孫維營，翟廣宇，張　攀，史學(xué)建，李　莉

(1.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；

2.延津縣清源水利工程有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453200)

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淤地壩壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用——以岔巴溝流域為例

孫維營1，翟廣宇2，張攀1，史學(xué)建1，李莉1

(1.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；

2.延津縣清源水利工程有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453200)

[關(guān)鍵詞]淤地壩；壩系；水土保持措施；岔巴溝流域

[摘要]淤地壩壩系的形成改變了流域的下墊面條件，使黃土高原地區(qū)產(chǎn)匯流及輸沙特性發(fā)生了很大變化。為研究淤地壩壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用，選取位于黃河中游的岔巴溝小流域為研究對象，通過對流域壩系形成前后相同量級洪水的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進(jìn)行對比，并結(jié)合流域淤地壩發(fā)展情況，對該地區(qū)淤地壩壩系的水土保持蓄洪攔沙效果進(jìn)行分析，研究和揭示黃土高原典型小流域在庫壩工程影響下的水沙變化情況，以期為揭示近期黃河水沙量銳減的原因提供科學(xué)依據(jù)。

淤地壩是黃土高原地區(qū)治理溝道的主要工程措施之一，與攔渣壩和攔蓄泥石流的水土保持溝道工程相比，除具有攔泥防洪作用外，還有生產(chǎn)及水資源調(diào)控與利用功能[1]。黃土高原地區(qū)的淤地壩建設(shè)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，建設(shè)方式由分散單壩興建到以小流域為單元的壩系建設(shè)，前期工作由缺乏規(guī)劃設(shè)計到完善規(guī)范化，建設(shè)管理由僅重視建設(shè)到建設(shè)與管理并重。淤地壩建設(shè)理論不斷豐富和完善，逐漸形成了以小流域為單元，以骨干壩為骨架，大、中、小型淤地壩相結(jié)合的溝道壩系[2]。壩系是根據(jù)小流域地貌特征及水土流失形式，通過在各級溝道科學(xué)合理地布設(shè)大(骨干壩)、中、小型淤地壩，使之相互連接、相互協(xié)調(diào)，形成一個有機(jī)整體，從而更好地發(fā)揮攔蓄溝道洪水泥沙的作用。小流域壩系的這一作用我們稱之為“級聯(lián)調(diào)控”。壩系中各壩如何配置才能充分發(fā)揮壩系的級聯(lián)調(diào)控作用，使壩系成為具備防洪、攔泥、生產(chǎn)、水資源調(diào)控利用等綜合功能的溝道工程體系，既是壩系規(guī)劃的主要內(nèi)容，也是淤地壩建設(shè)中首先遇到且必須解決的重要問題。

在以往的研究中，對淤地壩蓄洪攔沙效益的計算多采用“水保法”，即依據(jù)水土保持試驗站對各項水土保持措施蓄洪攔沙作用的觀測資料，對研究流域內(nèi)各項水土保持措施進(jìn)行分項計算，再將各項措施的蓄洪攔沙效益逐項相加，并考慮流域內(nèi)河道泥沙的沖淤變化和人類活動對水沙變化的影響，從而推算出淤地壩的蓄洪攔沙效益[3]。通過這種方法的計算可以清楚地了解單壩在小流域水沙調(diào)控中的作用，但是體現(xiàn)不出壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用。為此，筆者選取位于黃河中游多沙粗沙區(qū)的岔巴溝小流域為研究對象，通過對流域壩系形成前后相同量級洪水的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進(jìn)行對比，并結(jié)合流域淤地壩發(fā)展情況，對該地區(qū)淤地壩壩系的水土保持蓄洪攔沙效果進(jìn)行分析, 研究和揭示黃土高原典型小流域在庫壩工程影響下的水沙變化情況，以期為揭示近期黃河水沙量銳減的原因提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

岔巴溝流域位于陜西省子洲縣北部，地處黃土高原多沙粗沙區(qū)，是大理河的一條支溝，無定河的二級支流。流域面積205 km2，溝道密度1.05 km/km2，河谷階地和黃土丘陵溝壑是該流域的兩大地貌類型。地面坡度變化復(fù)雜且不連續(xù)，上游以梁地溝谷為主，下游以峁地溝谷為主，中游二者皆有。同一梁、峁的不同方向及同一方向的上、中、下各坡面坡度變化急劇，其中：主溝上游及大支流坡度54°～ 60°，在溝頭及支溝上部減至30°～ 45°，梁峁頂坡度5°～ 10°，梁峁兩側(cè)坡度15°～ 30°。該地區(qū)土質(zhì)疏松，植被破壞及土壤侵蝕極其嚴(yán)重，主要侵蝕類型有片蝕、溝蝕、崩塌、滑坡和潛蝕等。溝道劇烈發(fā)育，呈現(xiàn)出溝壑縱橫、支離破碎的典型黃土地貌景觀，是黃土高原多沙粗沙區(qū)典型流域之一。屬干燥少雨的大陸性氣候區(qū)，降水多為強(qiáng)度大歷時短的侵蝕性降雨，且雨量分配極不均勻，有70%的降水集中在7—9月。流域復(fù)雜的下墊面情況加之降雨分布的不確定性，使流域侵蝕產(chǎn)沙過程變得非常復(fù)雜，洪水具有陡漲陡落、歷時短暫的特點，且流域徑流、輸沙的年內(nèi)分配極不均勻。年均徑流深54 mm，約62%的徑流量和90%以上的輸沙量集中在每年的7—9月。流域水文觀測站網(wǎng)較為完善，流域內(nèi)均勻地布設(shè)有13處雨量站，用于監(jiān)測流域的降水過程。曹坪站是該流域的把口水文站，控制流域面積187 km2，用于觀測全流域徑流和泥沙的形成過程。主要雨量站、水文站空間布局見圖1。

圖1　岔巴溝小流域雨量站、水文站分布示意

2流域壩系發(fā)展過程

岔巴溝流域的淤地壩建設(shè)始于1953年，20世紀(jì)50年代建設(shè)的淤地壩只有25座，且大部分建于1958年。從20世紀(jì)60年代開始，淤地壩的數(shù)量開始增加，到1969年增至124座；到70年代，隨著水墜壩技術(shù)的推廣應(yīng)用，這一數(shù)字增至248座；至80、90年代，淤地壩建設(shè)速度放緩，只新建了13座淤地壩，主要是對現(xiàn)有淤地壩進(jìn)行維修和加固[4]。

20世紀(jì)50年代該流域所建淤地壩較為集中，只分布于一些支溝；到了60年代淤地壩數(shù)量大大增加，主要分布于一些中心峽谷中；1970—1979年間淤地壩數(shù)量進(jìn)一步增加，且廣泛分布于整個流域，上游一些小支溝也有淤地壩分布。

1975年后，大量的壩庫建成并發(fā)揮效益, 平均庫容超過12 萬m3/km2。這些壩庫均勻分布在流域內(nèi)是影響該地區(qū)水沙變化的重要原因。圖2顯示了岔巴溝流域1959—2001 年壩地面積隨時間的變化，從圖中可以看出，進(jìn)入70 年代，岔巴溝流域壩地面積顯著增加，1978 年到達(dá)最大，約為2.4 km2；1979 年左右大量淤地壩被水毀,壩地面積減少至1.5 km2；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，流域壩地面積緩慢增加；1990年至今，流域壩地面積基本維持在2.2 km2。

圖2　岔巴溝流域壩地面積變化過程

從岔巴溝流域淤地壩的發(fā)展過程看，該流域淤地壩建設(shè)經(jīng)歷了4個主要階段：初步建設(shè)階段(1970年之前)，該地區(qū)從這一階段開始興建淤地壩，為攔減流域泥沙作出了重要貢獻(xiàn)；迅速發(fā)展階段(1970—1978年)，這一階段該流域開始大量興建淤地壩，壩地面積迅速增加，壩系基本形成，且淤地壩均勻地分布在流域內(nèi)，成為減水減沙的重要因素；緩慢發(fā)展階段(1978—1990年)，這一時期由于該地區(qū)降雨強(qiáng)度大、歷時短且集中，洪水常攜帶大量泥沙，超出了淤地壩的攔蓄能力，經(jīng)常會有損毀或崩塌發(fā)生；基本穩(wěn)定階段(1990年至今)，這一時期流域壩地面積基本穩(wěn)定。

3治理前后次洪水沙量對比

淤地壩作為一項水土保持措施在攔泥減沙方面發(fā)揮了重要的作用，但是在發(fā)揮攔沙效用的同時會起到滯洪蓄水的作用。經(jīng)過幾十年的實踐，淤地壩建設(shè)經(jīng)過了由分散、沒有規(guī)模到以小流域為單元的壩系建設(shè)。流域壩系形成之后，壩與壩之間相互協(xié)調(diào)，不但蓄洪攔沙能力較單壩大大提高，而且對小流域水土流失過程的調(diào)控作用也發(fā)生了改變，因此有必要對小流域淤地壩壩系的蓄洪攔沙作用進(jìn)行分析。

為驗證岔巴溝流域壩系蓄洪攔沙效益,在分析岔巴溝流域壩系發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，選取了岔巴溝流域壩系形成前后，降雨量基本相同的6場次洪水進(jìn)行對比分析，分別為1963年的630603次洪水、1972年的720731次洪水，1960年的600702次洪水、1997年的970729次洪水，1972年的720702次洪水和1999年的990720次洪水。根據(jù)實測資料計算, 岔巴溝流域在這6場次洪水中的降雨量、徑流量、輸沙量見表1。

表1　岔巴溝流域徑流輸沙模數(shù)變化分析

在降水條件相似的情況下，20世紀(jì)70年代的徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)較60年代均有所減少，徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)分別減少19.9%和19.1%。從岔巴溝流域淤地壩壩系的發(fā)展過程分析，70年代正是該地區(qū)淤地壩壩系的快速形成時期，此時壩系的蓄洪攔沙效益初步顯現(xiàn)。岔巴溝流域20世紀(jì)90年代徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)較60年代分別減少23.0%和32.8%，這一數(shù)據(jù)較70年代蓄洪攔沙效益大幅度提高，此時經(jīng)過40多年的發(fā)展，岔巴溝流域淤地壩壩系已經(jīng)形成，壩系的蓄洪攔沙效益開始凸顯。比較20世紀(jì)70年代和90年代末的徑流、輸沙模數(shù)，該流域滯洪效益進(jìn)一步提高，徑流模數(shù)減少約34.5%，輸沙模數(shù)減少約31.5%。

4結(jié)語

岔巴溝流域淤地壩壩系在庫壩工程正常運(yùn)行期間能夠有效減少流域輸沙模數(shù), 減少的程度受洪水量級的影響，平均為30%左右；能夠有效攔截洪水, 減少徑流模數(shù)，減洪作用大于20%。該地區(qū)淤地壩在幾十年的發(fā)展過程中多數(shù)原有壩地已經(jīng)淤滿，可淤庫容顯著下降，但是淤地壩壩系仍然在為該地區(qū)的蓄洪攔沙發(fā)揮著重要作用，壩系的存在能夠?qū)崿F(xiàn)洪水泥沙的內(nèi)部消化，蓄洪攔沙效益穩(wěn)定在一個較高水平。但該地區(qū)的淤地壩建設(shè)及管理也存在一些問題，如自20 世紀(jì)80 年代以后岔巴溝流域淤地壩的建設(shè)速度減緩，加之后期管理和維護(hù)不力，垮壩和毀壩的現(xiàn)象時有發(fā)生，增加了淤地壩泥沙再釋放的潛在性風(fēng)險等。因此，今后在對淤地壩的研究中，除了要研究如何進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩壩系蓄洪攔沙級聯(lián)調(diào)控作用，還要研究如何維護(hù)和加固現(xiàn)有淤地壩，延長工程使用壽命。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 綦俊諭，蔡強(qiáng)國，方海燕，等.岔巴溝流域水土保持減水減沙作用[J].中國水土保持科學(xué)，2010(1):28-33.

[2] 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，2000：6-25.

[3] 張攀，姚文藝，冉大川.水土保持綜合治理的水沙響應(yīng)研究方法改進(jìn)探討[J].水土保持研究，2008，15(2): 173-176.

[4] Zhang Luan，Shi Changxing，Zhang Hao. Effects of check-dams on sediment storage-release in Chabagou Watershed [J].Transactions of the CSAE, 2010，26(2): 64-69.

(責(zé)任編輯孫占鋒)

[中圖分類號]S157

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)02-0027-03

[收稿日期]2015-10-15

[作者簡介]孫維營(1981—)，男，河南鞏義市人，工程師，碩士，主要從事土壤侵蝕及水土保持研究。

[基金項目]水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目(201201084)；國家自然科學(xué)基金項目(51409110)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目(HKY-JBYW-2014-2)