎背坡面，以及沟台地的埂坎坡面营造植物防护体系。在於地坝、田坎的堤坝坡坡面，采用穴播种草、密植小灌木护坡。 4）田间道路植物防护。沿田间道路营

40、造以防止水土流失、保护岸坡安全、提供休憩庇荫场所为主要目的的人工林。 2.1.6 农田灌溉工程 目前陕北地区沟道农业仍为传统的雨养农业。实地调研发现，从事粮食作物生产的大多数农户对灌溉设施尤其是输水工程的需求不高，农业“靠天吃饭”较为普遍。事实上，遵照因地制宜、持续高效原则，适当布设各型蓄水池、集雨窖，既可在一定程度上拦滞地表径流、分担滞洪及泄洪压力，还可充分利用黄土层壤流与沟道来水，发展自流节水灌溉，并起到滞洪蓄水、增加灌溉的双重作用。同时，考虑到未来发展沟道现代高效农业的需要，切实发挥治沟造地的综合效益，还应鼓励后续建设过程中科学布设一些机井，采取喷灌、微灌或滴灌的方式进行农田精准灌溉。

41、2.2 工程技术体系 土地综合整治作为适时补充耕地、盘活存量土地、优化城乡用地、强化集约用地、提升土地产能的重要手段，是新时期统筹城乡、惠及三农、强村富民的重大“民万方数据农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 6生工程”16。传统的土地整治工程包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、农田林网与生态防护工程，各项工程都有着规范化、程式性的建设内容。在陕西省延安市治沟造地土地整治重大工程可行性研究中， 笔者研究团队开发了基于遥感影像与 DEM 图进行沟道信息提取、土地精确调查与制图技术方法，完成了延安市 1.1 万余条沟道土地资源调查与适宜性评价， 优选出

42、适宜整治的沟道 2 026 条， 确定延安沟道土地整治潜力为23.87 万 hm2，近期最适宜整治的面积为 9.80 万 hm2。研究提出“治沟保生态 , 造地惠民生”的工程建设理念，以及黄土丘陵沟壑区“三带六段”农业工程模式25，探明了沟道土地、农业、林业、水利等多种工程技术组装的耦合原理，创建了“区域 -流域 -沟域”多尺度关联、 “水 -土 -气 -生”多要素耦合的沟道土地整治工程理论。 在工程规划与设计环节，研究提出了沟道土地整治分区、分类标准及技术要点，划分出修复整治型、配套完善型、开发补充型、综合治理型等 4 种工程建设类型，创新了黄土高原治沟造地土地整治新模式。针对退耕还林后打坝

43、淤地面临泥沙减少、周期过长的问题，系统研究了在沟道陡峭边坡或侧沟易塌黄土区取土、机械覆土、闸沟造地的可行性；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，探索解决了沟道地区多种工程组装与系统集成的技术难题，探明了治沟造地与水土保持、林业建设、现代农业协同发展的新途径，取得显著的实践应用成效（图 2） 。 图2 延安沟道土地整治工程建设前后 Fig.2 Before and after gully land consolidation in Yanan 在工程规划与设计方面，将黄土力学、地层结构原理应用于沟道土地整治工程

44、，提出将当地非湿陷性黄土层（ Q1/Q2）作为修路、筑堤、护坡材料等，利用就地取材、因地制宜、节约高效。同时，治沟造地是治沟、造地和生态防护的有机结合，探寻黄土边坡防护稳定、整治造地规模适度、自然灾害风险最小的科学途径，成为黄土高原治沟造地工程规划设计的技术难题。为此，在模型实验和工程试验的基础上，探讨提出了高边坡开挖的适宜坡比为 1 0.50 1 0.75，以及堤坝压实干密度为 1.55 1.68 t/m3。普通的格坝、田埂、堤坊的密实万方数据第 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 7 度可低一些，但控制性大坝、取水工程堤坝的压实干密度标准要求更高。 2.3 工

45、程设计特色 陕西延安治沟造地土地整治重大工程的设计方案与传统方案的区别： 1）农田林网建设，现有项目建设的植物防护不够系统，本项目强调对沟道进行全方位的植物防护，包括布设沟头梁峁植物防护、开挖坡面植物防护、坝坡埂坎植物防护、道路沟渠植物防护等措施，以更好地巩固退耕还林成果、确保沟道生态安全。 2）沟道治理工程，现有项目通常未考虑谷坊修筑和沟头防护，本项目强调合理布设谷坊和沟头防护工程，以有效防控水土流失、防止沟头下切。 3）坡面防护工程，现有项目较少考虑坡面综合防护，本项目强调合理布设截水沟和排水沟，配以生物防护措施，以有效拦截雨水、减少坡面径流、确保沟道安全30。通过上述增强型设计方案，更有

46、助于实现“景观更加协调、结构更为稳固、功能更为高效、利用更加持续”的目标。 本重大工程可行性研究设计方案具有以下特色： 1）针对当地黄土的层理结构、物质特性特别是力学特征，科学利用黄土特性开展工程选址、坡面防护和就地取材的规划设计。 2）充分考虑了黄土高原丘陵沟壑区降雨和治灾的区域特点，注重拦洪、蓄水、排洪、灌溉“四位一体”水利设施配套建设，保证旱能灌、涝能排，合理利用水资源。 3）系统构建了沟道整域综合防护体系。做到“干支毛分层防控、渠堤坝系统配套、乔灌草科学搭配” ； 4）凸显了治沟造地高标准、增强型的特色。为保障治沟造地土地整治重大工程建设的科学投资与安全运行的需求，研究提出了兼顾防洪标

47、准、要素配置、用料材质的增强型设计方案（表 3） 。 表 3 延安市增强型治沟造地工程措施体系 Table 3 Enhanced treatment system for gully land consolidation in Yanan 工程类型 Type of engineering 传统型治沟造地工程 Traditional gully land consolidation 增强型治沟造地工程 Enhanced gully land consolidation 主要功效 Main functions 骨干工程 Backbone projects 坝系工程 大、中、小型坝设计防御标准通常为

48、 30 年、 20 年和 10 年一遇，多为“坝体 +溢洪道”或“坝体 +放水建筑物”两大件 大、中、小型坝的设计防御标准分别提高为 50年、 30 年和 20 年一遇，大中型坝配套“坝体 +溢洪道 +放水建筑物”三大件 增强防洪能力 提升灌溉水平 闸沟造地修筑 设计防洪标准多为 10 年一遇 设计防洪标准提高为 20 年一遇 增强防洪能力 沟台地修筑 设计防洪标准多为 10 年一遇 设计防洪标准提高为 20 年一遇 增强防洪能力 土地平整工程 Land levelling engineering 耕层地力保持 较少考虑耕作层地力保持 强调表土保护、客土回填 减少地力损失 灌溉 较少考虑灌溉问题 合理布设蓄水池、集雨窖、机井，实现自流灌溉、微喷灌 拦蓄地表径流 提升灌溉水平 排洪渠 多为 10 年一遇，土渠 至少 20 年一遇，修筑土质、浆砌石排洪渠，在顶冲段及比降大