《水土保持工程学》课件-第二章 坡面集水蓄水工程

概述水窖涝池山边沟渠工程鱼鳞坑、水平沟和水平阶保水技术第二章坡面集水蓄水工程一水资源分布概况地区195019601970198019902000年比1980年减少的百分数非洲亚洲拉丁美洲欧洲北美洲206961050593731657980254302127616174925294514884421351332834l17545.735.3426.817.8第二章坡面集水保水工程——概述①多雨丰水带（即南方两广、江浙一带），年降水量大于l600mm，年降水日数为160d以上；②湿润多水带（包括秦岭南、长白山、淮河两岸），年降水量800～1600mm，年降水日数为120d以上；③半湿润过渡带（包括黄淮海、东北、晋、陕、甘、青东南、四川、新疆部分地区），年降水量400～800mm，年降水日数为80～l00d；④半干旱少水带（包括黄土高原及北方大部分旱农地区），年降水量为200～400mm，年降水日数为60～80d；⑤干旱干涸带（包括西北、内蒙古等地的荒漠地区），年降水量小于200mm，降水日数少于60d。第二章坡面集水保水工程——概述一水资源分布概况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—种技术措施。把较大范围上的降水聚集到小面积的农田上使用的一种方法。集水技术的另一术语是“雨量增值”或“降雨增效”这一术语指将非耕地里的降雨径流集中到耕地里使其获得足够的水分以种植作物。这样给耕地里的水要比直接接受的雨水多，因而雨量增值。径流农业或聚流农业，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。第二章坡面集水保水工程——概述二集水技术和径流农业定义：修建于地面以下并具有一定容积的蓄水建筑物叫水窖，水窖由水源、管道、沉沙、过滤、窖体等部分组成。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。第二章坡面集水保水工程——水窖一、水窖的定义与功能

水窖可分为井窖、窑窖、竖井式圆弧形混凝土水窖和遂洞形（或马鞍形）浆砌石水窖等形式。第二章坡面集水保水工程——水窖1-窖口；2-沉沙池；3-进水管；4-散盘；5-旱窖；6-胶泥层；7-玛眼；8-窖底二、水窖的类型井窖——井（40-50m3）,主要分布在黄河中游第二章坡面集水保水工程——水窖二、水窖的类型第二章坡面集水保水工程——水窖二、水窖的类型窑窖：窑窖按其所在的地形和位置可分为平窑窖和崖窑窖两类。平窑窖一般在地势较高的平台上修建，其结构形式与封闭式蓄水池相同（参阅封闭式蓄水池）。将坡、面、路壕雨水引入窑窖内，再抽水（或自流）浇灌台下农田。崖窑窖是利用土质条件好的自然崖面或可作人工剖理的崖面，先挖窑，然后在窑内建窖。主要在西北地区。第二章坡面集水保水工程——水窖

二、水窖的类型第二章坡面集水保水工程——水窖二、水窖的类型竖井式圆弧形混凝土水窖隧洞形浆砌石水第二章坡面集水保水工程——水窖二、水窖的类型第二章坡面集水保水工程——水窖三、水窖的规划与设计水窖的规划原则

1.在有水源保证的地方，修建水窖以分配（或调节）用水量，根据地形及用水地点，修建多个水窖，用输水管（渠）串联或并联运行供水。

2.在无水源保证的地方。可修建容积较大的水窖，其蓄水调节能力，一般应满足当地3～4个月的供水。第二章坡面集水保水工程——水窖水窖的设计1.设计原则（1）因地制宜，就地取材，技术可靠，保证水质、水量，节省投资。（2）充分开发利用各种水资源（包括现有水利设施），使灌溉与人畜饮水结合。（3）防止冲刷，确保工程安全。（4）为了调节水源，可将水窖串联联合运行。供饮水的水窖，一般要求人均3～5m3，兼有水浇地任务的是人均5～7m3，以l户1窖或3～5户联窖为宜2.设计所需材料3.工程布置原则（1）以饮用水为主的窖池，应远离污染源。（2）水源地（或调节池）应置于高位点，以便自压供水。（3）应避开不良地质地段。4.水源工程水窖的水源有雨水、泉水、裂隙水、山沟水、库水以及提水入窖（池）等。第二章坡面集水保水工程——水窖水窖的设计雨水作为水窖水源（集雨坪、集雨坪面积、集水池、拦山沟）水库作为水窖水源泉水、河水、裂隙水输配水工程净化设施第二章坡面集水保水工程——水窖水窖的设计第二章坡面集水保水工程——水窖水窖的设计已知：一家三口人，一头牛，两头猪，一亩玉米。每人每天需水114L/天，一头牛每天需水30L/天，一头猪每天需水20L/天，玉米生育期4个月需灌溉水150m3/亩。水窖复蓄两次。每个水窖容积为50m3，试确定水窖个数和集雨坪面积。

设计标准：按10年一遇1h最大降雨量计算。查图：1h暴雨平均值30mm，10年一遇模比系数为1.6.第二章坡面集水保水工程——水窖水窖总容积的确定

水窖总容积是水窖群容积的总和，应与其控制面积相适应。如果来水量不大，可设1～2个水窖；如果来水量过大，则应修水窖群拦蓄来水，水窖群的布置形式有以下几种：1.梅花形2.排子形水窖群第二章坡面集水保水工程——水窖窖址的选择（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，以黏性土壤最好，黄土次之。（3）在石质山区，多利用现有地形条件，在无泥石流危害的沟道两侧的不透水基岩上，加上修补，做成水窖。（4）窖址应便于人蓄用水和灌溉农田。第二章坡面集水保水工程——涝池一、涝池的定义与功能定义：以拦蓄地表径流为主而修建的。蓄水量在50～1000m3的蓄水工程，称为涝池。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、经济林果浇灌和人畜饮水需要，减轻水土流失。优缺点：技术简单，容易掌握，而且修筑省工，但涝池的蒸发量大，占地也较多，在干旱面蒸发量太大的地区，不宜修筑涝池。涝池——农村不该消失的湿地第二章坡面集水保水工程——涝池二、涝池的类型

按材料可分为土池、三合土池、浆砌条石池、浆砌块石池、砖砌池和钢筋混凝土池等按形式可分为圆形池、矩形池、椭圆形池等几种类型。此外，蓄水池还可分为封闭型和敞开式两大类。第二章坡面集水保水工程——涝池第二章坡面集水保水工程——涝池第二章坡面集水保水工程——涝池第二章坡面集水保水工程——涝池第二章坡面集水保水工程——涝池三、涝池位置的选择（1）有足够的来水量。（2）涝池池底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。第二章坡面集水保水工程——涝池四、涝池的规划

配套设施有：引水渠、排水沟、沉沙池、过滤池（有人畜饮水要求的蓄水池）、进水和取水设施（放水管或梯步）。第二章坡面集水保水工程——涝池四、涝池的规划蓄水池一般规划分布设在坡面水汇流的低凹处应尽量考虑少占耕地，来水充足，蓄引方便，造价低，基础稳固等条件房屋前后或道路旁的开敞式蓄水池环应加栏杆或围坪人畜饮水用的蓄水池一般为封闭式，确保用水清洁卫生和安全。第二章坡面集水保水工程——涝池五、涝池的布置形式平地涝池：修在平地的低凹处，一般是把凹处再挖深些，将挖出的土培在周围。结合沟头防护：在沟头附近适当距离处挖涝池，拦蓄坡面汇集的地表径流，防止沟头前进。第二章坡面集水保水工程——涝池开挖小渠将地下水引入涝池：沟底坡脚常有地下水渗出，给很多地方造成泥流及滑塌。可在附近挖涝池，并开小渠使地下水引入涝池，用以灌溉或人蓄饮用，也可避免塌岸。结合山地灌溉，开挖涝池（长藤结瓜式）：在山地渠道上，沿渠道两旁每隔适当的距离布置一个涝池，涝池与渠道连接处设立闸门，将多余的水蓄在池内，雨天蓄水，旱天灌溉。

连环涝池：就是沿水渠修若干个涝池，并联接起来，适应于地面起伏和道路曲折的地方，一般为方形或长方形，蓄水量可达10～15m3。五、涝池的布置形式第二章坡面集水保水工程——涝池六、涝池容积的计算矩形平底圆形

“U”字形椭圆形

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

一、沟渠工程的定义与功能定义为防治坡面水土流失而修建的截排水设施，统称坡面沟渠工程。坡面沟渠工程是坡面治理的重要组成部分。功能

1.拦截坡面径流，引水灌溉；

2.排除多余来水，防止冲刷；

3.减少泥沙下泻，保护坡脚农田；

4.巩固和保护治坡成果。

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

二、沟渠工程的类型

截水沟【interceptingditch】又称天沟，指的是为拦截山坡上流向路基的水设置的水沟。截水沟的出水口必须与其他排水设施衔接。(水平沟：顺坡隔一定距离修筑的等高截水沟

、沿山沟、拦山沟、环山沟、山圳以及梯田内的边沟、背沟；)，排水沟

(撇水沟、天沟、排洪沟；)用于排除地面或地下多余水量的沟或暗管，阳沟和暗沟蓄水沟

(水平竹节沟；)引水渠

(堰沟；)灌溉渠

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

1.坡面沟渠工程应与梯田、耕作道路、沉沙蓄水工程同时规划，并以沟渠、道路为骨架，合理布设截水沟、排水沟、蓄水沟、引水渠、灌溉渠、沉沙池、蓄水池等工程，形成完整的防御、利用体系。

2.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、中水中排或中用、低水低排或低用的原则设计。

3.在坡面上一般应综合考虑布设截排、引、灌溉渠工程。截水沟、排水沟可兼做引水渠、灌溉渠。三、沟渠工程规划与设计

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

规划原则

4.截水沟一般应与排水沟相接，并在连接处前后作好沉沙、防冲设施。

5.梯田区域内承接背沟两端的排水沟，一般垂直等高线布设，并与梯田两端的道路同向，土质排水沟应分段设置跌水。

6.截水沟和排水沟、引水渠、灌溉渠在坡面上的比降，应视其位置而定。

7.一个坡面面积较小的沟渠工程系统，可视为一个排、引、灌水块。

8.坡面沟渠工程规划还应尽量避开滑坡体、危岩等地带，同时注意节约用地，使交叉建筑物（如涵洞等）最少，投资最省。

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

规划原则

1.暴雨径流的设计

（1）设计标准：根据水土保持国家标准GB／T16453.1—16453.6《水土保持综合治理技术规范》2008，小型蓄排水引水工程中规定。防御暴雨标准，按10年一遇24h最大降雨量设计。（2）坡面径流量、洪峰流量与土壤侵蚀量的确定：以一次暴雨径流模数Mω（m3／km2）、设计频率暴雨坡面最大径流量（或设计洪峰流量）Q（m3／s）和年均土壤侵蚀模数Ms（t/km2）表示。设计

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

2.截水沟的容积尺寸

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

每道截水沟的容量（V）按下式计算：

V＝Vω+Vs

式中：V——截水沟容量，m3；

Vω——一次暴雨径流量，m3；

Vs——1～3年土壤侵蚀量，m3；

上式中Vω和Vs值按下式计算。

Vω=Mω×FVs=3M×F

式中：F——截水沟的集水面积，km3；

Mω——一次暴雨径流模数，m3／km2；

M——年均土壤侵蚀模数，t／km2；3、截水沟断面设计（1）截水沟断面设计公式

截水沟断面积根据设计频率暴雨坡面汇流洪峰流量，按明渠均匀流公式计算。式中：A2——截水沟过水断面面积，m2；

Q——设计坡面汇流洪峰流量，m3／s；

C——谢才系数；

R——水力半径，m；

i——截水沟沟底比降。

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

3、截水沟断面设计（1）截水沟断面设计公式Q值的确定R值的确定C值的确定（主要是糙率n的确定）i值的确定m值的确定灌水农渠断面结构示意图

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

排水干沟断面示意图

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

水平沟断面示意图

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

第二章坡面集水保水工程

——山边沟渠工程

（2）截水沟断面设计步骤A.一般断面形式设计公式：式中：h——过水断面水深，a——常数，a=0.58～0.94，一般采用0.76；

Q——设计洪峰流量，m3／s。B.水力最优断面设计公式：式中：h——过水深，m；

n——沟槽糙率；

Q——设计洪峰流量，m3／s

m——截水沟沟内边坡系数

i——截水沟沟底比降。第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶一、鱼鳞坑鱼鳞坑是陡坡地（45°）植树造林的整地工程，多挖在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筑水平沟，因而采取挖坑的办法分散拦截坡面径流。鱼鳞坑的布置是从山顶到山脚每隔一定距离成排地挖月牙形坑，每排坑均沿等高线挖，上下两个坑应交叉，互相搭接，成品字型排列第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶一、鱼鳞坑第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶一、鱼鳞坑第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶鱼鳞坑布置图（单位：mm）

第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶在坡面不平、覆盖层较厚、坡度较大的丘陵坡地，采用水平沟，即沿等高线修筑。用来拦截坡地上游降雨径流，使其变为土壤水水平沟的沟距和断面设计，应以保证设计频率暴雨径流不致引起坡面水土流失。水平沟容积比鱼鳞坑蓄水量大。为防止山洪过大冲坏地埂，每隔5～10m，设置泻洪口，使超量的径流导入山洪沟中。为使雨水在沟中均匀，减少流动，每隔5～10m，留一道土挡，其高度为沟深的1／2～1／3。二、水平沟第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶水平阶是沿等高线自上而下里切外垫，修成台面，台面外高里低，以尽量蓄水，减少流失，但其效果不如水平沟。在山石多、坡度大（10°～25°）坡面上采用。水平阶的设计计算类同梯田，如采用断续水平阶，实际相当于窄式隔坡梯田。阶面面积与坡面面积之比为l：l～4。可应用梯田的计算方法。第二章坡面集水保水工程

——鱼鳞坑、水平沟和水平阶三、水平阶

保水技术同集水技术一样，也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。保水技术就是在降雨量较少的地区或干旱季节，采取必要的技术措施，使仅有的天然降水尽可能地免于或减少蒸发、蒸腾或渗漏而引起的损失。这实际上也是“雨量增值”或“降雨量增效”的一个重要的内容。

第二章坡面集水保水工程——保水技术一、保水技术概述保水技术抑制水分蒸发

抑制水分蒸腾

减少水分渗漏

地面蒸发水面蒸发土壤渗漏水池渗漏

渠道渗漏农作物叶面蒸腾杂草蒸腾水库渗漏第二章坡面集水保水工程——保水技术（一）液态化学制剂脂族醇，例如十六醇，是细长的分子，在水面上能并排的排列，形成一个分子厚的一层盖在水面上的薄膜，可以阻止水分汽化，抑制水面蒸发。这种液态化学制剂只需极少量的材料，1hm2水面用量少于60g。它不限制氧气传入水中，其组成成分对鱼和人无毒，但易受风浪影响。二、抑制水面蒸发的技术第二章坡面集水保水工程——保水技术（二）石蜡蒸发抑制剂漂浮的石蜡板放在水面上，在太阳光下石蜡融化，伸展成一个柔软的连续薄膜，可以抑制水面蒸发。在美国亚里桑那州，一个贮水池的石蜡覆盖层用了4年，起蒸发抑制效率超过85%。（三）固态板用轻质水泥、聚苯乙烯、石蜡、橡胶和塑料等制成的固态板，覆盖水面可以减少产生蒸发的面积，为了克服抑制蒸发所引起的水体增温问题，选用绝热，浅色、能避免太阳能进入水体的反射材料来解决这个问题。二、抑制水面蒸发的技术第二章坡面集水保水工程——保水技术（四）沙、石填充法用沙和粗石填充贮水池和水库，把水贮存在沙、石粒之间的空隙中，水位保持在地表下30cm以上，可以避免水面蒸发。在美国亚里桑那州沙弗得附近建造的贮水池，就是塑料薄膜衬底和池壁，然后用粗石填满贮水池。这些粗石使小贮水池的体积减少约55%，但减少蒸发约90%。修造填沙坝：也是抑制水面蒸发的一种形式。这种沙坝可长时期的贮存水分，比露天贮水池贮存的时间长得多。在干旱年份也能提供水分，因为当水位降到沙面以下1m时，蒸发实际上就停止了。二、抑制水面蒸发的技术第二章坡面集水保水工程——保水技术三、抑制农用水池和渠道渗漏的技术农用水池和渠道的防渗技术一般都要首先采取措施压实土壤，以封闭土壤空隙。最简单的办法是用人工或畜力压实（如脚踩、打夯、牛羊踏实等），大的水池或水库可用轮式拖拉机压实。必要时还可用胶泥、黏土或1：5的石灰土铺在池底或搪在池壁，以形成防渗层。或在池内放入浅水，反复进行水耕水耙，把水搅浑，使细泥沉降并填塞于土壤孔隙之中，以减低渗漏。现代工业技术提供了很多廉价防水材料，可以阻止贮水、输水工程的底、壁透水。第二章坡面集水保水工程——保水技术三、抑制农用水池和渠道渗漏的技术有一种商品胶质黏土。叫做“膨润土”，它的钠盐起絮凝作用，并且分散细小颗粒起封闭作用。一种良好的土壤大约需要膨润土5kg／m2，沙土则需高达20kg／m2。还有一些化学制剂，如聚乙烯和聚丙烯塑料薄膜及丁烯橡胶、塑料布、塑料纤维或玻璃纤维，增强的沥青和水泥等材料，也可用于水池和渠道防渗。第二章坡面集水保水工程——保水技术三、抑制农用水池和渠道渗漏的技术现代欧美许多国家，异丁橡胶越来越多地被用来铺补水库、沟渠和蓄水池，它坚固、耐久、抗风化和虫害。但用于防渗成本较高。水泥质的材料，例如掺用水泥加固的土壤，钢丝网水泥和用水泥填充的纤维制品，用作防渗材料，在国内外应用也很普遍。第二章坡面集水保水工程——保水技术四、抑制农田水分渗漏的技术（一）建造人工地下挡水层

地下挡水层的建造方法，就是在土壤耕层以上的适当深度处，即土表以下60～70cm处用抗水材料组成的连续薄膜铺置。在有排水需要的地方，隔一定距离（每排150m左右）需留间隙，以利排水。地下挡水层所用的挡水材料基本上都是用沥青做成的。任何耐用的、不透水的材料都可使用。在目前条件下，地下挡水层比较多的用在收益高的作物上。在美国利用机器铺设挡水层的成本为625.5～750美元／hm2。因此，只适用于栽培价值较高的作物和供水短缺以及不用此法就不能利用的土壤。

第二章坡面集水保水工程——保水技术四、抑制农田水分渗漏的技术（二）施用改土物