第二章 坡面集水保水工程.docx

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第二章坡面集水保水工程

第二章坡面集水保水工程

第一节概述

2.1.1我国水资源的特点

1）人均水资源占有量偏少

   中国水资源总量仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位。

水资源总量不算少，但因中国人口众多，根据1997年人口统计，我国人均水资源量为2200立方米，仅为世界人均水资源量平均值的1/3左右。

据联合国可持续发展委员会等7个有关组织于1997年对世界153个国家和地区的统计，我国人均水资源量排在世界第121位。

1993年“国际人口行动”提出的“持续水—人口和可更新水的供给前景”报告认为：

人均水资源量少于1700立方米为用水紧张（waterstress）的国家；人均水资源量少于1000立方米为缺水（waterscarcity）的国家；人均水资源量少于500立方米为严重缺水国家（absolutescarcity）。

到21世纪中叶，我国人均水资源量将接近1700立方米，进入用水紧张的国家行列。

   2）水资源在地区上分布极不均匀

   中国的降水量和年径流深受海陆分布、水汽来源、地形地貌等因素的影响，在地区上分布极不均匀，总趋势为从东南沿海向西北内陆递减。

按照年降水量和年径流深的量级，可将全国划分为5个地带。

   1、多雨——丰水带

   年降水量大于1600mm,年径流深超过800mm。

包括浙江、福建、台湾、广东的大部分，广西东部、云南西南部和西藏东南隅，以及江西、湖南、四川西部的山地。

这一带降水量大，雨日多，为我国主要双季稻产区和热带、亚热带经济作物区。

植被主要为亚热带长绿林及热带、亚热带季雨林等

   2、湿润——多水带

   年降水量800~1600mm，年径流深200~800mm。

包括沂沭河下游和淮河两岸地区，秦岭以南汉江流域，长江中下游地区，云南、贵州、四川、广西的大部分以及长白山地区。

这一带夏季高温多雨，农作物生长期较长，盛产水稻、小麦、油菜等，为我国主要农作区。

植被主要为混交林，以落叶林、耐旱的长绿林和竹类等组成。

   3、半湿润——过渡带

   年降水量400~800mm，年径流深50~200mm。

包括黄淮海平原，东北三省、山西、陕西的大部分，甘肃和青海的东南部，新疆北部、西部的山地，四川西北部和西藏东部。

该地带降水集中在夏秋季，变率大，容易遭受旱涝威胁，是我国主要旱作农业区。

植被主要为夏绿林，也混有旱生的针叶林等，在降水少的地区，呈现森林草原景观。

   4、半干旱——少水带

   年降水量200~400mm，年径流深10~50mm。

包括东北地区西部，内蒙古、宁夏、甘肃的大部分地区，青海、新疆的西北部和西藏部分地区。

这一地带气候干燥，降水量偏少，农作物一般需要灌溉补充水量，大部分地区以生长草类为主，为我国主要牧区。

中、高山有森林分布。

   5、干旱——干涸带

   年降水量少于200mm，年径流深不足10mm，有面积广大的无流区，包括内蒙古、宁夏、甘肃的荒漠和沙漠，青海的柴达木盆地，新疆的塔里木盆地和准噶尔盆地，西藏北部的羌塘地区。

该地带降水稀少，属于没有灌溉就没有农业的地区。

植被很少，仅有稀疏的小灌木，大部分是荒漠。

   3）水资源补给年内与年际变化大

 受季风气候影响，我国降水量年内分配极不均匀，大部分地区年内连续4个月降水量占全年水量的60%-80%。

也就是说，我国水资源中大约有2/3左右是洪水径流量。

我国降水量年际之间变化很大，南方地区最大年降水量一般是最小年降水量的2~4倍，北方地区为3~8倍，并且出现过连续丰水年或连续枯水年的情况。

降水量和径流量的年际剧烈变化和年内高度集中，是造成水旱灾害频繁、农业生产不稳定和水资源供需矛盾十分尖锐的主要原因，也决定了我国江河治理和水资源开发利用的长期性、艰巨性和复杂性。

4）水土资源区域分布与生产力布局不相匹配

我国水资源南多北少，相差悬殊，与人口、耕地和生产力的分布不相适应。

根据1997年资料统计，将全国十个流域分区合并成南方、北方与西北内陆三个明显不同的类型区，进行水、土资源，生产力组合条件的比较，参见表8。

   1、南方片

   我国水资源有80.4%分布在长江流域以及以南地区，而该地区的人口占.全国53.6%，耕地占35.2%，GDP占全国55.5%。

人均水资源量3481立方米，亩均水资源量4317立方米，属于人多、地少、经济发达、水资源相对丰富的地区。

   2、北方片

   长江流域以北地区，人口占全国44.3%，耕地占59.2%，GDP占42.8%，水资源仅占14.7%。

人均水资源量747立方米，亩均471立方米，属于人多、地多、经济相对发达、水资源短缺的地区。

黄淮海三流域尤为突出，三流域耕地占全国的39.1%，人口占34.7%，GDP占32.4%，而水资源仅占7.7%。

三流域人均水资源量500立方米，亩均少于400立方米，是我国水资源最为缺乏的地区。

   3、内陆河片

   内陆河片土地面积337万km2，约为全国的35%，水资源总量1300亿立方米，占全国的4.9%。

该地区耕地面积占全国的5.6%，人口占2.1%，GDP占1.7%。

虽然人均水资源量达到约4876立方米，亩均约1600立方米，但干旱区的沙漠绿洲生态需要大量水份维系其脆弱的稳定性，使进一步开发利用水资源受到生态环境需水的制约。

   注：

1、内陆河包括额尔齐斯河

       2、东南沿海诸河不包括台湾诸河在内

       3、带*号的人均水量和亩均水量是扣除了黄河必须保证的200亿立方米冲沙水量后的数值。

       4、1997年全国人口12.36亿（包括港澳台在内为12.67亿）。

       5、耕地面积采用1993年数据。

2.1.2集水技术与径流农业

集水技术：

集水技术是在干旱地区充分利用降水资源为农业生产和人畜生活用水服务的一种技术措施。

为了增加土壤的蓄水量，只有通过减少地表径流，抑制土壤无效蒸发，才能达到预期的目的。

集水技术是干旱地区发展径流农业的基础。

所谓径流农业，就是充分利用现有的降水资源和径流资源把集水技术与农业生产相结合的农业生产技术的总称。

2.2水窖

（1）定义

修建于地面以下并具有一定容积的蓄水建筑物，由水源、管道、沉砂池、窖体等组成。

（2）功能

拦蓄雨水和地表径流；

提供人畜饮水和旱地灌溉的水源；

减轻水土流失。

（3）我国常见水窖的类型及适用地区

井窖：

在黄河中游地区分布较广。

主要由窖筒、旱窖、散盘、水窖、窖底等部分组成。

窑窖：

与西北地区群众居住的窑洞相似，其特点是容积大，占地少，是施工安全，取土方便，省工省料。

窑窖容积一般为300-500m3。

竖井式圆弧形混凝土水窖，云南省魏山彝族回族自治县。

隧洞型浆砌石水窖，贵州毕节地区。

（4）水窖的规划与设计

规划主要任务：

根据雨水资源、生产生活用水合理确定工程规模；

合理布设集雨场、蓄水建筑物和附属设施。

规划的主要原则：

因地制宜

实现多目标利用

与当前农村管理体制相适应

突出效益的发挥

多渠道筹资

基本资料的收集：

地形地貌资料：

包括工程所处的位置、高程、高差。

一般单个小型雨水集蓄工程不需要地形图，但大型的、多个雨水集蓄工程要有1/500的地形图。

水文气象资料：

降雨资料主要是多年平均降水量（保证率为50%、75%、95%），一般选用最近的雨量站的近期资料，资料年限不少于10年；当地无资料时，可利用有关公式估算。

气象资料包括年平均气温、日照、无霜期及冻土层厚度等。

集雨设施资料：

对当地适宜作集雨场的庭院、场院、道路、胡同、屋顶、天然坡地等的面积进行量测，并收集相关集雨面的集雨效率数据。

对工程控制范围内已建成的雨水集蓄工程使用状况进行调查。

土壤资料：

对工程实施点的土壤质地、容重、田间最大持水量、渗透系数、酸碱度及有机质含量等资料进行收集。

其他资料：

对工程受益的人口和大小牲畜数进行调查，并对今后5-10年内的发展做出预测，对建筑材料应调查数量及分布地点。

雨水集蓄工程规划

一、年集水量计算

全年单位集水面积上可集水量按下式计算。

W=EYRP/1000

RP=KPP

PP=KPPO

W—保证率等于P的年份单位集水面积全年可集水量，m3/m2;

EY—某种材料集雨面的全年集雨效率，以小数点表示，由于集雨材料的类型、各地降雨量及其保证率的不同，全年的集雨效率也不同，要选用当地的实测值，若资料缺乏，可参考类似地区集雨效率；

RP—保证率等于P的全年降雨量，mm；

PP—保证率P的年降水量，mm；

PO—多年平均降水量，mm；

KP—根据保证率及CV值（降水量离差系数）确定的系数，用小数表示，

K—全年降水量与降水量之比值，用小数表示；

二、用水量计算

用水量包括灌溉用水量和生活用水量。

在庭院、场院附近的水窖，往往灌溉和生活用水同时考虑，较远处田边的蓄水设施，一般只考虑灌溉用水。

三、集雨场规划

（1）庭院、场院和屋面集雨

（2）道路、胡同集雨

（3）大田集雨

（4）温室顶部、大棚棚面集雨

（5）塬坡坡面上部集雨

（6）塬坡冲沟集水

四、蓄水工程规划

蓄水工程包括水窖、水池、涝池、塘坝等类型，要根据当地的地形、地貌、土质、集雨场状况及蓄水用途进行合理规划布置。

用于解决生活用水和庭院经济用水的蓄水设施，一般应选择在庭院内、远离厕所、地势较低的地方，以保证水质的卫生和取水方便。

用于解决灌溉用水的蓄水设施应尽量建在比灌溉田块高的地方，以便实现自压灌溉。

五、水窖的选址

（1）有足够的水源

（2）有深厚而坚硬的土层，水窖一般应设在质地均匀的土层上，以粘性土壤最好，黄土次之。

（3）在石质山区，多利用现有的地形条件，在无泥石流危害的沟道两侧的不透水基岩上，加上修补，作成水窖。

（4）窖址应便于人蓄用水和灌溉农田。

六、水窖容积的设计

根据水量平衡的原理和技术，按照经济合理的原则确定水窖的容积。

水窖容积主要根据地形、土质、用途、当地经济水平、技术能力、施工条件等综合确定。

（1）根据选定的窖型确定水窖的容积

（2）根据地形土质条件确定水窖的容积

（3）根据用途确定水窖的容积

（4）根据经济条件和投入确定水窖的容积

2.3蓄水池

（1）定义：

以拦蓄地表径流为主而修建的，需水量在50-1000m2的蓄水工程。

（2）功能：

拦蓄地表径流，充分和合理利用自然降雨或泉水，就近供耕地、经济林果灌溉和人畜饮水需要，减轻水土流失。

（3）蓄水池的类型

根据材料可分为土池、三合土池、浆砌石池、砖砌池和钢筋混凝土池等，按形状可分为圆形池、矩形池和椭圆形池。

（4）蓄水池位置的选择

有足够的来水量

蓄水池底部稍高于被灌溉的农田地面，以便自流灌溉。

能离沟头、沟边太近，以防渗水引起坍塌。

（5）蓄水池的布置形式

平地涝池

结合沟头防护

开挖小渠将地下水引入涝池

结合山地灌溉，开挖涝池

连环涝池

（6）水窖和蓄水池正常运行的要求

蓄水渗漏量小。

在平水年，保证正常蓄水，使水窖和蓄水池的重复利用系数达到1.5-2.5。

水窖和蓄水池内淤积量较小，当年淤积泥沙不超过水窖容积的20%。

保证水窖内常年有水，使水窖水位不低于0.2m。

（7）水窖的养护

蓄水时的管护

下雨前要及时清理集水渠、沉砂池、清除拦污栅前的杂物，疏通进水管。

窖水蓄至设计水深时，及时关闭进水口，防止超蓄造成窖体坍塌。

日常管护

定期检查维修水窖，经常保持水窖完好无损。

使窖内平时至少蓄水深0.2米，保持窖内湿度，避免干湿交替使防渗层脱落。

平时窖口应加盖上锁，保证水质的安全、干净、卫生。

当淤泥深度达0.5米以上时，要及时清淤。

（8）蓄水池的养护

蓄水时的养护

蓄水前及时清理集水渠、沉砂池、清除拦污栅前和池中杂物，疏通进水管，坡面蓄水池应在沉砂池前布设挡水墙，防止山洪从池顶漫入池内。

池水达到设计水位时，及时关闭进水口，防止池水漫顶。

日常管护

定期检查维修水池，使水池完好无损。

开敞式蓄水池于秋季灌水后及时排除池中积水，冬季要打扫池内积雪，防止池体冻胀破裂或防渗层脱落，封闭式蓄水池冬季应对池顶采取防冻措施。

及时清除沉砂池和水池中淤泥，待池水用完后，及时采用人工方法清除淤泥。

2.4坡面沟渠工程概述

（1）定义

为防治坡面水土流失而修建的截排水设施，统称为坡面沟渠工程。

（2）功能

拦蓄坡面径流，引水灌溉；

排除多余来水，防止冲刷；

减少泥沙下泻，保护坡脚农田

巩固和保护治坡成果。

（3）坡面沟渠工程的类型

截水沟、水平沟、山边沟

排水沟、排洪沟

（4）坡面沟渠工程的规划原则

坡面沟渠工程应与梯田、耕作道路、沉砂蓄水工程同时规划，并以沟渠、道路为骨架，合理布设截水沟、排水沟、排洪沟等，形成完整的防御、利用体系。

根据不同的防治对象，因地制宜确定沟渠工程的类型、数量，并按高水高排或高用、中水中排、低水低排的原则设计。

在坡面上一般应综合考虑布设截、排、引、蓄、灌溉工程。

截水沟一般应与排水沟相接，并在连接处前后做好沉砂、防冲设施。

截水沟和排水沟、引水渠、灌溉渠在坡面上的比降，应视其截、排、用水去处的位置而定。

坡面沟渠工程的规划应尽量避开滑坡体、危岩等，同时注意节约用地，使交叉建筑物最少，投资最省。

2.5截水沟

v定义：

在斜坡上每隔一定距离横坡修筑的具有一定坡度的沟道。

v功能

™截短坡长、阻截径流，减免径流冲刷

™将分散的坡面径流集中起来，输送到蓄水工程或直接输送到农田、草地或林地

™与等高耕作、梯田、沟头防护等措施结合，对保护其下部的农田、防止沟头前进，维护村庄和公路、铁路的安全有重要作用。

v截水沟布置：

截水沟间距确定（间距随坡度增大而减小）

v截水沟断面设计（纵坡确定、设计洪峰流量、过水断面确定）

v底坡的确定

决定于地面坡度和土质

满足不冲不淤流速要求

底坡的确定与断面设计互为依据、相互联系

v断面尺寸确定

明渠均匀流公式：

Q=C.A（Ri）1/2

v洪峰流量计算：

Q=K×Im×Fn

v设计步骤

假设横断面h或b

计算流速v，判断是否属不冲不淤流速，校核流量

否则，改变断面尺寸，重新设计

截水沟的结构与构造

一般截水沟采用浆砌石结构，梯形断面，过水流量较小时可采用矩形断面。

2.7鱼鳞坑、水平沟、水平阶、山边沟

（1）鱼鳞坑的定义:

陡坡地植树造林的整地工程，多挖在土石山区较陡的梁峁坡面上，或支离破碎的沟坡上。

由于这些地区不便于修建水平沟，因而采取挖坑的办法分散拦截坡面径流。

（2）功能

坡面修建鱼鳞坑有两种状态，一种是当降雨强度小，历时短时，鱼鳞坑不可能漫溢，鱼鳞坑起到了完全切断和拦截坡面径流的作用；另一种是当降雨强度大，历时长时，鱼鳞坑要发生漫溢，因鱼鳞坑的埂中间高两边低，这样就保证了径流在坡面上往下运动时不是直线和沿着一个方向运动，从而避免了径流的集中，坡面径流受到了行行列列的鱼鳞坑的节节调节就使径流冲刷能力减弱。

（3）水平沟

沿等高线修筑的沟底水平的蓄水沟。