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水土保持工程学杨文利主讲绪论水土流失与水土保持我国水土流失状况及其危害水土保持的成就与作用水土保持的基本原则水土保持工程学的研究对象和内容水土保持工程发展简史水土保持工程学与其他学科的关系水土流失与水土保持水土流失（waterandsoilloss)：在水力、风力、重力等外营力的作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失。包括土地表层侵蚀及水的损失，也称水土损失。水土保持(waterandsoilconservation)：防治水土流失，保护、改良与合理利用山丘区和风沙区水土资源，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事业。水土保持工程学：应用工程原理，防治山区、丘陵区、风沙区水土流失，保护、改良与合理利用水土资源，以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科学。我国水土流失的现状及危害我国水土流失现状椐水利部遥感中心调查统计，全国土壤侵蚀面积达492万km2，占国土面积的51%，其中轻度以上水蚀面积179万km2，风蚀面积188万km2，冻融侵蚀125万km2。水土流失危害破坏土地吞食农田降低土壤肥力，加剧干旱发展淤积抬高河床，加剧洪涝灾害淤塞水库湖泊，影响开发利用水土保持的成就与作用水土保持的作用增强蓄水能力，提高降水资源的有效利用消洪增枯，提高河川水资源的有效利用率对河川年总径流量的影响控制土壤侵蚀，减少河流泥沙改善水文环境，保护水质促进区域社会经济可持续发展水土保持的成就几个阶段：1980年小流域综合治理、1991年水土保持法的颁布、1992年市场经济的提出、1996年城市水土保持、1997年退耕还林、生态环境建设的提出（西部大开发）、2003年（振兴东北老工业基地）水土保持工程研究对象与内容研究对象：山丘区及风沙区保护、改良与合理利用水土资源，防治水土流失的工程措施。水土保持工程的内容坡面工程沟道工程山洪排导工程小型蓄水用水工程水土保持工程发展简史我国水土保持工程的发展历史悠久公元前956年中国就有“平治水土”的记载战国末期（公元前221年）“高低畦田整地”梯田早在汉代已经出现淤地坝在黄河流域也有400年的历史引洪漫地，距今已有2000多年国外水土保持工程的发展欧洲文艺复兴以后，采取以恢复森林为中心的复旧工程奥地利1884年，总结出了一套防治荒溪侵蚀的森林-工程措施体系1928年，日本的砂防工学20世纪30年代，美国教授贝勒特创立土壤保持学第二章坡面集水保水工程集水技术（雨水集蓄工程）简介水窖的设计蓄水池的设计截流沟水平阶、水平沟保水技术我国水资源的特点水资源的总量不少，但人均、单位面积占有量少，人均为世界人均水量的1/4。水资源地区分布不均匀，与人口、耕地分布不适应，南方水多地少，北方地多水少。北方旱区水资源总量只占全国的14.4%，水资源的匮缺是一个严峻的问题，特别的北方的干旱地区问题更严重。雨水集蓄工程概述是指人工对降雨进行收集、汇流、蓄存并进行调节利用的微型水利工程。一般由集雨系统、输水系统和蓄水系统组成集雨系统：收集雨水的场地，可以是庭院、屋面、道路、胡同和大田等，也可以是采用防渗材料铺砌的地面输水系统：输水沟和截流沟，其作用是将集雨场中的雨水收集起来并输送到沉沙池。蓄水系统包括蓄水建筑物及其附属设施蓄水建筑物主要是水窖（窑）和蓄水池主要的附属设施有沉沙池、拦污栅、进水管、消能设施、窖口平台水窖的功能与类型水窖的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水窖的类型井窖窑窖（挖窑式、屋顶式）竖井式圆弧型混凝土水窖隧洞型浆砌石水窖雨水集蓄工程规划（一）规划的主要任务根据雨水资源、生产生活用水情况，合理确定工程的规模合理布设集雨场、蓄水建筑物和附属建筑物工程投资估算、效益分析规划的主要原则因地制宜，选用合适的集雨场和蓄水建筑物的形式实现多目标利用与当前农村管理体制相适应突出效益发挥雨水集蓄工程规划（二）基本资料的收集水文计算（来水量、用水量、水量平衡计算、确定蓄水工程的数量和容积）集雨场规划蓄水工程设计（选址、容积设计、结构设计、工程量计算）配套设施设计投资估算、效益分析蓄水池的规划设计定义：用以拦蓄地表径流为主，蓄水量在50~1000m3蓄水工程。功能：拦蓄地表径流、减轻水土流失、人畜饮水和灌溉。类型圆形、矩形封闭式和敞开式布置形式：平地涝池、结合沟头防护、沟底坡脚布置、连环涝池选址：村旁、路边、梁峁坡和沟头上部水窖、蓄水池的管护水窖和蓄水池正常运行的要求蓄水渗漏量小水窖和蓄水池内淤积量较小（20%）保证水窖内常年有水，水窖水位不低于0.2米管护蓄水时的管护:清淤、清理杂物、疏通进水管日常管护：定期检查维修水窖（蓄水池），使其完好无损。山边沟在坡面上沿等高线方向，每隔适当距离修建的浅三角形沟。山边沟原是美国实行的一种坡面水土保持措施，1956年廖绵睿将此措施引入台湾省。水平竹节沟在坡面上沿等高线开挖蓄水水平沟，沟内每隔一定距离培筑横向挡水土堤，水平沟截成竹节样的长方形蓄水坑，分段拦蓄雨水和坡面径流，在平面上看，又酷似隔坡如剖开的楠竹，在综断面上看，有酷似隔坡梯田。水平沟是干旱、半干旱丘陵山区一种很重要的造林整地措施。水平竹节沟，由于其上方坡段要退耕种草或栽植林灌，径流将大为消减，因而水平沟的蓄水容积Q可按拦蓄10年一遇的3h暴雨标准来设计，即Q=F(h-f)+LBha+U1+Fh0式中，F为每个竹节的沉雨面积；h为10年一遇3h暴雨量；f为竹节形水平沟内土壤入渗水量；L为二水平沟间的斜坡长度；B为竹节的宽度；a为径流系数；U1为水平沟每竹节宽度坡面上3年累计冲刷下来的土量；h0为水平沟蓄水埂安全超高。截流沟设计（一）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。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。截水沟布置：截水沟间距确定（间距随坡度增大而减小）截水沟断面设计（纵坡确定、设计洪峰流量、过水断面确定）截流沟设计（二）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、相互联系断面尺寸确定明渠均匀流公式：Q=C.A（Ri)1/2洪峰流量计算：Q=K×Im×Fn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，重新设计第三章梯田梯田的发展历史梯田的分类水平梯田隔坡梯田坡式梯田（一）水平梯田梯田附属建筑物规划坡面蓄水拦沙设施规划梯田区的道路规划灌溉排水设施的规划（二）隔坡梯田定义优点隔坡梯田的优化设计隔坡梯田定义隔坡梯田是根据拦蓄利用径流的要求，在一个坡面上修建的每一台水平梯田，其上方都留出一定面积的原坡面不修，坡面产生的径流拦蓄于下方的水平田面上。这种平、坡相间的复式梯田布置形式，叫做隔坡梯田。水平梯田与间隔的自然坡面占地之比称为平坡比。隔坡梯田的优点修筑省工。据尹传淞等人的实验，一般修建每公顷连台水平梯田需用工727个，而修建隔坡梯田仅150-255个。利于实施径流农业，防旱、抗旱。隔坡梯田的水平田面除承纳自身的雨水之外，还能拦蓄上方坡地的来水和泥沙，增加土壤水分、养分。根据延安水土保持研究所1982年的调查，隔坡梯田的拦泥效益在94.1%以上。根据尹传淞连续3年在5-10月逐旬测定结果，水平田面1m深土层内的土壤水分含量比坡地增加了3.3%-12.2%。水平田面的作物产量比一般坡地能增加22%-111%。兰州水土保持实验站观测表明，平坡比为1:3的隔坡梯田水平田面的小麦产量比连台水平梯田增产13.3%-106.4%，比坡耕地增产91.9%-133.3%。隔坡梯田水土保持效益处理径流量冲刷量效益%mm%t/km2%减少径流减少泥沙坡耕地53.210019660100//平坡比1:14.48.3190.191.799.9平坡比1:24.528.51150.691.599.4平坡比1:312.0522.75152.677.397.4注：引自尹传淞等人1983年的观测资料。隔坡梯田的优化设计平坡比的选定是隔坡梯田设计中的主要矛盾。以水沙平衡基本原理设计隔坡梯田断面隔坡梯田坡段部分产水、产沙量的估算处理频率/%一次最大净径流量/mm频率/%一次最大净径流量/mm年最大冲刷深度/mm第一种情况109.55155.5第二种情况1021.052812.0陕北黄土丘陵区不同频率下一次降雨最大净径流量与全年最大冲刷深度平坡比m=B/l=nh/(a-a0)第一种情况第二种情况地面坡度水平梯田面宽隔坡长度平坡比蓄水埂高度水平梯田面宽隔坡长度平坡比蓄水埂高度518.054.01:30.3018.027.01:1.50.301012.036.01:30.3012.018.01:1.50.30158.525.51:30.308.512.81:1.50.30206.516.31:2.50.306.56.51:10.30255.012.51:2.50.305.05.01:10.30陕北黄土丘陵区隔坡梯田断面规格参考值以农业系统工程设计隔坡梯田断面影响隔坡梯田优化设计的三个主要因素：地面坡度、平坡比和坡段土地利用方式以控制水土流失增加作物产量为主要目标建立目标计算结果黄土高原丘陵沟壑区第二副区，平坡比宜为1:2~1:3，坡段的土地利用方式可考虑水平阶种草、水平沟种草、密丛草地或草粮等高带状间作来选配。长城沿线的干旱、半干旱长梁缓坡类型区，平坡比可大于1:3。（三）坡式梯田在较为平缓的坡地上沿等高线构筑拦水拦泥土埂，埂间仍维持原有坡面不动，借雨水冲刷和逐年耕翻，使埂间坡面渐渐变平，最终成为水平梯田。地埂拦蓄量可按最大一次暴雨径流深、年最大冲刷深与多年平均冲刷深度之和进行计算。地埂培修好后应逐年加高，一般每三年见高一次。黄土高原坡式梯田规格参考田面坡度/(°)梯田间距/m埂高/m侧坡底宽/m内外内外3400.300.471:01:0.23.45200.310.481:51:0.21.910150.430.731:31:0.21.715100.560.921:21:0.21.52080.661.021:11:0.21.1土方量计算（一）方格网法方格网法适用于比较复杂的地形，在田块平面形状比较方正的情况下，测量计算都比较方便，而且精度高。具体步骤打桩：在要测量的梯田田块内，划分成10-20米见方的方格，各方格顶点用木桩标定。整桩：在地面起伏不平的地块上，会有个别桩点的高程不能代表它周围地面的高程，进行调整。测量：按各个木桩编号顺序进行高程测量，并作记录，读数到厘米即可。计算①田块的平均高程②各桩点的设计高程③挖填深度④挖填土方量⑤确定开挖线土方量计算（二）散点法适用于地形虽有起伏，但变化比较均一，不太复杂的地形。散点法的特点是测点位置不受限制，可以根据地形情况，布置测点，求平均高程方法简便。具体步骤打桩：选择地面上的特征点打桩测量高程计算地面的平均高程Ha计算挖填土方总量土方平衡计算开挖线调整土方量计算（三）纵断面法第四章山坡固定工程斜坡：向一个方向倾斜的地段。斜坡有多种分类方式，例如可根据成因、岩土性质、边坡高度等。边坡的破坏类型（浅层破坏）剥落、落石、崩塌、堆塌、表层溜塌、风化剥落、错落、坡面浅层滑坡影响边坡稳定的因素岩土性质、岩体结构、水的作用、风化作用、地形地貌、地应力、人为因素边坡稳定的工程措施采用支挡结构稳定边坡坡面防护的工程措施表土的固定及改良方法边坡的排水工程设计坡顶排水沟平台排水沟纵向排水沟涌水处理表土的固定及改良方法表土固定方法工程方法