高雅玉，田晉華，金 霞

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

在黃土高原半干旱區(qū)建設的淤地壩，是我國廣大勞動人民智慧的結晶，是一項有效防治水土流失、提高防洪能力的重要水土保持措施。淤地壩建設有效地改善了人居環(huán)境，增加了農(nóng)民收入，促進了地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，帶來了巨大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益，概括來說主要有以下幾點：①大大提高了流域的防洪和抗旱能力；②大量減少了向下游的輸沙量，有效遏制了水土流失；③淤地壩蓄積的部分水資源在安全的前提下被利用，大大提高了水資源的利用效率；④增強了土壤肥力，使荒溝變成了良田，增加了農(nóng)民收入；⑤促使黃土高原地區(qū)的水土保持工作大見成效。近些年來，淤地壩的建設發(fā)展也從單純攔泥淤地向流域壩系綜合高效利用、從單壩向壩系綜合控制的方向轉變[1-3]。但是，淤地壩建設仍舊存在一些明顯的問題，如何進一步地提升淤地壩的效能，更好地發(fā)揮其水土保持效益，在此基礎上高效存儲、利用壩系內(nèi)部的水資源都是值得進一步深入研究的問題。

1 典型流域介紹

1.1 司家溝流域概況

司家溝流域位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)的東北角，地處中緯度地帶，屬半干旱大陸性氣候區(qū)，具有季風及黃土高原氣候的雙重特點，流域面積為7.20 km2。四季風向有明顯的變化，冬季風向多偏北，夏季風向多偏南，而春季和秋季為季風的轉換季節(jié)，風向多變且偏北風居多。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫為9.6℃，其中7月份最高，平均氣溫為28.1℃；1月份最低，平均氣溫為-8.4 ℃；年極端最高氣溫為34.3℃，最低為-14.5℃；最大凍土深為0.8 m，年平均蒸發(fā)量為1 471.0 mm，最大年蒸發(fā)量為1 835.0 mm(1995年)，最小年蒸發(fā)量為996.0 mm(1964年)。區(qū)內(nèi)夏秋雨水較多，暴雨多集中在七八月份，而春冬季多風且干燥，總體上屬干旱缺水地區(qū)。耕地以黑壚土為主，微堿性，土壤肥沃、疏松、保水保肥、垂直滲透力強。農(nóng)作物以小麥、玉米為主，盛產(chǎn)谷子、馬鈴薯、油菜，蘋果栽培處于最佳緯度區(qū)。地表水資源貧乏，自然條件嚴酷，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)困難[4]。

1.2 司家溝流域土地利用情況

利用ArcGIS操作平臺和Quickbird資料(Quickbird影像是從美國DigitalGlobe公司訂購的4波段捆綁數(shù)據(jù)，其中多光譜和全色波段影像的空間分辨率分別為2.4和0.61 m)，將司家溝流域土地利用類型分為林地、草地、水體、裸地和耕地5種類型，采用人機交互目視解譯的方法，確定了遙感影像的提取規(guī)則。①林地。林地的影像特征為幾何形狀不規(guī)則，與其他地類間邊界滑潤清晰；影像呈現(xiàn)為鮮紅和暗紅色，紋理粗糙，在同一色調(diào)中差異不大。林地主要分布在溝道兩側及溝谷。②草地。草地的影像特征為形態(tài)各異，連片分布地類邊界明顯；影像以暗紅、淡紅、粉紅為主色調(diào)，質(zhì)地較細膩、紋理清晰、不同地類間色差較明顯。主要分布在溝道坡地及溝谷。③裸地。裸地的影像特征為幾何特征不明顯，地類邊界線不規(guī)則；影像質(zhì)地較細、均勻，呈現(xiàn)灰白色。主要分布在溝道陡坡區(qū)。④水體。水體影像幾何形狀明顯，呈現(xiàn)深藍色、藍色或淡藍色，質(zhì)地較細膩、紋理清晰、顏色均勻。主要分布在溝谷低地。⑤耕地。耕地的影像特征為幾何特征規(guī)則，地塊排列整齊；影像呈現(xiàn)出紅、淡紅和鮮紅等顏色，質(zhì)地較細膩、紋理清晰、顏色均勻。主要分布在溝道兩側。

根據(jù)提取規(guī)則，提取司家溝流域的各土地利用類型[5]。司家溝流域土地利用類型以草地為主，面積4.34 km2，占土地總面積的60.2%；其次為林地2.00 km2，占比27.6%，裸地面積也較大，為0.75 km2，占比10.0%；除此之外，司家溝還有少量的水體(0.05 km2，0.7%)和耕地(0.09 km2，1.3%)。草地、林地和裸地在整個溝道內(nèi)均有分布，所不同的是草地主要分布在溝道兩側較高處的坡地，林地主要分布在溝谷或是溝道兩側較低處的坡地，而裸地主要分布在溝道地形比較陡峭的坡地上。水體則主要是兩個較大的人工淤地壩集水區(qū)。耕地主要是以坡耕地和梯田的形式存在，零星分布在溝道兩側的坡地上[5-6]。

2 司家溝流域內(nèi)骨干壩情況

在司家溝流域內(nèi)，已經(jīng)建有司家溝東溝和西溝兩座骨干壩。

2.1 司家溝東溝骨干壩情況

司家溝東溝骨干壩(圖1、圖2)于1996年11月竣工，設計淤積年限為16年，設計總庫容50.2萬m3，壩高22.3 m，壩控面積3.11 km2，目前淤泥面距壩頂高度13.6 m。設計攔泥庫容22.20萬m3，目前已淤積13.20萬m3，已經(jīng)超過設計淤積年限，但未淤滿。目前蓄水量11.60萬m3，防汛道路基本不暢通，以旅游養(yǎng)殖模式進行開發(fā)，壩體維持較好，但是沒有溢洪道等泄洪設施，僅有放水臥管。

圖1 東溝骨干壩情況

圖2 東溝骨干壩壩頂情況

2.2 司家溝西溝骨干壩情況

司家溝西溝骨干壩(圖3、圖4)于1996年11月竣工，設計淤積年限為10年，設計總庫容81.00萬m3，壩高21.3 m，壩控面積6.50 km2，淤泥面距壩頂高度11.60 m。設計攔泥庫容29.00萬m3，目前已淤積18.70萬m3，已經(jīng)超過設計淤積年限，但未淤滿。目前蓄水量12.40萬m3，防汛道路基本不暢通，壩體維持較好，壩體水土資源未得到開發(fā)利用，為防止汛期暴雨洪水發(fā)生，基本屬于空庫運行狀態(tài)，沒有溢洪道等泄洪設施，僅有放水臥管。

圖3 西溝骨干壩壩體情況

圖4 西溝骨干壩壩頂情況

3 司家溝骨干壩的防洪能力校核

淤地壩運用前期主要是攔蓄洪水泥沙，形成壩地后則依賴滯洪庫容調(diào)節(jié)洪水，其最危險的時期主要是在壩地形成前按水庫運用這個階段。淤地壩的防洪能力涉及壩系的安全運行和水資源的調(diào)控等重大問題，因此對司家溝流域內(nèi)兩座骨干壩進行防洪能力校核。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》(SL 289—2003)，并參考《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》，壩系防洪能力分以下幾種情況進行校核：①單壩無溢洪道。此類壩分布在支溝，主要起攔泥、淤地、生產(chǎn)作用，校核時不考慮涵洞泄洪量。若該壩的工程質(zhì)量符合要求，一旦洪水漫頂即出現(xiàn)垮壩，則校核方法是以壩控集水區(qū)內(nèi)不同頻率下的洪水總量與現(xiàn)有實際剩余庫容比較，取接近且小于庫容的洪量值，該值相對應的頻率即為該壩可抵御洪水的最大頻率。②單壩有溢洪道。以不同頻率下的洪水進行試算調(diào)洪，求出最大單寬流量，然后反查溢洪道水深，直接獲得接近且小于溢洪道的最大水深值，該值相對應的洪水頻率即為可抵御的洪水頻率。③壩系。校核壩系防洪能力時，先校核不同控制性子壩系的防洪能力，再校核整個壩系的防洪能力[7-9]。

根據(jù)以上原則，在對司家溝流域內(nèi)現(xiàn)有的2座骨干壩進行現(xiàn)有防洪能力校核的同時，分別預測10年、20年后壩系不增高也不配置泄洪工程條件下的防洪能力，結果見表1和表2。

表1 現(xiàn)狀年司家溝流域骨干壩防洪能力校核

采取上述方法對司家溝流域僅有的兩座骨干壩的防洪能力進行校核，司家溝東溝骨干壩現(xiàn)階段可抵御10年一遇的洪水，可抵御的洪水總量為40.00萬m3，西溝骨干壩可抵御20年一遇的洪水，可抵御的洪水總量為62.30萬m3。分別選擇10、20年為預測年限，按照現(xiàn)在的水土流失治理水平，10年后，東溝骨干壩的平均淤積速率為0.58萬m3/a， 剩余庫容為34.20萬m3，可抵御10年一遇的洪水；西溝的平均淤積速率為0.77萬m3/a，剩余庫容為54.60萬m3，可抵御20年一遇的洪水。20年后，骨干壩的淤積量越來越大，在不加泄洪設施的情況下，抵御洪水的能力越來越小。今后的10～20年間，水土流失的治理水平進一步加強，因此，東溝的平均淤積速率取0.46萬m3/a，剩余庫容為29.60萬m3，可抵御5年一遇的洪水；西溝的平均淤積速率為0.51萬m3/a，剩余庫容為50.50萬m3，仍可抵御20年一遇的洪水。

表2 規(guī)劃年份司家溝流域骨干壩防洪能力校核

4 流域內(nèi)淤地壩存在的問題

經(jīng)過多次對司家溝流域的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，流域壩系尚未實現(xiàn)水土資源高效利用，存在的主要問題有：

(1)2座骨干壩的布局未經(jīng)過規(guī)劃，到達淤積年限仍未淤滿，溝道壩系尚未形成，不能充分發(fā)揮壩系的作用。在溝道壩系工程的布局和配合運用中，必須經(jīng)過合理規(guī)劃，科學布設，才能充分發(fā)揮壩系的整體作用。

(2)溝道治理投入較少，不能滿足司家溝流域治理需要，更沒有達到高效利用水土資源的要求。建設1座治溝骨干工程需要投資90萬元，而國家實際投入只有35萬元左右，且中小型淤地壩建設國家沒有投資補助，加之黃土高原地區(qū)地方財政困難、群眾生活貧困，拿不出更多的資金投入淤地壩建設，影響了淤地壩的發(fā)展。

(3)在壩系建設中，只有極少的控制性工程布設了永久性泄水建筑物，絕大多數(shù)標準較低的淤地壩采用臥管和土質(zhì)溢洪口泄洪，遠遠不能滿足防汛要求。

(4)缺乏壩系規(guī)劃，設施不配套，存在病險隱患。流域壩系缺乏總體規(guī)劃，控制性骨干壩少，骨干壩和淤地壩配置比例不合理，設施不配套，防御洪水標準低，綜合效益差。同時，許多工程年久失修，設施老化，存在不同程度的毀壞。另外，由于多年淤積，相當一部分淤地壩已喪失了繼續(xù)攔泥和防洪的能力，存在病險隱患。

(5)管理水平低，管護不到位。以國家投資為主建設的淤地壩建成后大多交給當?shù)厝罕姽芾?，但群眾一般管理粗放，加之沒有專項維護資金，管護不到位，導致壩系工程病險嚴重。

5 結 語

傳統(tǒng)的壩系建設主要目的是攔沙和淤地造田，但由于近年來水土流失治理成果顯著，溝道植被較多，水土流失量大大減少，很多壩系到達淤積年限后仍未淤滿，在極為缺水的甘肅地區(qū)，若在保證淤地壩系安全的前提下，高效利用壩內(nèi)水資源，將為緩解半干旱區(qū)水資源危機起到至關重要的作用。