本发明属于砒砂岩区的水土治理技术领域，具体涉及一种砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理方法及系统。
背景技术：
黄河下游河道淤积的大量泥沙大部分都来自于黄河粗泥沙集中来源区的1.88万平方公里，主要覆盖于内蒙古鄂尔多斯高原的砒砂岩地区，该地区是一种特殊的地貌结构，红白相间，主要分布在以晋陕蒙接壤区为中心的区域。由于地表裸露，加上水蚀、风蚀及重力侵蚀相互作用，造成了当地极为严重的水土流失，成为黄河中游粗砂的主要来源。砒砂岩无水时坚硬如同岩石，遇水则极短时间内松软成泥，同时风蚀严重。由于该地区地形破碎，气候干燥，年降雨量小于400mm，植被稀少，地表土壤保水性差，生态系统极为脆弱。再加上当地暴雨集中，砒砂岩不耐水蚀，往往在雨季造成砒砂岩水土的大面积严重流失。
目前，砒砂岩区的水土治理措施主要是退耕还林、自然修复和人工种植林地。多集中在梁卯坡上，针对沟坡、沟道内的治理方法较少，且缺少系统的整个不同空间上的配置技术。然而，砒砂岩整个梁卯顶—沟坡—沟道系统中，地表径流、溯源侵蚀、泥沙输移造成的侵蚀密不可分。目前，沟坡上裸露严重，受风蚀、水蚀、重力侵蚀等，往往存在大面积的砒砂岩坍塌现象，尚无很好的经济合理的治理办法；而沟道内为雨水汇集处，水流往往携带大量泥沙流走，而无法形成有效拦截，造成水土流失。较小汇流面积的沟道内没有工程措施，把口地方的布设的大型淤地坝由于当地的砒砂岩的特性无法长久使用。
申请号“201510767480.9”的中国发明专利申请，公开了“一种适用于砒砂岩小流域的抗蚀促生二元立体配置模式”，采用了种植植被、喷施W-OH系列高分子固化材料、铺设柔性网格以及设置滚水坝等多种技术手段对砒砂岩小流域进行综合治理，取得了一定的进展，但是其仍存在不够系统、治理效果仍然不佳、搭建的生态脆弱易崩溃等缺陷。
专利号“201410011052.9”的中国发明专利，公开了“一种砒砂岩坡面治理方法”，采用针对不同坡度的坡面进行分别处理的方法，在坡面的治理方面取得了一定的进步，但是其仍未解决砒砂岩支沟流域的整体水土流失问题。
综上所述，一种能够有效、稳定、系统、全方位的治理砒砂岩支沟流域水土问题的新技术亟待开发。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理系统。本发明的综合治理系统中采用植被生物以及抗蚀促生材料相结合，再加上空间工程技术，最终形成一个系统的砒砂岩支沟流域水土流失问题解决方案，达到稳定、高效、全方位的综合治理效果。本发明还相应的提供了采用本发明的综合治理系统对砒砂岩支沟流域进行综合治理的方法。
本发明所采用的技术方案为：
本发明首先提供了一种砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理系统，包括六项空间工程和空间植被系统：
第一项工程：在砒砂岩支沟流域的沟坡顶部设置截留储水渠，在截留储水渠的靠近沟坡的一侧设置截留梗；
第二项工程：在砒砂岩支沟流域的沟坡处重力侵蚀严重地区设置挡渣墙；
第三项工程：在砒砂岩支沟流域的毛细沟的出口处设置谷坊；
第四项工程：浇灌系统，用于对空间植被系统进行浇灌灌溉；
第五项工程：在砒砂岩支沟流域的支沟出口处设置径流泥沙观测站；
第六项工程：在砒砂岩支沟流域的主沟上设置淤地坝，所述淤地坝位于支沟出口处上游的主沟位置；
所述空间植被系统包括：在砒砂岩支沟流域的沟坡坡顶交叉混种的油松和山杏、在砒砂岩支沟流域的坡度35-70度的沟坡处种植的沙棘柠条和野牛草、在砒砂岩支沟流域的坡度小于35度的沟坡处种植的冰草、在砒砂岩支沟流域的沟底处种植的菌草以及在截留梗上种植的柠条。
作为优选方案，所述空间植被系统还包括在砒砂岩支沟流域的沟底处种植的由沙柳、沙棘和草木犀组成的植物柔性坝。
作为优选方案，所述第一项工程中：所述截留储水渠和截留梗设置于距离沟坡顶部沟缘线0.5米处的位置。进一步的，所述第一项工程中：所述截留储水渠的宽度为0.5-1m，深度为0.5-1m。进一步的，所述第一项工程中：所述截留储水渠内每隔5m设置一个挡水土埂，所述挡水土埂的上端距离所述截留储水渠上边缘的垂直距离为10cm；所述截留储水渠内每隔50m设置一个水窖，所述水窖的容量为5-10m3。
作为优选方案，所述第四项工程中，所述浇灌系统的水源来自于所述水窖和所述谷坊。进一步的，所述第四项工程中：所述浇灌系统还包括自动控制系统，所述自动控制系统检测土壤水分达到最低临界值时即控制所述浇灌系统对所述空间植被系统进行灌溉。
作为优选方案，所述第五项工程中：所述径流泥沙观测站内设置有测量径流流速的便携式流速仪、测量径流中泥沙含量的Run-off土壤水蚀测量系统和/或测量径流水深的暴雨排水监测系统。
作为优选方案，在砒砂岩支沟流域的坡度大于70度的沟坡处喷施设置有抗蚀促生W-OH材料层；所述挡渣墙、所述谷坊和所述淤地坝均由抗蚀促生W-OH材料制成。
在前述本发明提供的砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理系统的基础上，本发明还提供了一种砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理方法，所述综合治理方法采用前述本发明所述的综合治理系统对砒砂岩支沟流域进行综合治理，并且所述空间植被系统中在砒砂岩支沟流域的沟坡坡顶按照株行距3m交叉混种油松和山杏。
基于以上方案论述，本发明的有益效果为：
首先，本发明通过六项空间工程和搭建的空间植被系统，构成一个完整而系统的砒砂岩支沟流域水土流失解决方案，能够稳定快速高效的对砒砂岩支沟流域的水土问题进行综合治理。
其次，本发明中设置的截留储水渠可以截断小流域坡顶较平缓部分的水沙汇流，继而大幅削弱对沟坡的强烈冲刷形成的极强烈的重力侵蚀效应。
第三，本发明中可以将截留储水渠内的砒砂岩挖出堆叠形成截留梗，进而一步两用，实现了截留储水渠和截留梗的同步搭建，省时省力。
第四，本发明中增设的挡水土埂和水窖相互配合，在有降雨的情况下，降雨汇流至截留储水渠内。当降雨不大时截留储水渠即可将坡面汇流全部通过挡水土埂就地拦蓄，同时还可以对截流梗上的植被进行浇灌；当降雨量较大，截流储水渠已经蓄满时，汇流则可以漫过截留储水渠中的挡水土埂，继续汇流至水窖，水窖可以全部收集汇流，从而可以大大降低由于坡面汇流对沟坡的重力侵蚀影响。
第五，本发明中挡渣墙的高度和长度可按照重力侵蚀最大可能量来计算，本发明中的挡渣墙可由改性材料抗蚀促生W-OH材料制成，与以往的建筑相比有很大的不同，该改性材料挡渣墙可以做成条带状或者桥头堡状或任意形状，与当地景观融为一体，增强美观性。
第六，本发明中挡渣墙、谷坊和淤地坝均由改性材料抗蚀促生W-OH材料制成，无论是力学强度性能、耐水系数还是耐腐蚀性能均得到大大提高，可以满足各种建设标准要求，拥有更长的使用寿命周期，尤其是能够满足修建淤地坝对材料的要求。
第七，本发明中在砒砂岩支沟流域的坡度大于70度的沟坡处喷施抗蚀促生W-OH材料形成抗蚀促生W-OH材料层，进而可以防止陡峭坡面的砒砂岩剥落形成的严重重力侵蚀，同时也可以保持土壤水分促进植被生长。
第八，本发明中通过在砒砂岩支沟流域布设这种由空间工程、空间植被系统、改性材料共同形成的不同空间全方位的综合治理后，砒砂岩区支沟流域在两三年的时间内便可看到初步综合治理成效，即可为下游减沙提供强力支撑。
附图说明
图1是本发明中的砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理的结构示意图。
图中：1为主沟；2为淤地坝；3为径流泥沙观测站；4为植物柔性坝；5为毛细沟；6为谷坊；7为挡渣墙；8为气象站；9为抗蚀对比小区；10为支沟；11为水窖；12为坡顶油松山杏植被。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
如无特别说明，本发明中出现的术语皆遵照行业通常理解；本发明中，所选用仪器设备以及试剂原料皆为普通市售产品；本发明中所述的改性材料“抗蚀促生W-OH材料”通过与合作单位东南大学普通购买交易所得，该改性材料在东南大学作为申请人提交的申请号“201410011052.9”的中国发明专利申请中也有述及，并且通过普通市售交易可以购买得到。
实施例：
本实施例以一个处于内蒙古鄂尔多斯的砒砂岩小流域为研究对象。该小流域的治理包括几个步骤。首先第一年充分调研该小流域的基本情况，对小流域的地形地貌、沟道走向、流域面积、植被生长情况、阴坡阳坡、沟道比降等基本特征进行调查并记录在册，并建设两个典型全坡面小区为第二年的建设提供基本资料。小区一般建设为并排的两个小区，用经济可行的钢板进行围挡。小区的宽度一般各为5米宽，小区的坡度和长度按照典型坡面的实际长度实施，在坡顶处再往外延伸5米左右。在两个小区的底部设置有两个径流收集桶，可以收集天然降雨时的整个小区的径流泥沙样品的重量和体积以及平时只发生重力侵蚀时的泥沙重量和体积。该两个小区一个为原始小区，另一个为治理对比小区。因为原始的砒砂岩坡面重力侵蚀非常严重，为了解决观测如此大量的重力侵蚀情况，本发明的原始未治理对照小区较之通常的径流小区更加精确之处在于该侵蚀小区的底部铁皮挡板会随着滑落的砒砂岩堆积体的增加而随时加高，使得滑塌下来的砒砂岩颗粒不会溢出原始小区铁皮框架外，进而为精确观测重力侵蚀量以及形成强烈的可视化对比提供条件。其次，在小区旁边安装土壤水分观测采集远程传输系统和便携式自动气象站观测系统收集基础数据。第三，在该支沟小流域出口处建设一座把口站，观测降雨产流时该小流域的径流泥沙数据。有了以上第一年的基础数据和调研资料后，第二年可以开始大规模的小流域综合治理。
在第一年的初步基础资料研究掌握之后，本实施例采用了砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理系统开始对该小流域进行综合治理，结合图1所示，本实施例所述砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理系统包括六项空间工程和空间植被系统：第一项工程：在砒砂岩支沟流域的沟坡顶部设置截留储水渠，在截留储水渠的靠近沟坡的一侧设置截留梗；第二项工程：在砒砂岩支沟流域的沟坡处重力侵蚀严重地区设置挡渣墙；第三项工程：在砒砂岩支沟流域的毛细沟的出口处设置谷坊；第四项工程：浇灌系统，用于对空间植被系统进行浇灌灌溉；第五项工程：在砒砂岩支沟流域的支沟出口处设置径流泥沙观测站；第六项工程：在砒砂岩支沟流域的主沟上设置淤地坝，所述淤地坝位于支沟出口处上游的主沟位置；所述空间植被系统包括：在砒砂岩支沟流域的沟坡坡顶交叉混种的油松和山杏、在砒砂岩支沟流域的坡度35-70度的沟坡处种植的沙棘柠条和野牛草、在砒砂岩支沟流域的坡度小于35度的沟坡处种植的冰草、在砒砂岩支沟流域的沟底处种植的菌草以及在截留梗上种植的柠条。所述空间植被系统还包括在砒砂岩支沟流域的沟底处种植的由沙柳、沙棘和草木犀组成的植物柔性坝。
所述第一项工程中：所述截留储水渠和截留梗设置于距离沟坡顶部沟缘线0.5米处的位置。所述截留储水渠的宽度为0.5-1m，深度为0.5-1m。所述截留储水渠内每隔5m设置一个挡水土埂，所述挡水土埂的上端距离所述截留储水渠上边缘的垂直距离为10cm；所述截留储水渠内每隔50m设置一个水窖，所述水窖的容量为5-10m3。所述第四项工程中，所述浇灌系统的水源来自于所述水窖和所述谷坊。所述浇灌系统还包括自动控制系统，所述自动控制系统检测土壤水分达到最低临界值时即控制所述浇灌系统对所述空间植被系统进行灌溉。
所述第五项工程中：所述径流泥沙观测站内设置有测量径流流速的便携式流速仪、测量径流中泥沙含量的Run-off土壤水蚀测量系统和/或测量径流水深的暴雨排水监测系统。在砒砂岩支沟流域的坡度大于70度的沟坡处喷施设置有抗蚀促生W-OH材料层；所述挡渣墙、所述谷坊和所述淤地坝均由抗蚀促生W-OH材料制成。本实施例中所用的Run-off土壤水蚀测量系统采购自点将集团。
在采用本实施例所述的砒砂岩支沟流域生物-材料二元耦合综合治理系统开始对该小流域进行综合治理的方法过程中，同时控制所述空间植被系统中在砒砂岩支沟流域的沟坡坡顶按照株行距3m交叉混种油松和山杏。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其细节上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。