川东北方山丘陵地貌区水资源保护措施

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(西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637002)

水资源是社会、生态和经济可持续发展的基础，西南土石山区地处长江、珠江上游，青藏高原东南缘，是我国水土流失防治的重点地区[1]，特别是四川省东北部遍布低山丘陵，常年处于水资源缺乏状态。其与北方干旱缺水的不同之处在于本地区降水丰富，但是由于地形、降水分配不均等原因造成储水能力低、可供灌溉和饮用的水资源少，且源近流短、水低田高、耕地不连片，造成水分的输送、补给和储存的困难[2]。鉴于此，本文以四川达州千口岭省级地质公园内的“Ω”形槽谷为例，深入探讨此地缺水的原因，并据此提出相应的工程措施。

1 研究区域概况

四川达州千口岭省级地质公园位于四川省达州市通川区，为在建的省级地质公园，规划面积约97.2 km2。公园以方山丘陵地貌、单斜山地貌、碎屑岩地貌、特大型推移式滑坡、水体景观等多种地质遗迹资源为主,区内海拔300～700 m，相对高差较大；地形上属于川东北低山、丘陵与川东平行岭谷的过渡地带；方山丘陵与 “Ω”形槽谷的地貌组合是本地质公园主要的地貌类型之一。

缺水严重的区域主要是方山丘陵顶部，“一场大雨到处淹，十天无雨遍地旱”是该地典型的气象写照，目前公园内缺水时段为冬春之交的“春旱”和夏季的“伏旱”。该地区水资源的来源为天然降水，直接来源为“Ω”形槽谷的塘堰库存水及部分地下水，能抽取的地下水极为有限，塘堰库存水的保水能力不足。为满足水稻种植和冬季灌溉的需要，在“Ω”形槽谷内留有可蓄水的“冬水田”，且蓄水后，无法种植粮食，造成土地资源浪费。虽然修筑了水库，但是数量少，分布不均，没有根据实际的情况进行合理规划。同时，槽谷下部建有的塘堰往往具有“水低田高”的特点，只能满足就近农田的使用，相对高程高、距离远的耕地仍然缺水严重。根据千口岭地质公园的详细规划，地质公园采取旅游+休闲+产业的开发模式，建成后用水缺口更大。因此，公园用水、山顶牲畜饮水和灌溉用水必须寻找更广阔的水源。

2 水资源不足的原因

2.1 地质构造

大地构造上，公园位于川中地块、川北台陷和华蓥山隆起带的过渡区域，没有背斜、向斜、断层等典型的储水构造，地层产状平缓，因此，较稳定的承压水资源极为缺乏，出露地层以厚层或巨厚层砂岩为主，风化裂隙较发育，形成的风化裂隙水不利于山顶取水。因此，方山顶部不易储存或提供地下水资源。

2.2地形地貌

桌状方山具有“顶平、坡陡、麓缓”的特性，顶覆厚层或巨厚层砂岩，产状近水平，垂直节理发育，且方山边缘节理密度比中部大。在流水侵蚀和崩塌作用下，沿方山边缘形成了岭、谷相间的地貌形态，岭间的槽谷，多呈“Ω”形，上部宽、缓，成环形；下部深、窄，成直线型深切峡谷(图1)，与华蓥山由走向断裂形成的“Ω”形极为相似[3]。由于“Ω”形槽谷数目众多，方山顶部区域为槽谷的集水区，槽谷纵剖面比降大，在没有其他拦蓄方式的前提下，山顶降水迅速通过槽谷流向坡下。目前，存在部分“Ω”形槽谷修筑拦蓄降水的塘堰，但数量少、分布不均、库存量小，导致降水资源大量浪费，不能满足山顶生活生产需要。

图1 千口岭方山“Ω”形地貌示意图Fig.1 Topography of Ω-shape at the mesa of Qiankouling, Sichuan

2.3 气候

千口岭景区属亚热带季风气候，其特点是四季分明。年平均降水量1 211.4 mm，年平均降雨日数为140.1 d，最多168 d(1983年)，最少117 d(1966年)。极端年最大雨量1 698 mm(1983年)，极端年最少雨量730.7 mm(1966年)。由于受亚热带季风气候控制，降水的时间分布不均匀，降雨集中在每年5—10月份，但7月份进入伏旱期，降水减少；冬春季节降水极少，易形成冬旱和春旱，加上上述地貌地形条件限制，导致山顶总体水资源不足。

2.4 土地利用方式

目前土地利用类型主要为：耕地、林地、建设用地和水域。按照当地人的种植习惯和生活习惯，主要种植农作物类型有水稻、茶叶、玉米、油菜和小麦等。

11月底—次年3月份为少雨季节，而种植作物主要为小麦和油菜，灌溉用水几乎全部来自于槽谷中的塘堰，夏季储水量不足，灌溉用水缺乏，影响作物后期生长。3—5月初，进入水稻育苗期和栽种期，以及茶梢芽叶的萌发和生长发育期[4]，但是由于亚热带季风气候降水的季节性，春季形成春旱，降水少，库存殆尽，水量不足，直接影响水稻、茶的产量和品质。夏季水的消耗主要是玉米、蔬菜等农作物灌溉和水稻用水。本地降雨量总量较多，但是由于上述原因储水不足，加上7月份受副热带高压控制，伏旱天气的出现，导致夏季灌溉水量和稻田水量不足，非常不利于作物的生长发育。

2.5 水利设施建设

由于历史的原因，同一槽谷里的梯田可能分属于不同的农民承包使用，现有水利设施没有经过统一规划，水库分布不均衡，布局不合理，数量少，总容量不足。在设计上，没有根据人口生活用水量、农作物灌溉水量、降水量来合理分析库容量，水库的设计库容量和选址未经过专业论证，较为随意，导致“大需水量区域小库容，少需水量区域大库容”。

3 工程分析

3.1 小型蓄水工程的适宜性

本区属于桌状方山地区，顶部平坦，土层薄，植被稀疏，森林主要集中于山麓地区。因此，依靠生物措施来进行水资源的保持不现实，通过工程措施来保护水资源符合当地的实际情况。塘堰是山丘区最基本的水利设施,具有很好的蓄水和拦沙效果[5]。受地形条件限制，难以建立大型灌溉渠系系统,故各种小型集雨蓄水工程设施较多[6]。丘陵山区小型蓄水工程克服了大型蓄水工程对地形的苛刻要求,通过拦蓄降雨和地表径流,利用多雨季节储存的水量调控局地农田水量平衡[7]。

图2 “Ω”形槽谷形态Fig.2 Morphology of Ω-shaped valley

3.2 工程设计

3.2.1 “Ω”形槽谷的保水方案

在桌状方山地貌基础上形成的“Ω”形槽谷，上部宽、缓，成环形，下部深、窄，成直线型深切峡谷(如图2)，隘口两侧和底部为巨厚层或厚层砂岩，不易受侵蚀。此地没有背斜、向斜、断层等地质构造，地层产状平缓，地质构造稳定，水库不存在漏水，不易引起崩塌、滑坡等地质灾害。根据其特殊的地形和地层，宜在隘口处修筑淤地坝，形成小型水库。坝轴线短，具有工程量小、工期短、建造成本低的优点。方山顶部和槽谷内宽缓的区域均为水库的汇水面积，在雨季储水，满足生产生活需求。

由于地形谷口狭窄，沟床为基岩，坝体工程量小，宜选用浆砌条石来围筑成坝，形成一个个塘堰(见图1)，并配备相应的配套设施。堰塘能够控制下方全部农田，实现自流灌溉，堰塘上方短距离内的农田可用人力担水或者小型农用抽水机抽水灌溉。

3.2.2 垭口的保水方案

“Ω”形槽谷基本呈对称分布，垭口是位于2个对称“Ω”形槽谷之间的狭窄地带(图3)，相当于鞍部，地形较平坦。利用天然的地形条件，在横向上，宽度较窄，两侧用浆砌条石将垭口围筑起来，并向地下挖2～3 m，为防渗漏，有必要建设混凝土防渗墙。其次，垭口两侧的山丘拥有一定的汇水面积，可环绕山丘修建截水沟，如图3中虚线所示，暴雨时由截水沟拦截坡面上部和中部的地表径流，并引入堰塘中池存蓄，既保护了中部和下部的农田，又可在天旱时利用蓄水池灌溉，既可有效减轻水土流失，同时又解决小范围的人畜用水[8]。

图3 垭口处水库设计示意图Fig.3 Design of reservoir at the saddle (narrow pass) between two trough valleys

该方案水高田低，堰塘位于鞍部，农田位于槽谷之中，能够实现自流灌溉，其最大特点是隙泉和渗水口分布于梯田田坎，便于输水[9]。

3.2.3 蓄水池

上述2种方案都是根据天然的地形条件来进行塘堰的布局，但并不是所有有垭口的地方都适合修筑水库，有的地方垭口过窄，或者地形地质条件不适合。千口岭村正在逐步引进种植优良茶种，计划打造完整的茶产业链，目前已经形成了一些茶园，但一些茶园的配套供水设施并没有更新，缺少灌溉水源。例如白岩水库至千口岭沿路的茶园分布最为密集，但只有一部分拥有水库。这种情况适宜修建圆形蓄水池，并配备进水渠和排引水沟等配套设施。

蓄水池的选址具有灵活性，并且这种圆形蓄水池的受力条件好，相对封闭蓄水池其单位投资较小，并且因不设顶盖而易于建造较大容量的池子[10]。由于本地最冷月平均温度>5 ℃，修建蓄水池时不必使用钢筋混凝土模式，可采用砖砌，用水泥砂浆抹面的方式即可满足需求。将挖出的土培在周围，使池埂与地基结合紧密，池壁视情况可以是直立的,可以是有坡度的(土质地基),一般用浆砌条石衬壁和护底,并沿壁做成梯步。在软基上挖出的池子,蓄水池衬壁要考虑土压力作用而建成挡土墙[11]。蓄水池一般位于农用地的中上部位置，便于进水渠拦蓄雨季的坡面径流和实现水的自流灌溉。针对茶叶灌溉，可以铺设喷灌或者滴灌管道设备，其规模和数量，要根据农作物的分布、乡村居民的聚居地集水和用水情况、地质与安全等条件的实际情况来设计。蓄水池容积为30～100 m3不等。

3.3 工程的综合效益

3.3.1 经济效益

水利设施建成后，可保证本地区冬旱和春旱时期农作物的灌溉用水。其次，大大减轻了7月份伏旱时期水稻用水困难，提高水稻质量和产量。并且，可改善冬水田生产现状，做到冬种旱作、夏植水稻的一年两熟制，提高土地利用率，改善区域内农业生产布局，实现经济效益最佳。同时，完善的水利设施可节省劳动时间，使农民有更多的时间从事第三产业，提高农民收入。

3.3.2 生态效益

由于方山顶平、身陡的地形特性和亚热带季风气候降雨集中且多暴雨的特点，堰塘、蓄水池和引排水沟渠的综合实施将有效减小坡面径流对地表的冲刷，降低水土流失量，并且使田间肥力得到有效保护。地质公园内存在揽槽沟梓庆路滑坡隐患点、碑庙场镇国土所危岩、后山不稳定斜坡等易发生地质灾害的区域，通过降低水土流失量，可以减少方山边缘的崩塌、滑坡等地质灾害。

3.3.3 社会效益

通过改善千口岭地区的用水条件，增加了土地有效利用面积，提高了土地利用率和产出率，保证了粮食安全，节省了劳动力，节约了劳动时间，对于农民多渠道就业，社会稳定发展有促进作用。

3.4 实证分析

以地质公园内的将军湖及周边农田为例，将军湖面积约12 543 m2，库容量约28 848.9 m3，位于九大槽谷汇合处，地形中部低，四周高，高差30 m左右。虽然将军湖的水量多，但是水低田高，无法实现水的自流灌溉。将军湖附近水库规划方案及槽谷编号见图4，根据测量得知：湖面距离槽谷1#约96 m、槽谷2#约210 m、槽谷3#273 m、槽谷4#300 m、槽谷5#478 m、槽谷6#416 m、槽谷7#390 m、槽谷8#296 m、槽谷9#200 m、槽谷10#87 m，槽谷11#42 m、槽谷12#159 m。就目前来看，只有槽谷3#、槽谷4#、槽谷7#和槽谷12#有修建人工水库，暂时能够满足这4条槽谷的农田灌溉。槽谷11#距离湖面较近，能够直接引用湖水灌溉。其他槽谷中的梯田由于距离将军湖较远，高差较大，并且存在多级分支槽谷，靠人工浇灌或利用农用家庭式抽水机抽取湖水难以实现远距离灌溉，可在槽谷中修建梯级水库。水库具体的设计位置如图4中的蓝色图形所示。

图4 将军湖附近水库规划方案及槽谷编号Fig.4 Planning of reservoirs in the adjacent of Jiangjun Lake and number of trought valleys

阶梯水库的库容设计可参考有关文献及资料确定。文献[12]研究表明，达州地区水稻生育期需水量为300～350 mm,有效降水量为150～200 mm,净灌溉需水量为100～150 mm。根据实际情况，千口岭地区水稻的生育期的实际灌溉定额为140 mm,即1 405 m3/hm2。

由于塘堰没有水文站控制，工程控制点的来水量可通过其他流域的水文资料间接获得，对于这些水库采用简化计算法估算供水量即可，具体公式为

W=FM/η。

(1)

式中：W为水库的理论蓄水量，达到这一值才能满足水稻正常生长；F为灌溉面积；M为设计净灌溉定额；η为渠系水利用系数[13]。上述公式(1)适用于灌区保证率分别为50%和75%的情况。由于此地基本无灌溉水渠，采用自流灌溉、塑料输水带输水或者人力担水，水资源在运输途中损失较少 ，因此这里假设渠系水利用系数η为0.9。

堰塘设计库容量为

W’=W/0.8 。

(2)

式中：W’为设计库容量；0.8为容积系数；W为理论需水量。

按照“以需定供”的原则，根据每条槽谷内的灌溉面积计算出水稻的需水量和水库的设计库容量，如表1所示。

表1 将军湖附近堰塘设计库容量Table 1 Design capacity of weir ponds in the adjacentof Jiangjun Lake

根据库区水稻的实际用水量来设计堰塘库容量，避免出现“大需水量区域小库容，少需水量区域大库容”。

4 结 语

本文根据地质公园的具体情况，因地制宜，提出了塘堰、蓄水池等3种小型水利设施设计方案。实行“社区参与+政府引导”的模式、政府利用流域治理和土地整理项目对水利工程提供政策、资金支持，农民进行日常维护。工程实施后，可大大改善当地用水条件，农民能够更好地应对冬旱、春旱和伏旱等极端灾害天气，提高作物产量和质量，增加土地利用率，实现农业增收。四川省地形复杂，特别是川东北部的南充、达州、巴中、广元地区，遍布丘陵山川，集水、用水困难。如何解决此类地区的水资源蓄积是一个亟待解决的问题，本文可为川东北丘陵地区的水资源利用提供参考。