高雅玉，田晉華，李嘉楠

（1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅蘭州730000；2.中國科學院大學，北京100049；3.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州730000）

建設淤地壩是黃土高原地區(qū)有效防治水土流失的重要措施,可有效改善人居環(huán)境、增加農(nóng)民收入、改善生產(chǎn)生活條件、促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展,具有巨大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。近年來淤地壩建設從單純攔泥淤地向流域壩系綜合高效利用、從單壩控制向壩系綜合控制的方向發(fā)展［1-3］,但也存在以下突出問題：建設經(jīng)費普遍較少,未布設防洪設施或僅有簡易的臥管、土質溢洪道,造成防洪能力和標準偏低；缺乏統(tǒng)一的壩系規(guī)劃,很難發(fā)揮壩系的作用,未能發(fā)揮應有的水土保持功效和作用；在干旱地區(qū)保證安全的前提下,未做到水土資源的高效利用。半干旱區(qū)壩系建設的主要目標是攔沙和淤地造田,但近年來小流域坡面水土流失治理成效顯著,土壤流失量大幅減少,造成很多淤地壩達到淤積年限后仍然有很大一部分攔泥庫容因未淤滿而成為蓄洪水庫。在極為缺水的隴東等地區(qū),在保證淤地壩系防洪安全的情況下利用好這部分水資源,將為緩解水資源危機起到重要的作用。如何在發(fā)揮淤地壩控制水土流失、攔泥淤地等作用的同時,高效存蓄、利用水資源是值得深入研究的課題。為此,筆者選擇隴東半干旱區(qū)淤地壩建設的典型流域——司家溝流域,開展了基于水土資源高效利用的淤地壩建設潛力分析。

1 流域及淤地壩系概況

1.1 流域概況

司家溝流域位于慶陽市西峰區(qū)涇河上游,流域面積為7.23 km2,屬半干旱大陸性氣候區(qū),夏秋季雨水較多,暴雨多集中在7—8月,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,垂直滲透力強。主要農(nóng)作物為小麥、玉米,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］。將流域內土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體和裸地5類,其中：草地為主要土地利用類型,面積為4.34 km2,占土地總面積的60.0%；林地面積為2.00 km2,占比27.7%；裸地面積為0.75 km2,占比 10.4%；水體面積為 0.05 km2,占比0.7%；耕地面積為0.09 km2,占比1.2%。流域內草地主要分布在坡地上,林地主要分布在溝谷或地勢較低的坡面,裸地主要分布在陡坡上,水體主要是流域內2座骨干壩蓄水形成的,耕地主要是梯田和坡耕地［5-6］。

1.2 淤地壩建設運行概況

司家溝流域內現(xiàn)有2座骨干壩,分別為東溝骨干壩（見圖1)和西溝骨干壩（見圖2),均于1996年11月竣工。東溝骨干壩設計淤積年限16 a,設計總庫容50.20萬m3,壩高22.3 m,壩控面積3.11 km2,設計攔泥庫容22.20萬m3,目前淤泥面距壩頂?shù)母叨葹?3.6 m,已淤積13.20萬m3,雖已經(jīng)超過設計淤積年限但仍未淤滿,蓄水11.60萬m3,防汛道路不暢通,壩體維護較好,但是沒有溢洪道等泄洪設施,僅有放水臥管。西溝骨干壩設計淤積年限10 a,設計總庫容81.00萬m3,壩高21.3 m,壩控面積4.09 km2,設計攔泥庫容29.00萬m3,目前淤泥面距壩頂?shù)母叨葹?1.60 m,已淤積18.70萬m3,雖已經(jīng)超過設計淤積年限但也未淤滿,蓄水12.40萬m3,防汛道路不暢通,壩體維護較好,水土資源沒有得到開發(fā)利用,由于沒有溢洪道等泄洪設施、只有放水臥管,因此為了汛期防洪安全,基本屬于空庫運行狀態(tài)。

圖1 東溝骨干壩

圖2 西溝骨干壩

對司家溝流域2座骨干壩的調研發(fā)現(xiàn),該流域壩系建設與利用存在如下問題：2座骨干壩的水土資源均未得到充分高效利用,一座屬于初步開發(fā)利用,一座屬于未開發(fā)利用；淤地壩建設缺乏壩系整體規(guī)劃,骨干壩達到設計淤積年限仍未淤滿,溝道壩系尚未形成,其布局的合理性有待考證；淤地壩泄水設施簡陋、不配套,不能滿足壩體防汛要求,存在病險隱患；管理水平低,群眾管護的自覺性較差；流域內水土流失治理程度與標準偏低,治理任務依然較重。

1.3 骨干壩防洪能力校核

淤地壩運用前期主要是滯洪攔沙,形成壩地后則依賴滯洪庫容調節(jié)洪水,其最危險期是在壩地形成前按水庫運用階段,壩體的防洪能力涉及壩系的安全運行和水資源的調控,因此根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》（SL 289—2003),參考《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》,對司家溝流域2座骨干壩進行了防洪能力校核。2座骨干壩都屬單壩無溢洪道的情況,一旦洪水漫壩即垮壩,對壩控面積內不同頻率洪水總量與實際剩余庫容比較,取接近且小于庫容的洪量所對應洪水的重現(xiàn)期為現(xiàn)狀防洪能力［7-9］。

防洪能力校核結果見表1。目前,東溝、西溝骨干壩剩余庫容分別為37.00萬、62.30萬m3,現(xiàn)狀防洪能力分別為10 a一遇（洪量為32.24萬m3)、20 a一遇（洪量為45.59萬m3)。按照現(xiàn)在的水土流失治理水平,在不加高壩體且不增建泄洪設施情況下,分別預測10、20 a后的防洪能力：此后10 a內東溝、西溝骨干壩的平均淤積速率分別取0.58萬、0.77萬m/a,10 a后東溝、西溝骨干壩剩余庫容分別為31.20萬、54.60萬m3,防洪能力分別為5 a一遇、20 a一遇；10 a以后至20 a間,東溝、西溝骨干壩平均淤積速率分別取0.46萬、0.51萬m3/a,20 a后東溝、西溝骨干壩剩余庫容分別為26.60萬、49.50萬m3,防洪能力分別為5 a一遇、20 a一遇。校核結果表明,未來20 a骨干壩仍難以淤滿,攔蓄雨洪資源的潛力巨大,同時防洪安全問題凸顯。

表1 防洪能力校核結果

2 壩系建設潛力分析方法

2.1 比例推算法確定淤地壩建壩潛力

小流域壩系由骨干壩和中小型淤地壩構成,不同地區(qū)由于淤地壩建設條件不同,因此中小型淤地壩與骨干壩配置比例也不同。根據(jù)黃土高原已建淤地壩狀況調查,中小型淤地壩與骨干壩配置比例與所在區(qū)域的土壤侵蝕強度有關（見表2)。

表2 不同侵蝕強度區(qū)域中小型淤地壩與骨干壩配置比例

根據(jù)流域溝道情況,將骨干壩或骨干壩及其所控制集水區(qū)域內的若干中小型淤地壩稱為單元壩系,由單元壩系數(shù)量可基本確定骨干壩數(shù)量,據(jù)此可分析淤地壩建設潛力［10］。

（1)單元壩系數(shù)量的初步擬定?？砂词剑?)初步擬定小流域內單元壩系數(shù)量：

式中：Ng為單元壩系數(shù)量,個；S為壩系工程擬控制面積,km2；S0為壩系工程已控制面積,km2；ˉa為骨干壩平均單壩控制面積,km2/座。

（2)單元壩系數(shù)量調整。單元壩系屬于子壩系,而子壩系的面積不可能恰好是單元壩系面積的整數(shù)倍,因此在將單元壩系分配到子壩系的過程中應按式（2)、式（3)進行數(shù)量上的調整：

式中：Ngi為第i條子壩系中的單元壩系數(shù)量,個；Si為第i條子壩系控制面積,km2；N′gi為經(jīng)調整后第i條子壩系中單元壩系的數(shù)量,個。

（3)中小型淤地壩數(shù)量的擬定。根據(jù)小流域所處侵蝕類型區(qū)和現(xiàn)場查勘,按上述中小型淤地壩與骨干壩配置比例推算中小型淤地壩數(shù)量：

式中：C為中小型淤地壩與骨干壩配置比例（比值),可參考前述經(jīng)驗值；Nzx為中小型淤地壩數(shù)量,座；N′g為骨干壩數(shù)量,座。

2.2 目標推算法確定建壩規(guī)模

流域壩系工程建設目標、建設規(guī)模是壩系總體布局的前提與基礎,應充分考慮流域自然條件、工程現(xiàn)狀、經(jīng)濟狀況、人口分布及建壩資源條件（尤其是骨干壩壩址區(qū)建壩條件)等,結合壩址區(qū)實地勘查,合理確定壩系建設目標和建設規(guī)模。淤地壩系工程建設目標主要有攔沙和淤地兩類目標,目標推算法就是根據(jù)建設目標推算中小型淤地壩數(shù)量。在構建司家溝流域水土資源高效利用淤地壩系的過程中,通過對流域水土流失狀況、工程建設現(xiàn)狀、經(jīng)濟社會現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、當?shù)貙蜗到ㄔO的需求及工程建設資源等進行調研,選擇設計水平年年末的新增年攔沙能力W、新增壩地面積A、水資源利用率μ等指標,推算建壩規(guī)模。

（1)攔沙目標。攔沙目標采用下式計算：

式中：W為壩系新增年攔沙能力,m3/a；M0為流域平均侵蝕模數(shù),t/（km2·a)；γ為泥沙干密度,t/m3；為設計淤積年限內壩系工程累計新增攔沙量,m3；Y為設計淤積年限,一般取20～30 a。

（2)淤地目標。淤地目標即設計水平年流域內新增壩地面積,可采用下式計算：

式中：A為新增壩地面積,hm2；η為淤地折算系數(shù),即已建淤地壩實地調查的淤地模數(shù)（單位淤地面積所需的攔泥量)與設計淤地模數(shù)之比,當調查統(tǒng)計資料來源于本流域或來源于地形條件十分相似的流域時,可取η＝1；ω為設計淤地模數(shù),m3/hm2。

（3)水資源高效利用目標。干旱半干旱地區(qū)可利用水資源非常匱乏,因此在淤地壩規(guī)劃中應考慮對雨洪水資源的攔蓄利用。水資源利用率可用下式計算：

式中：μ為水資源利用率,%；D1為淤地壩攔蓄利用的水資源量,萬m3；D2為淤地壩攔蓄的水資源量,萬m3。

根據(jù)攔沙目標、淤地目標和水資源高效利用目標,確定流域內淤地壩的建壩數(shù)量和建壩參數(shù)。

2.3 淤地壩數(shù)量的調整方法

兩種推算方法所得結果存在差異,應對中小型淤地壩的數(shù)量作進一步的調整,并將中小型淤地壩分配到每個單元壩系中,即進行數(shù)量調整和結構調整。

（1)數(shù)量調整。以目標推算的結果為基數(shù),對淤地壩的數(shù)量進行調整。在調整的過程中應遵循以下原則：①人口密集、用地需求較大的區(qū)域適當增加,反之適當減少；②水土流失強度大的區(qū)域適當增加,反之適當減少；③溝壑密度較大的區(qū)域適當增加,反之適當減少；④受地形、村莊、道路等影響,建壩條件較差的溝道適當核減；⑤林區(qū)或植被較好的區(qū)域可少建甚至不建中小型淤地壩。

（2)結構調整。在中小型淤地壩數(shù)量確定后,基本達到攔沙、淤地和座數(shù)上的平衡是可行的。中型淤地壩與小型淤地壩的攔泥庫容和單壩淤地面積在數(shù)量上存在著較大的差異,增加中型淤地壩的座數(shù)比增加小型淤地壩的座數(shù)能取得更大的攔沙量和淤地面積［8,10］。

3 司家溝流域建壩潛力和規(guī)模分析

3.1 淤地壩建設潛力計算

（1)確定土壤侵蝕量。司家溝流域內2座骨干壩的壩控面積為7.20 km2,流域內土壤侵蝕模數(shù)為3 000 t/（km2·a),因此2座骨干壩控制流域面積的年均侵蝕量約為2.16萬t。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》（SL289—2003),計算20 a內司家溝流域壩控面積的總侵蝕量為43.26萬t。

（2)確定淤地壩單壩平均淤積量。采用類比法推算單壩平均攔泥量。據(jù)對隴東地區(qū)年均侵蝕模數(shù)為2 500～3 500 t/（km2·a)的小流域中的淤地壩進行調查,單壩淤積量為4.2萬～5.4萬t,鑒于司家溝流域內植被恢復較好,單壩淤積量取4.6萬t。

（3)確定骨干壩與中小型淤地壩數(shù)量。按照規(guī)范,強烈侵蝕地區(qū)骨干壩單壩控制面積為3～8 km2,骨干壩與中小型淤地壩的配置比例為1∶4.5～1∶3.0,由于司家溝流域侵蝕模數(shù)較小,因此骨干壩與中小型淤地壩的配置比例取較小值1∶4。根據(jù)司家溝流域20 a侵蝕量為43.26萬t和中小型淤地壩平均單壩淤積量為4.6萬t,得出司家溝流域內應布設骨干壩和淤地壩的總數(shù)為10座（其中骨干壩2座、中小型淤地壩8座)。

3.2 壩系建設規(guī)模分析

（1)攔沙目標。依據(jù)水利部編制的《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》確定的攔沙指標2 681 t/（km2·a),推算司家溝流域20 a的攔沙目標為38.65萬t。根據(jù)流域內淤地壩的平均淤積量計算,應建9座淤地壩,骨干壩與中小型淤地壩的配置比例為1∶4,因此適合建骨干壩2座、中小型淤地壩7座。

（2)淤地目標。根據(jù)慶陽市“十三五”水利規(guī)劃確定的糧食增產(chǎn)目標4.47萬kg/a,按照4 500 kg/hm2的產(chǎn)量估算,司家溝流域內需要新增壩地面積9.94 hm2。中小型淤地壩的淤地面積約為1.42 hm2/座（相似流域內淤地壩單壩淤地面積平均值),因此新建7座中小型淤地壩可滿足糧食增產(chǎn)要求,加上原有2座骨干壩,淤地壩總數(shù)為9座。

（3)水資源高效利用目標。半干旱地區(qū)水資源較為匱乏,良好水質的水資源更為珍貴,要低風險、經(jīng)濟和有效地將壩控流域面積的雨洪水資源存蓄、利用起來,在確保防洪安全的前提下,骨干壩控制區(qū)域的水資源利用率應達到30%,中小型淤地壩控制區(qū)域的水資源利用率應達到25%。

（4)壩系建設規(guī)模的確定。上述分析計算所得建壩潛力及不同建設目標對應的建壩規(guī)模統(tǒng)計見表3。綜合分析認為：司家溝流域適宜建設2座骨干壩,應對原有的2座骨干壩配備泄洪設施、提高防洪標準；流域內中小型淤地壩建設潛力為8座,適宜建設7座。

表3 各種方法推算的司家溝流域壩系建設規(guī)模統(tǒng)計

4 結 語

半干旱區(qū)淤地壩建設的傳統(tǒng)目標主要是攔沙和淤地造田。近年來流域水土流失綜合治理成效顯著,水土流失量減少,造成很多壩系達到設計淤積年限后仍然未淤滿,具有攔蓄利用雨洪水資源的潛力。在確保防洪安全的前提下,充分高效利用淤地壩攔蓄利用雨洪水資源的潛力,對緩解半干旱區(qū)水資源危機有至關重要的作用。

利用比例推算法推算的司家溝流域建壩潛力為10座,其中骨干壩2座、中小型淤地壩8座；采用目標推算法確定適宜建壩規(guī)模為9座,其中骨干壩2座、中小型淤地壩7座。應對原有的2座骨干壩配備泄洪設施、提高防洪標準,使骨干壩控制區(qū)域的水資源利用率達到30%、中小型淤地壩控制區(qū)域的水資源利用率達到25%。