高雅玉，田晉華，李嘉楠

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

建設(shè)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(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,具有巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。近年來(lái)淤地壩建設(shè)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(shè)經(jīng)費(fèi)普遍較少,未布設(shè)防洪設(shè)施或僅有簡(jiǎn)易的臥管、土質(zhì)溢洪道,造成防洪能力和標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)的主要目標(biāo)是攔沙和淤地造田,但近年來(lái)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(dá)到淤積年限后仍然有很大一部分?jǐn)r泥庫(kù)容因未淤滿而成為蓄洪水庫(kù)。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(jī)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(shí),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(shè)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(shè)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(yáng)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(fēng)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(qiáng)。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(yán)酷,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)困難［4］。將流域內(nèi)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(nèi)草地主要分布在坡地上,林地主要分布在溝谷或地勢(shì)較低的坡面,裸地主要分布在陡坡上,水體主要是流域內(nèi)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(shè)運(yùn)行概況

司家溝流域內(nèi)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(shè)計(jì)淤積年限16 a,設(shè)計(jì)總庫(kù)容50.20萬(wàn)m3,壩高22.3 m,壩控面積3.11 km2,設(shè)計(jì)攔泥庫(kù)容22.20萬(wàn)m3,目前淤泥面距壩頂?shù)母叨葹?3.6 m,已淤積13.20萬(wàn)m3,雖已經(jīng)超過設(shè)計(jì)淤積年限但仍未淤滿,蓄水11.60萬(wàn)m3,防汛道路不暢通,壩體維護(hù)較好,但是沒有溢洪道等泄洪設(shè)施,僅有放水臥管。西溝骨干壩設(shè)計(jì)淤積年限10 a,設(shè)計(jì)總庫(kù)容81.00萬(wàn)m3,壩高21.3 m,壩控面積4.09 km2,設(shè)計(jì)攔泥庫(kù)容29.00萬(wàn)m3,目前淤泥面距壩頂?shù)母叨葹?1.60 m,已淤積18.70萬(wàn)m3,雖已經(jīng)超過設(shè)計(jì)淤積年限但也未淤滿,蓄水12.40萬(wàn)m3,防汛道路不暢通,壩體維護(hù)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(shè)施、只有放水臥管,因此為了汛期防洪安全,基本屬于空庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 東溝骨干壩

圖2 西溝骨干壩

對(duì)司家溝流域2座骨干壩的調(diào)研發(fā)現(xiàn),該流域壩系建設(shè)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(shè)缺乏壩系整體規(guī)劃,骨干壩達(dá)到設(shè)計(jì)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(shè)施簡(jiǎn)陋、不配套,不能滿足壩體防汛要求,存在病險(xiǎn)隱患；管理水平低,群眾管護(hù)的自覺性較差；流域內(nèi)水土流失治理程度與標(biāo)準(zhǔn)偏低,治理任務(wù)依然較重。

1.3 骨干壩防洪能力校核

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

防洪能力校核結(jié)果見表1。目前,東溝、西溝骨干壩剩余庫(kù)容分別為37.00萬(wàn)、62.30萬(wàn)m3,現(xiàn)狀防洪能力分別為10 a一遇（洪量為32.24萬(wàn)m3)、20 a一遇（洪量為45.59萬(wàn)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(shè)施情況下,分別預(yù)測(cè)10、20 a后的防洪能力：此后10 a內(nèi)東溝、西溝骨干壩的平均淤積速率分別取0.58萬(wàn)、0.77萬(wàn)m/a,10 a后東溝、西溝骨干壩剩余庫(kù)容分別為31.20萬(wàn)、54.60萬(wàn)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(wàn)、0.51萬(wàn)m3/a,20 a后東溝、西溝骨干壩剩余庫(kù)容分別為26.60萬(wàn)、49.50萬(wàn)m3,防洪能力分別為5 a一遇、20 a一遇。校核結(jié)果表明,未來(lái)20 a骨干壩仍難以淤滿,攔蓄雨洪資源的潛力巨大,同時(shí)防洪安全問題凸顯。

表1 防洪能力校核結(jié)果

2 壩系建設(shè)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(gòu)成,不同地區(qū)由于淤地壩建設(shè)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(diào)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(qiáng)度有關(guān)（見表2)。

表2 不同侵蝕強(qiáng)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(nèi)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(shè)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(nèi)單元壩系數(shù)量：

式中：Ng為單元壩系數(shù)量,個(gè)；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(diào)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(yīng)按式（2)、式（3)進(jìn)行數(shù)量上的調(diào)整：

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

（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(chǎng)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(yàn)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(biāo)推算法確定建壩規(guī)模

流域壩系工程建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)規(guī)模是壩系總體布局的前提與基礎(chǔ),應(yīng)充分考慮流域自然條件、工程現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)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(jié)合壩址區(qū)實(shí)地勘查,合理確定壩系建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)規(guī)模。淤地壩系工程建設(shè)目標(biāo)主要有攔沙和淤地兩類目標(biāo),目標(biāo)推算法就是根據(jù)建設(shè)目標(biāo)推算中小型淤地壩數(shù)量。在構(gòu)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(duì)流域水土流失狀況、工程建設(shè)現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)社會(huì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)、當(dāng)?shù)貙?duì)壩系建設(shè)的需求及工程建設(shè)資源等進(jìn)行調(diào)研,選擇設(shè)計(jì)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(biāo),推算建壩規(guī)模。

（1)攔沙目標(biāo)。攔沙目標(biāo)采用下式計(jì)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(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)壩系工程累計(jì)新增攔沙量,m3；Y為設(shè)計(jì)淤積年限,一般取20～30 a。

（2)淤地目標(biāo)。淤地目標(biāo)即設(shè)計(jì)水平年流域內(nèi)新增壩地面積,可采用下式計(jì)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(shí)地調(diào)查的淤地模數(shù)（單位淤地面積所需的攔泥量)與設(shè)計(jì)淤地模數(shù)之比,當(dāng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料來(lái)源于本流域或來(lái)源于地形條件十分相似的流域時(shí),可取η＝1；ω為設(shè)計(jì)淤地模數(shù),m3/hm2。

（3)水資源高效利用目標(biāo)。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(yīng)考慮對(duì)雨洪水資源的攔蓄利用。水資源利用率可用下式計(jì)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(wàn)m3；D2為淤地壩攔蓄的水資源量,萬(wàn)m3。

根據(jù)攔沙目標(biāo)、淤地目標(biāo)和水資源高效利用目標(biāo),確定流域內(nèi)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(diào)整方法

兩種推算方法所得結(jié)果存在差異,應(yīng)對(duì)中小型淤地壩的數(shù)量作進(jìn)一步的調(diào)整,并將中小型淤地壩分配到每個(gè)單元壩系中,即進(jìn)行數(shù)量調(diào)整和結(jié)構(gòu)調(diào)整。

（1)數(shù)量調(diào)整。以目標(biāo)推算的結(jié)果為基數(shù),對(duì)淤地壩的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整的過程中應(yīng)遵循以下原則：①人口密集、用地需求較大的區(qū)域適當(dāng)增加,反之適當(dāng)減少；②水土流失強(qiáng)度大的區(qū)域適當(dāng)增加,反之適當(dāng)減少；③溝壑密度較大的區(qū)域適當(dāng)增加,反之適當(dāng)減少；④受地形、村莊、道路等影響,建壩條件較差的溝道適當(dāng)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(jié)構(gòu)調(diào)整。在中小型淤地壩數(shù)量確定后,基本達(dá)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(kù)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(shè)潛力計(jì)算

（1)確定土壤侵蝕量。司家溝流域內(nèi)2座骨干壩的壩控面積為7.20 km2,流域內(nèi)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(wàn)t。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL289—2003),計(jì)算20 a內(nèi)司家溝流域壩控面積的總侵蝕量為43.26萬(wàn)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(duì)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(jìn)行調(diào)查,單壩淤積量為4.2萬(wàn)～5.4萬(wàn)t,鑒于司家溝流域內(nèi)植被恢復(fù)較好,單壩淤積量取4.6萬(wàn)t。

（3)確定骨干壩與中小型淤地壩數(shù)量。按照規(guī)范,強(qiáng)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(wàn)t和中小型淤地壩平均單壩淤積量為4.6萬(wàn)t,得出司家溝流域內(nèi)應(yīng)布設(shè)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(shè)規(guī)模分析

（1)攔沙目標(biāo)。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(biāo)2 681 t/（km2·a),推算司家溝流域20 a的攔沙目標(biāo)為38.65萬(wàn)t。根據(jù)流域內(nèi)淤地壩的平均淤積量計(jì)算,應(yīng)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(biāo)。根據(jù)慶陽(yáng)市“十三五”水利規(guī)劃確定的糧食增產(chǎn)目標(biāo)4.47萬(wàn)kg/a,按照4 500 kg/hm2的產(chǎn)量估算,司家溝流域內(nèi)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(nèi)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(biāo)。半干旱地區(qū)水資源較為匱乏,良好水質(zhì)的水資源更為珍貴,要低風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)和有效地將壩控流域面積的雨洪水資源存蓄、利用起來(lái),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(yīng)達(dá)到30%,中小型淤地壩控制區(qū)域的水資源利用率應(yīng)達(dá)到25%。

（4)壩系建設(shè)規(guī)模的確定。上述分析計(jì)算所得建壩潛力及不同建設(shè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的建壩規(guī)模統(tǒng)計(jì)見表3。綜合分析認(rèn)為：司家溝流域適宜建設(shè)2座骨干壩,應(yīng)對(duì)原有的2座骨干壩配備泄洪設(shè)施、提高防洪標(biāo)準(zhǔn)；流域內(nèi)中小型淤地壩建設(shè)潛力為8座,適宜建設(shè)7座。

表3 各種方法推算的司家溝流域壩系建設(shè)規(guī)模統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

半干旱區(qū)淤地壩建設(shè)的傳統(tǒng)目標(biāo)主要是攔沙和淤地造田。近年來(lái)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(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)緩解半干旱區(qū)水資源危機(jī)有至關(guān)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(biāo)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(yīng)對(duì)原有的2座骨干壩配備泄洪設(shè)施、提高防洪標(biāo)準(zhǔn),使骨干壩控制區(qū)域的水資源利用率達(dá)到30%、中小型淤地壩控制區(qū)域的水資源利用率達(dá)到25%。