水土保持

防治水土流失,保护、改良和合理利用水土资源,维护和提高土地生产力,以利于充分发挥水土资源的经济效益和社会效益,建立良好生态环境的综合性应用技术科学。水和土是人类赖以生存的基本物质,是发展农业的基本要素。水土保持工作对开发建设山区、丘陵区和风沙区,整治国土,治理江河,减少水、旱、风等灾害,维护生态平衡具有重要的作用。水土保持学是一门应用技术科学,研究的主要内容包括水土流失产生的原因及其发展规律,人类活动因素对水土流失和水土保持的影响,水土流失的形式、分布和为害,水土保持原理及其作用,水土资源的调查和评价方法,以及在合理利用土地资源的基础上,组织运用综合措施,达到水土保持的目的等。

概况

中国早期的水土保持工作可以追溯到西周初期,《诗经·小雅》中有“原隰既平,泉流既清”,就是当时中原地区平治水土的反映。春秋后期至民国,由于人口屡增、战火频仍、历代王朝和帝国主义者掠夺式地采伐森林、不合理的农业措施等,水土流失现象日益严重。但与此同时,各地农民也创造了区田、梯田、农田防冲蚀、山间小型坡塘,以及在黄河中游地区引洪漫地和打坝淤地等水土保持技术。20世纪40年代初,先后在甘肃、陕西、福建等省建立了水土保持实验区和林草种苗繁殖场试验研究水土保持的科学方法,但由于未得到政府的支持,实际成效不大。中华人民共和国成立后,中央和地方都建立了有关的行政领导部门和科学试验机构,提出了治理水土的方针、政策,颁布了有关条例、法令,并且于1958年在北京林学院成立了水土保持专业,1980年成立了水土保持系;此外在西北林学院等3所院校也设了系或专业,以培养具有水土保持综合技术知识的工程师。1986年成立了中国水土保持学会,第一届理事长为杨振怀。

欧洲在文艺复兴之后,环绕阿尔卑斯山区周围各国实现了以恢复森林为中心的森林复旧工程,取得一定实效。美国由于恣意耕垦原始草原和森林,不足百年便引起严重的水土流失,迫使采取各种措施进行防治。1884年奥地利维也纳农业大学林学系建立了荒溪治理学专业,形成一套治理荒溪的森林工程措施体系。1928年日本创立了具有本国特点的《砂防工学》。20世纪30年代美国的H.H.贝内特创立了以耕作土壤为中心的《土壤保持学》。苏联也在十月革命以后形成了具有本国特点的改良土壤的科学体系──农林改良土壤学和水利改良土壤学。

基本理论

大致分下述3部分。

外力破坏力和土体抵抗力的关系

水土流失的形式多种多样,但其发生和发展都是外力破坏力大于土体抵抗力的结果,而这两种力都受环境因素的综合影响和制约。

引起水土流失的外力主要有风力、水力、重力和温度的变化等,其中水力是最活跃的因素。水在自然界中以气态、液态和固态相互转变而存在,并且不停地以汽化、凝结、降水、入渗和作为径流的循环运动,对土体产生力学的、物理的和化学的作用。水土流失的形式分为溅蚀、面蚀、沟道侵蚀,以及由重力侵蚀、水力和重力共同作用引起的复合侵蚀(见土壤侵蚀)。雨滴落到地面时具有相应的动能,众多的雨滴连续不断地降落,引起土体的损失和破坏,称为溅蚀。地面径流形成初期较为分散和均匀,沿坡汇流,流量不断增加,流速及其冲力也随之增加,当流速大于0.3米/秒时,开始引起面蚀。当地面径流汇流于仅占面积很少的狭带状流域,形成股流,冲出低于原有地面的沟壑,称为沟道侵蚀,简称沟蚀。它分别向长、深、宽方面发展,在深厚细粒土体上形成切入地面较深的沟壑,称为侵蚀沟;但在以粗骨物质为主的土石山区,由于土砂石砾的分选作用和交换作用,形成以卵石岩块为主的沟壑,则称为荒溪或荒废沟谷。在水土流失地区,含有较多固体径流物质的股流,流入河川时由于流路骤然开阔,比降突减,常形成堆积物,称为冲积锥。斜坡的稳定是由内摩擦阻力、粒子间的凝聚力和其上生长的植物的固土作用来维持的。一旦斜坡受到外力(如植被破坏、地震和下渗水分等)的作用,引起土体崩塌,其中下渗水促使内摩擦阻力和凝聚力减小,就引起重力侵蚀。重力侵蚀的产物堆积在坡脚或沟道的一侧,称之为土石锥,又称崖锥或倒石锥。泥石流是含有大量固体物质的急流,是在固体径流超饱和状态下形成的。除股流的冲力之外,还有重力作用,故称复合侵蚀。

股流的冲力决定于流速,也受被冲物体的大小和形状及其相互间的摩擦阻力和凝聚力的影响。单位时间内通过一定断面的固体物质的重量,称为固体径流量,以千克/秒表示。携带固体物质的径流流速减缓,当流速减小到土砂石砾所具有的抗冲力时,称为不冲不淤流速或临界流速。处于临界流速条件的沟道底坡的比降称平衡比降或临界比降。当沟道由上到下的流速都等于临界流速时,意味着沟道侵蚀受到控制;处于这种状态下的沟道纵剖面称为平衡剖面。在水土保持工作中,往往要运用临界流速、临界比降和平衡剖面的理论,通过减小比降和流量以及增加流路的粗糙程度以减小流速,最终降低股流的冲力;或有目的地增加固体径流量,直到饱和状态,以消除其破坏力。

此外在温度影响下,冻融作用常是改变土体性质的外营力,一旦土壤中的水融化,除显示力学作用外,也发生相应的物理化学作用。因此,人为地改变或改造自然条件,使土体的抵抗力大于外力破坏力,是水土保持工作的基本内容。

按流域综合治理

即通过改变小地形和控制坡面径流流线坡度,达到沟坡兼治、全面治理。

不论地形多么复杂,流域均由分水线、水文网和斜坡构成。从分水线到河川之间可分为侵蚀区、流通区和沉积区(图1)。在侵蚀区,沿等高线修建坡地截流沟,可控制坡面径流的流线比降,使地面径流的冲力小于或等于地面的抵抗力。为了蓄水,可将截流沟挖深,中隔短墙、以容纳部分雨水,改善坡面的水分条件。多余的雨水以小于临界流速的速度由截流沟排水口排入沟道。在截流沟内侧栽种树木、沟间种植牧草,既可控制水土流失,也可收到经济效益。由截流沟排水口排入沟道的径流,由于沟道比降较大,流速难以控制,水土保持工作的主要内容是加强沟底的抵抗能力,包括加固截流沟放水口、采取沟顶防护措施、用跌水消力和固底等。在流通区段狭口处修建骨干谷坊,以巩固沟底,淤积后抬高侵蚀基准。在沟顶与骨干谷坊之间,扎沟填地,修建梯田和低谷坊群体,植树造林。在流通区的下端与沉积区相接处再修一个骨干谷坊,可使两个骨干谷坊之间的区段,具有临界流速和平衡剖面的状态。在坡面治理之后,为了防止由于固体物质减少、流速增加、纵向侵蚀相应增强而危及这一区段的稳定,可在两个骨干谷坊之间修建三、五成群的谷坊群体。

图

经过层层拦蓄,固体物质逐渐减少,以细粒为主的径流流入沉积区。这一区段比降趋缓,流路开阔,可选沟道两侧平缓处沉沙,同时规正流路。在流路以外的滩地上,采取护岸护滩措施。在沟口或其附近,选择条件适宜处修建沟口水库,以排放洪峰流量。经过沟坡综合治理的小流域,将会出现“土返其宅,水归其壑”的情况。在以风力为外营力的风蚀地区,则应以相应的地貌单元进行综合治理(见风力侵蚀)。

水土保持与开发建设同步实现

随着人口的增加,人类使用和经营土地的范围日趋扩大,山区建设成为重要的内容。山区既有丰富多样的生产潜力,又有生态条件的脆弱性。为了保持山区建设的良性循环,应坚持以林草促牧、以牧支农、农林牧综合发展的原则。1979年,中国在以往探索山区建设经验的基础上,提出发展山区建设和水土保持同步进行的模式图解(图2)。所谓“同步”,实质上就是水土流失地区的开发和建设,必须以水土保持为指导。能否贯彻这一原则,不仅影响上游地区,而且也影响下游地区的生态环境条件。

图

类型与分布

根据水土流失的形式、程度和潜在危险性,以及导致水土资源和土地生产力损失的程度和性质的相似性,水土保持可划分不同的类型。一个类型有的大面积连片,有的小面积零星分布。世界范围内的主要类型有:

(1)丘陵山地类型,以鳞片状、砂砾化片蚀和山洪、石洪为主,具有薄层粗骨土;

(2)高原漫岗丘陵类型,以片蚀、沟蚀为主,具有深厚均质的土状物黄土、红土、火山灰等;

(3)高、中山峡谷山地类型,以滑坡、泥石流为主;

(4)高原和寒带山地类型,以冻融侵蚀为特点;

(5)荒漠和半荒漠类型,以干旱风沙为特点。各种不同类型之间有明显的差异,而同一类型对水土保持则有基本相似的要求,因而水土保持类型可以作为水土保持宏观控制的基础。中国地域辽阔,地区差异悬殊,主要的水土保持类型有:

(1)东北漫岗丘陵山地,以耕地面蚀、沟蚀为主;

(2)北方土石山地丘陵,以鳞片状片蚀、砂砾化片蚀、山洪、石洪为主,具有薄层粗骨土;

(3)西北黄土高原丘陵,以面蚀、沟蚀、陷穴、滑坡、泥流为主,具有深厚黄土等均质细粒土层;

(4)西北干旱山地,除局部中高山地受垂直地带性影响,具有冻融侵蚀、滑坡、泥石流外,大部分是在干旱气候条件控制下的土石山地,属治理较为困难的类型;

(5)南方丘陵山地,以土壤酸化、鳞片状片蚀、砂砾化片蚀、崩岗、山洪为主,在具有薄层粗骨土的丘陵山地水土流失更为严重;

(6)西南峡谷高中山地,以滑坡、山洪、泥石流为主;

(7)青藏高原,以冻融侵蚀为特点;

(8)干旱风沙地区,在荒漠、半荒漠地区以风蚀为主。(见彩图)

水土保持类型 中国水土保持类型图 水土保持类型 北方土石山地丘陵 水土保持类型 东北漫岗丘陵山地 水土保持类型 西北黄土高原丘陵 水土保持类型 西北干旱山地 水土保持类型 南方丘陵山地 水土保持类型 干旱风沙地区 水土保持类型 西南峡谷高中山地 水土保持类型 青藏高原

规划

在水土保持理论的指导下,为防治水土流失,充分利用水土资源和永续发挥土地生产力,需要进行土地的空间配置和水土保持工作的时序安排,亦即进行水土保持规划。其指导思想是充分合理利用水土资源,制止水土流失,逐步有效地改善农业生产和生态条件。可分为总体规划和治理规划两类。前者涉及的面积从几千至几十万平方公里;后者的面积较小,最多200平方公里。治理规划需在总体规划的方向指导下进行,而总体规划则以治理规划为基础,通过小面积治理贯彻落实。

规划工作一般分两步进行,第一步是水土保持综合调查,广泛收集有关数据资料,如自然情况,社会情况水土流失情况,水土、生物资源评价和水土保持现状等;第二步是具体规划,其内容包括:

(1)研究生产发展方向,确定农、林、牧用地比例;

(2)研究水土保持治理途径,确定措施布局位置;

(3)研究规划中的科学依据,确定主要技术经济指标等。水土保持规划的核心是土地利用规划,而土地利用规划的基础是土地适宜性评价(见土地评价)。

措施

主要有水土保持农业技术措施水土保持林业技术措施,水土保持牧业技术措施和水土保持工程技术措施。在小流域治理中,各种技术措施之间往往存在着相互依赖、相辅相成的关系。如梯田、坝地的建设有赖于工程措施,但梯田、坝地没有大量的有机肥料就不能高产;而有机肥料的来源,主要靠造林种草,即发展林、牧业来提供。在水土流失的土地上造林不易成活,又往往要采用鱼鳞坑、水平沟(见造林整地)、梯田等,造成有利的小地形,达到工程蓄水、以水养树、以树固土的目的。随着林木的成长,其水土保持作用逐年增大,同时也可以保护工程设施,还可适当解决山区的饲料和肥料等问题。因此,只有采取综合措施才能使各项措施在系统中发挥最优的功能和效益,从而构成完整的水土保持体系。

法规

为保证水土保持工作顺利实施,许多国家都制订、颁布有关的法令、条例和规程,明确规定水土保持工作的方针、政策,为各地区、各部门开展水土保持工作提供准则和依据。

中国于1957年由国务院颁布了《中华人民共和国水土保持暂行纲要》。1982年颂布《水土保持工作条例》,明确提出:防治水土流失,保护和合理利用水土资源,是改变山区、丘陵区、风沙区面貌,治理江河,减少水、旱、风沙灾害,建立良好生态环境,发展农业生产的一项根本措施,是国土整治的一项重要内容;并且确定了“防治并举、治管结合,因地制宜,全面规划,综合治理,除害兴利”的工作方针和“植物措施与工程措施相结合,坡面治理与沟道治理相结合,田间工程与蓄水保土耕作措施相结合,治理与生产利用相结合,当前利益与长远利益相结合”的原则。在1984年颁布的《森林法》(见森林法)和1985年颁布的《草原法》中也有保持水土的内容。为加强领导,国务院在1982年成立了全国水土保持工作协调小组,在水土流失严重的省,还层层建立了水土保持专职机构。

参考文章