黃河流域第三副區(qū)壩系攔沙輸沙監(jiān)測成果分析

馬安利

（黃河上中游管理局，西安710021）

淤地壩是小流域水土流失治理、生態(tài)環(huán)境改善和穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)田建設(shè)的重要舉措［1］。近年來，隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，淤地壩工程的巨大效益和作用得到國家有關(guān)部委的重視和肯定。然而這種效益究竟表現(xiàn)在那些方面？進行評價計算需要哪些數(shù)據(jù)？如何采集數(shù)據(jù)？如何計算？搞清楚這些問題，對于淤地壩的建設(shè)管理以及淤地壩效益發(fā)揮，具有指導(dǎo)意義。基于這些問題，黃河上中游管理局開展了水利部公益性行業(yè)科研專項項目“小流域壩系監(jiān)測評價技術(shù)研究”，研究考慮了小流域壩系的區(qū)域性，選擇了能夠代表區(qū)域不同類型區(qū)的12個小流域作為研究對象。本文選擇課題中代表黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的寧夏回族自治區(qū)西吉縣聶家河小流域示范壩系，對小流域壩系監(jiān)測的技術(shù)方法、內(nèi)容和攔沙效益進行深入的探討分析，為將小流域壩系的監(jiān)測研究成果推廣到整個黃土高原提供實踐依據(jù)和技術(shù)支持。

1 流域基本情況

1.1 自然概況

聶家河小流域位于寧夏回族自治區(qū)西吉縣興坪、平峰兩鄉(xiāng)境內(nèi)，屬黃河流域渭河水系葫蘆河一級支流濫泥河的一級支溝，地理位置為東經(jīng)105°33′54″—105°41′03″，北緯35°44′24″—35°50′03″，為黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，流域總面積46.57km2。水土流失類型以水蝕為主，兼有重力侵蝕。水土流失面積44.9 km2，占流域總面積的96.4%，年徑流模數(shù)2.3萬m3／km2，年侵蝕模數(shù)6 880t／km2。

流域內(nèi)以黃土長梁為主，間有溝谷、臺地、塌坡等地貌類型，流域呈狹長形，平均長14.6km，平均寬2.8 km，主溝道平均比降5.88‰，流域海拔高程1 756～2 036.6m，相對高差280.6m，溝谷多呈U形。聶家河流域多年平均氣溫為5.3℃；年平均日照時數(shù)為2 322.3h；多年平均降雨量為420mm，降雨總量少，且因時空分布不均勻、年際變率大、利用率低。

流域內(nèi)水土保持綜合治理采用退耕還林、經(jīng)濟林、梯田、淤地壩相結(jié)合的治理方法，即山頂實施退耕還林還草措施，防風(fēng)固沙；山腰興修梯田，增產(chǎn)增收、保水保土；山底修建治溝骨干工程和中小型淤地壩，攔沙蓄水。典型地段如臺地、荒山等種植經(jīng)果林，既能防治水土流失，又能發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟。

1.2 壩系建設(shè)情況

2 監(jiān)測內(nèi)容與方法

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

主要監(jiān)測內(nèi)容包括攔沙監(jiān)測、輸沙監(jiān)測兩個方面。攔沙監(jiān)測主要是監(jiān)測一定時段內(nèi)淤地壩的攔沙情況，即壩系中全年及訊期產(chǎn)洪蓄水條件下的泥沙淤積厚度及淤積量、攔沙量變化情況。監(jiān)測指標(biāo)是淤地壩攔沙量。輸沙監(jiān)測的重點是在暴雨洪水期間，實時觀測把口站輸沙情況。監(jiān)測指標(biāo)是把口站輸沙量［2］。聶家河小流域壩系攔沙輸沙監(jiān)測期為5a，即2006—2010年。

2.2 監(jiān)測方法

2.2.1 降雨監(jiān)測 降雨監(jiān)測點共2處，分別布設(shè)在流域出口的把口站處和流域上游民和骨干壩。采用JDZ－1型雨量數(shù)據(jù)采集儀和JDZ02－A翻斗式雨量傳感器自動實時監(jiān)測汛期（5—10月）降雨量。

2.2.2 攔沙監(jiān)測 攔沙監(jiān)測點17個，布設(shè)在常年有水、且正常運行的淤地壩內(nèi)，利用自制泥沙沉積板進行監(jiān)測。汛期前，制作40cm×40cm的泥沙沉積面板，將泥沙沉積面板的四角用繩索連接，繩索一頭系漂浮物（圖1），將泥沙沉積面板放入壩底，汛期結(jié)束后取出，測泥沙厚度，取中部100cm2的泥沙烘干稱重。測完后，將泥沙沉積面板清洗干凈，再次放入水底。每個淤地壩沿縱向中軸線和橫向中軸線放置3個泥沙沉積面板，每個淤地壩共放置5個，如圖2所示。

圖1 泥沙沉積面板

圖2 淤地壩攔沙監(jiān)測點布置圖

2.2.3 輸沙監(jiān)測 在把口站邊墻設(shè)水尺、自記水位計，在自記水位計記錄輸水的同時，人工記錄水位變化，計算輸水量，與自記水位計進行比較。同時取水樣測量泥沙輸出情況。水位觀測采用人工觀測的方法。平水期每天8：00和20：00各記錄一次；洪水期每5 min觀測記錄一次，短歷時暴雨每2～3min觀測記錄一次。在測流斷面中心垂直測線上，采用模式采樣器，用三點法（即0.2h，0.6h，0.8h）取樣，每次采樣不得少于500～1 000ml，取2～3次，與測流同時進行。泥沙含量測定采用烘干和天平稱重法，見下式：

式中：P——含沙量（kg／m3）；WS——水樣泥沙干重（g）；V——渾水體積（cm3）。輸沙情況監(jiān)測在每次有徑流流出時，進行觀測，同時取水樣測量泥沙輸出情況。

3 監(jiān)測成果與分析

監(jiān)測成果主要包括2006—2010年西吉縣聶家河小流域壩系工程示范壩系的降雨、攔沙、輸水和輸沙等數(shù)據(jù)，同時對小流域壩系監(jiān)測的技術(shù)方法、內(nèi)容和攔沙效益進行探討分析。

3.1 降雨與壩系攔沙量

（1）降雨。2006年，由于監(jiān)測設(shè)施布設(shè)較晚，未觀測到汛期降雨量，根據(jù)多年平均降雨量420mm進行推算本年汛期降雨量為357.2mm。2007年，聶家河流域監(jiān)測期（5—10月）平均降雨量339.4mm，其中：聶家河骨干壩監(jiān)測點降雨量292.2mm，民河骨干壩降雨量386.6mm，兩個監(jiān)測點降雨量相差94.4 mm。2008年，聶家河流域監(jiān)測期（5—10月）平均降雨量158.4mm，其中：聶家河骨干壩監(jiān)測點降雨量234.1mm，民河骨干壩降雨量82.8mm，兩個監(jiān)測點降雨量相差較大，為151.3mm。8月和10月降雨較多年平均低，9月降雨較多年平均高。2009年，民和監(jiān)測點的自計雨量出現(xiàn)故障，只監(jiān)測到聶家河監(jiān)測點的雨量情況。監(jiān)測結(jié)果顯示，監(jiān)測期（5—10月）平均降雨量240.6mm，較多年平均降雨量減少，但主汛期（7—9月）降雨量為195.8mm，其中8月分別較2007年和2008年增加了36.5mm和75.4mm。但7月和9月降雨較前兩年降雨量低。2010年，聶家河流域監(jiān)測期（5—10月）平均降雨量351.81mm，其中：聶家河骨干壩監(jiān)測點降雨量351.8mm，民河骨干壩降雨量352.4mm，兩個監(jiān)測點降雨量相差不大，為0.6mm。

（2）壩系攔沙量。2006—2010年聶家河小流域壩系的攔沙量分別為：1 426.09，1 353.32，881.08，696.82，1 015.05t（表1）。

試驗段位于某高速公路K201+250—K231+500標(biāo)段，線路全長30.25km，路基寬度設(shè)計為26m，道路全線設(shè)計行車速度為100km/h，該道路路基結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為：20cm級配碎石+20cm水泥穩(wěn)定級配碎石+20cm水泥穩(wěn)定級配碎石。由于試驗段所處地區(qū)冬季寒冷夏季炎熱且晝夜溫差較大，常規(guī)半剛性基層瀝青路面容易出現(xiàn)反射裂縫等病害，因此，試驗段道路在設(shè)計時決定采用級配碎石作為路面基層。

表1 聶家河小流域壩系降雨量與攔沙量成果

（3）降雨量、攔沙量年際變化趨勢分析。汛期降雨量年際變化大［3］。從表1可知，2008年的汛期降雨量最小，僅為158.4mm，2010年最大，為351.8mm，是2008年的2.22倍，其次是2007年為339.4mm?？傮w上看2008年屬于枯水期。2009年攔沙量小，僅為696.82t；2006年最大為1 426.09t，其次是2007年為1 353.32t，最大攔沙量是最小攔沙量的2.05倍，2007年的攔沙量也比2009年攔沙量大1.94倍。降雨量與攔沙量的趨勢基本一致。降雨量大，攔沙量也大，2008年降雨量最小，其攔沙量也相對較少［4］。

3.2 輸水輸沙

在監(jiān)測期內(nèi)，2007年出壩徑流量為21 124.80 m3，出壩泥沙量為0.003萬t，2006年、2008年、2009年、2010年出壩徑流量、出壩泥沙量為0（表2）。

表2 流域把口站（監(jiān)測壩）年輸沙量特征值

從表2可見，在5a的監(jiān)測期內(nèi)，只有2007年6月15日，有徑流和泥沙出壩，出壩徑流量為21 124.80 m3、平均含沙量為1.5kg／m3、最大含沙量1.95kg／m3，而出壩的泥沙量僅為0.003t，其余年份的徑流和泥沙基本不出溝［5］。

3.3 不同壩型攔沙量

從2006—2010年，壩系共攔蓄泥沙5 372.36t，骨干壩攔蓄泥沙5 030.84t，中型壩攔蓄泥沙305.76 t，小型壩攔蓄泥沙35.76t，骨干壩、中型壩和小型壩所攔蓄的泥沙比例分別為93.64%，5.69%和0.67%，骨干壩所占比例最大，為93.69%。

表3說明，2006—2010年，骨干壩攔沙量大于93% 以 上，分 別 為 93.45%，93.45%，93.48%，94.04%，94.04%；中型壩攔沙量大于5%以上，分別為5.62%，5.62%，5.60%，5.85%，5.85%；小型壩攔沙量小于 1%，分 別 為 0.93%，0.93%，0.93%，0.11%，0.11%。由此說明骨干壩在壩系攔沙中起主導(dǎo)作用［6］。

3.4 單位面積攔沙量

聶家河流域壩系骨干壩控制面積27.80km2，中型壩控制面積16.09km2，小型壩控制面積2.68km2。監(jiān)測結(jié)果表明，從2006—2010年壩系單位面積攔沙量分別為30.62，29.06，18.92，14.96，21.80t，其中骨干壩、中型壩、小型壩單位面積攔沙量見表4。

從表1和表4數(shù)據(jù)中可以看出，2006—2009年，隨著降雨量的減少，骨干壩單位面積攔沙量呈下降趨勢，2010年降雨量增大，單位面積攔沙量呈上升趨勢；對中型壩來說，隨著降雨量的逐年減小，單位面積攔沙量呈較緩下降趨勢；對小型壩而言，單位面積攔沙量呈下降趨勢，尤其在2009年、2010年降雨量增加的情況下，攔沙量也呈下降趨勢。由此說明，降雨對骨干壩單位面積攔沙量影響比較大［7］。單位面積攔沙量骨干壩＞中型壩＞小型壩，從2006—2010年，單位面積骨干壩攔沙量分別是中型壩的9.63，9.62，9.68，9.28，9.31倍，是小型壩的9.72，9.74，9.68，84.18，83.76倍，骨干壩的攔沙作用明顯大于中型壩和小型壩。

表3 聶家河小流域壩系不同壩型攔沙成果

表4 聶家河小流域壩系單位面積攔沙成果

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

黃河的根本問題是泥沙。從聶家河小流域壩系5a的攔沙輸沙監(jiān)測結(jié)果來看，通過淤地壩建設(shè)，流域自身的保土保水能力逐漸增強［8］；壩系工程抬高了侵蝕基準(zhǔn)，穩(wěn)定了溝坡，有效控制了溝床下切和溝岸擴張，保護了農(nóng)田；流域壩系可以有效攔沙，控制水土流失，減少入黃泥沙，保護下游河流安全。本次監(jiān)測成果可以作為小流域壩系監(jiān)測的技術(shù)推廣，也可為黃土高原小流域效益評價及土地資源的合理利用提供數(shù)據(jù)參考。（1）攔泥保土，有效地減少入黃泥沙的來源［9］。由于溝道壩系工程建設(shè)，降雨徑流和泥沙幾乎全部攔蓄在溝道中。從把口站監(jiān)測上看只有2007年出現(xiàn)卡口站的輸水輸沙現(xiàn)象，其余4a均被攔在溝道中，基本達到了泥沙不出溝。（2）抬高侵蝕基點，控制水土流失。5a內(nèi)聶家河流域壩系共攔蓄泥沙5 372.36t在溝道里，從而抬高了侵蝕基點，穩(wěn)定了溝坡，控制了溝床下切和溝岸擴張。（3）骨干壩在攔沙中起關(guān)鍵作用。從監(jiān)測成果分析可以看出，骨干壩在壩系攔沙中起關(guān)鍵作用，攔蓄的泥沙比例為93.64%，說明骨干壩建設(shè)能夠快速有效地攔蓄徑流泥沙，是水土保持生態(tài)建設(shè)的重要措施［10］。

4.2 建 議

（1）由于聶家河流域壩系監(jiān)測時間只有5a，數(shù)據(jù)分析上還存在一定的局限性，例如暫時還無法分析歷年小流域把口站的輸沙量的變化趨勢、汛期輸出洪水徑流量的變化趨勢，建議增加穩(wěn)定的監(jiān)測經(jīng)費投入，延長監(jiān)測時間。

（2）本次監(jiān)測點主要布設(shè)在溝道，坡面措施的攔沙效果還沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)，建議增設(shè)坡面徑流小區(qū)，對各種措施產(chǎn)生的效益進行全面的監(jiān)測。

（3）由于課題的研究性質(zhì)和特征以及小流域壩系建設(shè)、管理、維護需要的廣泛性，因此本課題在小流域壩系監(jiān)測評價中，還有某些方面沒有觸及，在小流域壩系監(jiān)測評價的未來研究中，可以作為關(guān)注重點［6］。

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