李占斌，李 鵬，于坤霞，賈 路

（西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，710048，西安）

淤地壩是黃土高原水土保持與生態(tài)保護的主要溝道工程措施。在黃土高原多年水土流失治理過程中，形成了以小流域綜合治理為基礎，加強溝道建設，特別是以骨干淤地壩建設為支撐的成功經(jīng)驗。西部大開發(fā)等戰(zhàn)略的實施，促使黃土高原水土保持治理投資增大，淤地壩建設規(guī)模逐漸增加。2002 年《黃河近期重點治理開發(fā)規(guī)劃》確定了黃土高原水土保持生態(tài)建設的基本思路、布局、目標以及措施。2003 年淤地壩建設成為水利部三大“亮點”工程之一。大規(guī)模淤地壩建設以及其他生態(tài)措施明顯改善了黃土高原的生態(tài)環(huán)境，植被覆蓋度明顯增加，入黃泥沙量顯著減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)向好。由于現(xiàn)有淤地壩存在建設時間較早、建設質(zhì)量不高、病險率較高等問題，為黃土高原淤地壩在汛期的安全運行帶來很大風險。在黃河水沙大幅度減少的新形勢下，緊緊把握水沙關(guān)系這個“牛鼻子”，推動新時期淤地壩高質(zhì)量建設發(fā)展新局面，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。本研究通過文獻查閱和收集大量淤地壩統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在實地考察和試驗的基礎上，系統(tǒng)分析黃土高原淤地壩建設的歷程及其作用和成效，揭示淤地壩風險形成機理，提出淤地壩風險評價方法和預警系統(tǒng)框架，為黃土高原淤地壩高效運行與建設發(fā)展提供重要科學建議。

一、研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.研究區(qū)概況

黃土高原地勢西高東低，高程變化范圍為81～4985 m，地勢起伏較大，溝道縱橫交錯，流域眾多。黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴重的區(qū)域之一，是黃河泥沙的主要來源區(qū)，黃土高原水土流失治理事關(guān)黃河流域長治久安和高質(zhì)量發(fā)展。黃土高原總面積64 萬km2，降水量較少，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，治理難度較大。為了對黃土高原水土流失治理進行合理的規(guī)劃和有效的措施布設，根據(jù)黃土高原地貌分區(qū)圖（圖1），黃土高原被劃分為沖積平原區(qū)、土石山區(qū)、干旱草原區(qū)、風沙區(qū)、高地草原區(qū)、黃土丘陵林區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土階地區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū)等9個區(qū)，其中黃土丘陵溝壑區(qū)又被細分為5個副區(qū)，在此基礎上進一步建立水土保持分區(qū)，實施分區(qū)治理策略。

2.數(shù)據(jù)來源

本文收集了2011 年全國水利普查數(shù)據(jù)、2008 年水利部淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)以及相關(guān)省市的骨干淤地壩調(diào)查數(shù)據(jù)；同時還收集了1980—2019 年黃土高原及其周邊79 個氣象站的逐日降水數(shù)據(jù)，1960—2020 年潼關(guān)水文站逐年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和1980 年、1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年、2018 年、2020 年等9期土地利用數(shù)據(jù)，空間分辨率為1000 m。通過將前一時期土地利用數(shù)據(jù)作為后一時期之前每年的土地利用數(shù)據(jù)，可以得到1980—2019 年逐年的土地利用數(shù)據(jù)。此外還從聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織官網(wǎng)收集了土壤數(shù)據(jù)。

二、分析與討論

1.黃土高原淤地壩建設歷程

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民在與水土流失災害的長期斗爭中，實踐性創(chuàng)造出的一種水土保持高效措施。打壩淤地在黃河流域已歷時上百年，成為當?shù)厝嗣襁M行生產(chǎn)、生活和生態(tài)保護不可缺少的工程措施。新中國成立以來，黃土高原淤地壩建設歷經(jīng)4個階段，分別是20世紀50年代的試驗示范階段、20世紀60年代的全國推廣階段、20世紀70年代的建設高潮階段以及20世紀80—90年代的骨干工程壩系建設階段。目前，黃土高原已經(jīng)建成淤地壩超過11萬座，明顯改善了黃土高原的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)圖2 統(tǒng)計的1950—2014 年黃土高原逐年新建骨干淤地壩數(shù)量可以看出，20世紀70年代骨干淤地壩修建出現(xiàn)第一個高峰，最多時一年可修建近200座骨干淤地壩，第二個建設高峰出現(xiàn)在2008年，該時期淤地壩大量增加主要是由于2003 年水利部實施了三大水利“亮點工程”，淤地壩建設逐漸恢復，截至2014 年共修建骨干淤地壩5818 座。黃土高原骨干淤地壩建設主要分布在水蝕較為嚴重的黃土丘陵溝壑區(qū)，占黃土高原骨干淤地壩總數(shù)77.9%（圖3）。從流域角度看，骨干淤地壩主要集中建設在黃河流域河口到龍門區(qū)間皇甫川流域、清水川流域、孤山川流域、縣川河流域、窟野河流域、禿尾河流域、無定河流域、清澗河流域以及延河流域，這些流域大多為黃河粗泥沙來源區(qū)，是黃土高原入黃泥沙重要來源地。

圖2 黃土高原逐年新建骨干淤地壩數(shù)量

圖3 黃土高原骨干淤地壩空間分布

2.黃土高原淤地壩建設作用與成效

眾多研究和實踐證明，淤地壩在黃河流域減水減沙、農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善、滯洪減災等方面發(fā)揮了重要作用，其中減少泥沙的效用最為明顯。淤地壩主要通過攔截洪水和抬升侵蝕基準面兩個作用發(fā)揮減水減沙功能。在淤地壩運行期間，溝壁坍塌和溝道擴展是壩地泥沙的主要來源，重力侵蝕和溝道侵蝕是主要侵蝕類型。冉大川等在河龍區(qū)間的研究發(fā)現(xiàn)，1970—1996年間淤地壩減洪減沙量分別占水土保持減洪減沙量的59.3%和64.7%，淤地壩建設成效明顯。只要河龍區(qū)間壩地配置比例在2%左右，就能發(fā)揮45%以上的減沙比例。同時劉曉燕等驗證了淤地壩攔沙量一般大于或等于相應的入黃泥沙量，淤地壩淤滿后仍可發(fā)揮減沙作用，體現(xiàn)出淤地壩減沙減蝕的巨大效應。王浩等指出黃土高原淤地壩在滯洪減沙、攔泥淤地、灌溉增產(chǎn)等方面效益顯著，通過新建淤地壩可實現(xiàn)更長時間的水沙平衡。黃河潼關(guān)水文站1960—2020 年的水沙變化明顯減少，輸沙量呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢。袁水龍等通過模型模擬發(fā)現(xiàn)，淤地壩的修建可以減少洪峰65.34%、減少洪量58.67%，明顯提高防洪能力。

此外，通過修建淤地壩有利于地下水轉(zhuǎn)換，增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯，促進退耕還林還草，壩地土壤肥沃，氮磷鉀等含量是坡耕地的1～5.2倍，產(chǎn)量是坡耕地的3.5倍。通過淤地壩蓄水可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)及果園高效節(jié)水灌溉、應急抗旱等綜合利用。調(diào)查顯示甘肅環(huán)縣17座蓄水淤地壩共計蓄水388萬m3，參照該數(shù)據(jù)黃土高原5818座骨干淤地壩擁有13.27億m3的蓄水潛力，相當于13座大型水庫，具有巨大的社會經(jīng)濟效益和潛力。利用收集的降水、土壤和土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)SCS產(chǎn)流模型計算了5818個骨干淤地壩壩控面積內(nèi)1980—2019年的產(chǎn)流量，分析顯示在99%、95%、90%、75%和50%保證率下對應的所有骨干淤地壩年總產(chǎn)流量分別為0.81億、1.00億、1.22億、1.87億和3.19億m3，其中陜西省榆林市和延安市在50%保證率下所有骨干淤地壩年產(chǎn)水量分別為0.70億和0.31億m3，通過有效發(fā)揮淤地壩蓄水能力，合理利用降水，可以緩解黃土高原干旱缺水問題。1950—2014年黃土高原逐年新建骨干淤地壩已淤積庫容如圖4所示，20世紀70年代修建的骨干淤地壩已淤積庫容最多，表明這一時期黃土高原土壤侵蝕嚴重，淤地壩在攔沙方面發(fā)揮明顯作用；2003年以后修建的骨干淤地壩已淤積庫容相對70年代較少，主要是由于該時期退耕還林還草明顯改善地區(qū)植被覆蓋狀況，坡面土壤侵蝕相對減少，淤地壩攔沙作用有所減弱，但在穩(wěn)定溝道和減少重力侵蝕方面仍然發(fā)揮主要作用。

圖4 黃土高原逐年新建骨干淤地壩已淤積庫容

3.黃土高原淤地壩風險的形成機理

淤地壩按照庫容大小一般分為骨干淤地壩（庫容50萬m3以上）、中型淤地壩（庫容10萬～50 萬m3）和小型淤地壩（庫容1 萬～10 萬m3），比傳統(tǒng)的水工大壩庫容相對較小。由于受技術(shù)和經(jīng)濟因素影響，以往淤地壩設計建設標準不高，不能過流，缺少泄洪洞，治理控制不嚴格，遇到暴雨年份容易損毀。此外，由于眾多淤地壩建設時間較早，特別是中小型淤地壩超齡服役，庫區(qū)淤滿，加上極端氣候變化，近年黃土高原淤地壩水毀現(xiàn)象頻發(fā)，病險問題日漸嚴重。1994 年陜北淤地壩水毀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當年7—8 月沖垮和部分損毀的淤地壩占總數(shù)的23%；2016 年8 月內(nèi)蒙古達拉特旗暴雨導致19座淤地壩潰決；2017年7月無定河大雨導致337座淤地壩損毀。陜西全省38 951座淤地壩中絕大部分修建于20 世紀60—70 年代，骨干淤地壩中存在安全隱患的占48.9%，中型壩中存在安全隱患的占54.7%。淤地壩損毀可能導致下游壩地莊稼被淹沒，洪水疊加，威脅人民生命財產(chǎn)安全。王丹等對寧夏典型流域淤地壩運行風險進行了系統(tǒng)評價，發(fā)現(xiàn)淤地壩運行風險主要來自4個方面：一是運行時間過長，滯洪庫容不足，遇到大暴雨時泄洪能力不足；二是壩系設計不合理；三是建設質(zhì)量低，壩體易損壞；四是缺乏有效管護。病險類型主要為壩體病險、防水建筑物病險和溢洪道病險，通過進一步對病險機理進行分析，發(fā)現(xiàn)造成病險的主要原因是壩體滲水開裂、臥管沉降或堵塞、原設計缺少溢洪道或溢洪道尺寸小等。

4.黃土高原淤地壩風險評價及預警

為了更好地發(fā)揮淤地壩的多重效用，減少人民財產(chǎn)損失，對淤地壩風險進行評價和預警是十分必要的。馬瑞等運用層次分析法構(gòu)建了甘肅省淤地壩工程潰壩風險評價模型，并指出該模型可以為汛期淤地壩工程風險評價提供實時預警數(shù)據(jù)。祖強等建立了極端降雨條件下小流域淤地壩壩系連潰風險評價模型，并指出增設溢洪道能夠有效減少風險。王丹等構(gòu)建了韭園溝流域淤地壩壩系布局評價模型，分析表明骨干淤地壩對壩系布局具有決定性影響。杭朋磊經(jīng)過系統(tǒng)研究和總結(jié)，指出眾多的風險評價方法都表明淤地壩風險評價主要是基于環(huán)境風險、工程風險、管理風險和經(jīng)濟風險等4 個方面的指標建立的，同時還繪制了淤地壩風險評價的基本流程圖，涉及水文分析、潰壩模擬、洪災損失和風險評價4個重要環(huán)節(jié)。在建立淤地壩風險評價的基礎上，進行及時有效的預警顯得更為緊迫，對于保障人民生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。通過采用物聯(lián)網(wǎng)、5G+人工智能技術(shù)，整合淤地壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行高效的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，利用邊緣計算及任務調(diào)度策略，保證計算任務的時效性，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的淤地壩監(jiān)測與預警系統(tǒng)，可以為淤地壩監(jiān)測、基礎信息管理、安全評估、風險預警等提供技術(shù)支持。

5.黃土高原淤地壩高效運行與高質(zhì)量發(fā)展建議

黃土高原淤地壩建設正在經(jīng)歷從單一攔沙淤地，向全流域、全功能的高質(zhì)量建設階段轉(zhuǎn)變。在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的國家戰(zhàn)略下，淤地壩建設必須繼續(xù)服務國民經(jīng)濟建設，實現(xiàn)高效運行與高質(zhì)量發(fā)展。在黃河水沙變化的新情勢下，如何高效治理流域侵蝕產(chǎn)沙，提升流域抗侵蝕能力，保障壩系安全運行，實現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)“三生”用水協(xié)調(diào)和鄉(xiāng)村振興與低碳可持續(xù)發(fā)展，都是新時期淤地壩建設必須面臨的考驗?；诖耍柽M一步加強淤地壩建設，全面評估淤地壩作用，繼續(xù)增強對淤地壩攔沙滯洪、調(diào)峰消能、異地減蝕等機理的認識，建設現(xiàn)代化管理體系，提高建設質(zhì)量與風險管控水平，進一步提升淤地壩開發(fā)利用水平，樹立新的開發(fā)利用理念，結(jié)合鄉(xiāng)村振興和新能源利用服務“雙碳目標”。具體可從以下6個方面開展：一是增設溢洪道等淤地壩結(jié)構(gòu)，提升淤地壩汛期風險防控能力；二是開發(fā)蓄水型淤地壩，提高流域雨洪水資源利用率；三是構(gòu)建壩系流域水土資源協(xié)同發(fā)展模式；四是拓展淤地壩壩系提高流域水土資源承載能力的途徑；五是創(chuàng)新淤地壩運行與管護體制機制；六是引領(lǐng)淤地壩壩系產(chǎn)業(yè)與新能源綠色發(fā)展結(jié)合新方向。

三、結(jié) 語

本文以黃土高原淤地壩為研究對象，系統(tǒng)全面地闡述了黃土高原淤地壩建設歷程、作用與成效、風險形成機理及風險評價與預警，提出了黃土高原淤地壩高效運行與高質(zhì)量發(fā)展的建議。

黃土高原淤地壩建設歷時悠久，數(shù)量龐大，截至2014 年，共計建設骨干淤地壩5818 座，77.9%的骨干淤地壩主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)。淤地壩在黃河流域減水減沙、農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善、滯洪減災等方面發(fā)揮了重要作用，其中減少泥沙的效用最為明顯。

淤地壩運行風險主要來自滯洪庫容不足、設計不合理、建設質(zhì)量低和缺乏有效管護等4 個方面。結(jié)合風險評價模型和5G 等信息技術(shù)建立淤地壩風險預警系統(tǒng)，可有效維護人民生命財產(chǎn)安全。

未來需進一步加強淤地壩建設，全面評估淤地壩作用，建設現(xiàn)代化管理體系，提高建設質(zhì)量與風險管控水平，進一步提升淤地壩開發(fā)利用程度，樹立新的開發(fā)利用理念，服務國家發(fā)展戰(zhàn)略。