近年無定河流域淤地壩攔沙作用研究

韓向楠 謝世友 高云飛

摘要：為掌握無定河流域近年淤地壩的攔沙作用，運用最新的統(tǒng)計資料和實測數(shù)據(jù)，分析了無定河流域截至2017年淤地壩的數(shù)量、時空分布及2011-2017年發(fā)揮攔沙作用的淤地壩數(shù)量，在此基礎上計算了2011-2017年無定河流域淤地壩的攔沙量。結(jié)果表明：截至2017年，無定河流域淤地壩共11602座，其中骨干壩1155座、中型壩3747座、小型壩6700座，主要分布在中下游的黃土丘陵溝壑區(qū);截至2011年，無定河約72%的淤地壩已失去攔沙功能，發(fā)揮攔沙作用的骨干壩、中型壩、小型壩分別為658座、1756座、810座;2011-2017年，無定河流域淤地壩年均攔沙4134.23萬t，其中骨干壩攔沙量占51.32%。

關(guān)鍵詞：淤地壩;攔沙量;水土保持;無定河流域;黃土高原

中圖分類號：S157.2;TV882.1 文獻標志碼：A

黃河是著名的多沙河流，泥沙主要來源于中游的多沙粗沙區(qū)，無定河是多沙粗沙區(qū)支流之一。1970年以前，無定河流域的水沙過程受人類活動的影響較小，年均輸沙量為2.168億t，占同期潼關(guān)水文站輸沙量的13.33%。2000年以來，無定河的輸沙量呈顯著減少趨勢。據(jù)有關(guān)研究[1-3]，黃河輸沙量減少的關(guān)鍵因素是人類活動，人類活動主要表現(xiàn)為一系列水利水保措施，包括造林、種草、建設梯田、修筑淤地壩等。黃土丘陵溝壑區(qū)的泥沙主要來源于溝道[4]，其產(chǎn)沙量約占流域產(chǎn)沙量的60%O，而淤地壩是減少溝道產(chǎn)沙的重要水土保持措施。淤地壩是指在小流域溝道中修建的以滯洪攔泥和淤地造田為目的的水土保持工程，通常按總庫容的大小對其進行分類：總庫容大于50萬m³的淤地壩稱為骨干壩（治溝骨干工程、大型淤地壩），總庫容為10萬～50萬m³的淤地壩稱為中型淤地壩，總庫容為1萬～10萬m³的淤地壩稱為小型淤地壩。據(jù)第一次全國水利普查[5]，截至2011年黃土高原共有58466座淤地壩，其中骨干壩5 655座、中小型壩5.2萬座。此前，有關(guān)學者針對淤地壩的攔沙減蝕機理[6-7]、時空分布情況[8]、攔沙量與減蝕量的計算方法[9-11]、歷年減沙量調(diào)查[1-2，12-15]、攔沙效應的時間變化[16]、淤滿標準與判定[17]等開展了大量研究，但仍存在一些亟待回答的問題，如現(xiàn)有多少淤地壩已失去攔沙能力、近年淤地壩到底攔了多少泥沙？本研究利用最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，在分析無定河流域現(xiàn)狀淤地壩時空分布特征的基礎上，計算了2011-2017年無定河流域淤地壩的逐年攔沙量，以期為黃土高原水土流失治理提供科學參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

無定河位于毛烏素沙地南部、黃土高原北部，發(fā)源于陜西省定邊縣的白于山，流經(jīng)內(nèi)蒙古烏審旗、鄂托克前旗及陜西省靖邊、橫山、榆陽、米脂、綏德、子洲等縣（區(qū)），于清澗縣匯入黃河，干流全長491km，流域面積30261km²。流域內(nèi)降雨多集中在6-9月，且多暴雨，在空間分布上比較均勻，由北向南略有增加。地處干旱半干旱氣候的過渡地區(qū)，受西北季風和毛烏素沙地東移影響，無定河上游為風沙區(qū)，以風力侵蝕為主，侵蝕模數(shù)較小;中下游為黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，黃土層深厚，受流水侵蝕影響，溝壑發(fā)育，侵蝕劇烈。全流域水土流失面積達23137km²，占流域總面積的76.5%，多年平均侵蝕模數(shù)在10000t（km²·a）以上[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

（1）黃土高原淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)。2009年水利部在黃土高原開展淤地壩安全大檢查，詳盡地統(tǒng)計了各?。▍^(qū)）截至2009年每座骨干壩和中型壩信息，內(nèi)容包括淤地壩所在的行政區(qū)、建壩時間、壩高、控制面積、總庫容、已淤積庫容、經(jīng)緯度等。

（2）第一次全國水利普查數(shù)據(jù)。由水利部組織開展的第一次全國水利普查，得到了截至2011年年底每座骨干壩的壩高、控制面積、總庫容、已淤積庫容、經(jīng)緯度等信息，以及按縣級行政區(qū)統(tǒng)計的中小壩數(shù)量。

（3）2011年后各?。▍^(qū)）淤地壩的年報數(shù)據(jù)，包括每座壩的控制面積、總庫容、壩高、經(jīng)緯度等。

（4）2000-2010年國家計劃下達各?。▍^(qū)）的淤地壩建設數(shù)量和黃土高原水土保持世界銀行貸款項目修建的淤地壩數(shù)量等信息。

（5）20世紀90年代陜北淤地壩普查數(shù)據(jù)，包括延安市和榆林市各縣的骨干壩和中小壩的建壩時間、控制面積、總庫容、已淤積庫容等信息。2無定河流域淤地壩的時空分布

基于水利普查數(shù)據(jù)、淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)及2011年后各省（區(qū)）淤地壩的年報數(shù)據(jù)，按年代統(tǒng)計無定河骨干壩和中型壩的建壩數(shù)量，見表1。

截至2017年，無定河流域共建成骨干壩1 155座，總庫容135 507.01萬3m，控制面積5 424.08km²：建成中型壩3747座，總庫容90 681.89萬m³，控制面積4 844.77 k擴。由表1可知：骨干壩建設高峰期為20世紀70年代和2000-2009年，共建成743座骨干壩，占現(xiàn)狀骨干壩總數(shù)的64%;中型壩建壩高峰期為20世紀60-70年代，共建成2 859座，占現(xiàn)狀中型壩總數(shù)的76%。

小型壩數(shù)據(jù)匱乏，缺少單壩控制面積、總庫容、壩高等詳細信息，目前僅掌握大致的數(shù)量。由水利普查數(shù)據(jù)和2011-2017年各?。▍^(qū)）年報數(shù)據(jù)可知，截至2017年無定河流域共建成6 700座小型淤地壩。20世紀60-70年代為建壩高峰期，80年代后建壩數(shù)量逐漸減少，建壩歷程與中型壩類似，但在時間分布上比中型壩更為集中。根據(jù)國家計劃下達情況和黃土高原水土保持世界銀行貸款項目淤地壩建設數(shù)據(jù)統(tǒng)計，無定河流域1990年后建成的小型壩為810座，1990年及以前建成的小型壩為5 890座。

綜上，截至2017年，無定河流域共建成淤地壩11 602座，中型以上淤地壩總庫容為22.62億m³，總控制面積為10268.85km²。無定河大部分淤地壩修建于80年代以前，62%的骨干壩和82%的中型壩建于80年代前，88%的小型壩建于90年代前。

根據(jù)現(xiàn)狀骨干壩和中型壩的經(jīng)緯度，分別點繪其空間分布圖，見圖1（a）、（b）;小型壩由于數(shù)據(jù)匱乏，因此現(xiàn)只收集到各縣（區(qū)）的小型壩總數(shù)量，按縣繪制其空間分布圖，見圖1（c）。無定河流域的淤地壩主要集中在中下游的黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，其中橫山、綏德、子洲三縣的淤地壩數(shù)量最多，分別占無定河流域淤地壩總數(shù)的21%、20%和17%;無論是骨干壩、中型壩還是小型壩，在上游風沙區(qū)分布都極少，據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)域淤地壩不到10座。

3 無定河近年攔沙量計算

3.1 攔沙指標

為計算攔沙量，引入年均攔沙指標，將其定義為淤地壩單位控制面積的淤積量，用M表示，單位為萬m³/（km²·a）。控制面積可由水利普查數(shù)據(jù)和淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)得到，淤積量數(shù)據(jù)通過野外實測獲得。實測樣本的選擇從以下兩方面考慮：其一，在建壩時間的選取上，為反映2011-2017年的淤積情況，理論上應當選擇2011-2017年新建的淤地壩，但由于2010年后黃土高原地區(qū)修建的淤地壩很少，因此為保證樣本數(shù)量，選擇2007年以后新建的淤地壩，并假定2007-2011年年均產(chǎn)沙強度與2011-2017年相同;其二，在空間的選取上，為使選擇的樣本具有代表性，能準確反映全流域的淤積情況，采取等密度抽樣。最終選取了100座2007年后建成的淤地壩，包括骨干壩、中型壩及小型壩，實測淤地壩位置分布見圖2。于2017年實測了這100座淤地壩的已淤積庫容，結(jié)合控制面積，計算得到2011-2017年無定河流域年均攔沙指標為0.507萬m³/（km²·2）。

3.2 淤地壩攔沙能力失效的判斷方法

高云飛等[17]對淤地壩攔沙能力失效的判斷標準進行了深入研究，結(jié)果表明，對于骨干壩和中小壩，淤積比（已淤積庫容與總庫容之比）隨建壩年份的變化曲線均存在明顯的拐點，淤地壩淤積比在某個值上下波動，隨后淤積比逐漸下降，說明淤地壩的攔沙能力在該淤積比（閾值）處發(fā)生變化。淤積比小于該閾值則淤地壩具有攔沙能力，反之則失去攔沙能力。采用不同數(shù)據(jù)源分析，得到一致的結(jié)論，故本研究把淤積比作為淤地壩是否具有攔沙作用的判斷依據(jù)。

基于2011年水利普查的骨干壩數(shù)據(jù)，點繪研究區(qū)淤積比與建壩年份的關(guān)系，見圖3（a），二者關(guān)系的拐點出現(xiàn)在1980年左右，1980年前淤積比基本在0.80上下波動，1980年后淤積比呈下降趨勢?；?009年淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)點繪的研究區(qū)骨干壩淤積比與建壩年份的關(guān)系見圖3（b），也可看出1980年前淤積比基本穩(wěn)定在0.80左右，1980年后淤積比下降。由兩個數(shù)據(jù)源得到的淤積比隨建壩年份的變化趨勢相同，因此把淤積比0.80作為研究區(qū)骨干壩攔沙失效的判斷依據(jù)。

按照相同的思路，利用淤地壩安全大檢查的中型壩數(shù)據(jù)，點繪的研究區(qū)中型壩淤積比與建壩年份的關(guān)系見圖3（c），可以看出，截至2009年，1985年前修建的中型壩淤積比大約穩(wěn)定在0.84。利用20世紀90年代陜北淤地壩普查的中型壩數(shù)據(jù)點繪的淤積比與建壩年份的關(guān)系見圖3（d），可以看出，截至1990年，1975年前的中型壩淤積比也基本穩(wěn)定在0.84附近。因此，以淤積比0.84為研究區(qū)中型壩攔沙失效的判斷依據(jù)。

3.3 2011-2017年具有攔沙能力的淤地壩數(shù)量

根據(jù)2011年水利普查的骨干壩數(shù)據(jù)，截至2011年骨干壩已淤積庫容91107.30萬m³，占總庫容的67.23%。以淤積比0.80為標準判斷骨干壩是否具有攔沙能力，在無定河現(xiàn)有的1155座骨干壩中仍具有攔沙能力的為658座，見表2。

根據(jù)2009年淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)，截至2009年無定河中型壩已淤積庫容72902.84萬m³，占總庫容的80.39%。以淤積比0.84為標準進行判斷，現(xiàn)有的3747座中型壩中還有攔沙能力的為1756座。

小型壩數(shù)據(jù)匱乏，無法獲取詳細的淤積信息，鑒于小型壩與中型壩建壩歷程相似，故根據(jù)同期中型壩淤積情況粗略地估計小型壩的淤積情況。由淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)可知，中型壩平均庫容為24.5萬m³，20世紀90年代前建成的中型壩截至2009年已淤積庫容占總庫容的84%。陜北地區(qū)小型壩平均庫容約為3.4萬m³，總庫容遠小于中型壩，可認為90年代前建成的小型壩現(xiàn)已淤滿。此外，根據(jù)淤地壩的設計規(guī)范，小型壩的設計攔沙壽命一般為3～5a，90年代之前修建的小型壩截至2011年已運行時間超過21a，可認為90年代前建成的小型壩已失去攔沙能力。因此，在2011-2017年發(fā)揮攔沙作用的小型壩為90年代后建成的小型壩，共810座。

綜上，在無定河現(xiàn)有的11602座淤地壩中，現(xiàn)發(fā)揮攔沙功能的有3224座，已失去攔沙功能的淤地壩占總數(shù)的72%。

3.4 攔沙量的計算

淤地壩攔沙量計算公式為

V=FMμ（1）式中：V為計算時段內(nèi)淤地壩的年均攔沙量，萬t;F為具有攔沙能力激地壩的總控制面積，km²;M為年均攔沙指標，萬m³/（km²·2）;料為泥沙容重，取1.35t/m³。

基于無定河流域2011-2017年具有攔沙能力的骨干壩、中型壩和小型壩的控制面積，實測的年均攔沙指標為0.507萬m³/（km²·2），按式（1）計算淤地壩的年均攔沙量為4134.23萬t，其中骨干壩年均攔沙2121.74萬t、中型壩年均攔沙1635.49萬t、小型壩年均攔沙377.00萬t（見表2）。骨干壩是攔沙的主力軍，攔沙量占淤地壩總攔沙量的51.32%。

4 結(jié)論

（1）截至2017年無定河流域淤地壩共計11602座，其中骨干壩1155座、中型壩3747座、小型壩6700座，大部分淤地壩建于1980年之前，20世紀70年代建成淤地壩最多。在空間分布上，無定河流域淤地壩主要分布在中下游黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，上游風沙區(qū)分布極少。

（2）截至2011年，無定河流域骨干壩和中型壩已淤積庫容分別占其總庫容的67.23%和80.39%，發(fā)揮攔沙功能的骨干壩、中型壩、小型壩分別為658座、1756座、810座，72%的淤地壩已失去攔沙功能。

（3） 2011-2017年，淤地壩年均攔沙4134.23萬t，其中骨干壩攔沙最多，約占淤地壩總攔沙量的51.32%。

參考文獻：

[1]劉曉燕.黃河近年水沙銳減成因分析[M].北京：科學出版社，2016：83-117.

[2]姚文藝，徐建華，冉大川，等.黃河流域水沙變化情勢分析與評價[M].鄭州：黃河水利出版社，2011：98-136.

[3]穆興民，巴桑赤烈，ZHANG Lu，等.黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間來水來沙變化及其對水利水保措施的響應[J].泥沙研究，2007（2）：36-41.

[4]焦菊英，劉元保，唐克麗.小流域溝間與溝谷地徑流泥沙來量的探討[J].水土保持學報，1992，6（2）：24-28.

[5]中華人民共和國水利部.第一次全國水利普查水土保持情況公報[J].中國水土保持，2013（10）：2.

[6]方學敏，萬兆惠，匡尚富.黃河中游淤地壩攔沙機理及作用[J].水利學報，1998，29（10）：49-53.

[7]李敏.淤地壩在黃河中游水土流失防治中的作用[J].人民黃河，2003，25（12）：25-26.

[8]劉曉燕，高云飛，王富貴.黃土高原仍有攔沙能力的淤地壩數(shù)量及分布[J].人民黃河，2017，39（4）：1-5.

[9]冉大川，羅全華，劉斌，等.黃河中游地區(qū)淤地壩減洪減沙及減蝕作用研究[J].水利學報，2004，35（5）：7-13.

[10]王宏，馬勇，陳志軍.河龍區(qū)間南片淤地壩對泥沙徑流影響的分析與計算[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1997，11（1）：10-16.

[11]汪亞峰，傅伯杰，侯繁榮，等.基于差分GPS技術(shù)的淤地壩泥沙淤積量估算[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（9）：79-83.

[12]汪崗，范昭.黃河水沙變化研究：第一卷[M].鄭州：黃河水利出版社，2002：702-712.

[13]汪崗，范昭.黃河水沙變化研究：第二卷[M].鄭州：黃河水利出版社，2002：414-421.

[14]高云飛，郭玉濤，劉曉燕，等.黃河潼關(guān)以上現(xiàn)狀淤地壩攔沙作用研究[J].人民黃河，2014，36（7）：97-99.

[15]冉大川，柳林旺，趙力儀，等.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持與水沙變化[M].鄭州：黃河水利出版社，2000：146-164.

[16]許炯心，孫季.無定河淤地壩攔沙措施時間變化的分析與對策[J].水土保持學報，2006，20（2）：26-30.

[17]高云飛，郭玉濤，劉曉燕，等.陜北黃河中游淤地壩攔沙功能失效的判斷標準[J].地理學報，2014，69（1）：73-39.