黃土高原小流域淤地壩監(jiān)測

喻權剛， 馬安利

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局， 陜西 西安 710021)

黃土高原小流域淤地壩監(jiān)測

喻權剛， 馬安利

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局， 陜西 西安 710021)

摘要：[目的] 為了探索小流域淤地壩監(jiān)測的內(nèi)容、指標、方法，分析淤地壩建設效益，更好地為淤地壩規(guī)劃、建設、運行管理服務。[方法] 2005—2010年，在黃土高原不同水土流失類型區(qū)選擇了12條典型小流域壩系，布設監(jiān)測點，采用遙感、水沙觀測、調(diào)查等方法，連續(xù)開展淤地壩工程建設動態(tài)、攔沙蓄水、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全等監(jiān)測。分析了淤地壩建設與壩系配置、坡面治理、攔沙蓄水、壩地利用等之間的關系。[結(jié)果] 小流域淤地壩壩系在攔截泥沙、蓄洪滯洪、減蝕固溝、增地增收、促進農(nóng)村生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境改善等方面發(fā)揮了顯著的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。[結(jié)論] 建議在淤地壩建設中以小流域為單元，以骨干壩為主體，骨干壩、中型壩、小型淤地壩相結(jié)合，形成穩(wěn)定的淤地壩壩系。

關鍵詞：黃土高原; 淤地壩; 監(jiān)測

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民在長期同水土流失斗爭實踐中創(chuàng)造的一種行之有效的既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食的水土保持工程措施，已有幾百年的發(fā)展歷史。最初的淤地壩是自然形成的，距今已有400 a余，新中國成立后，經(jīng)過水利水土保持部門總結(jié)、示范和推廣，淤地壩建設得到了快速發(fā)展。大體經(jīng)歷了4個階段：20世紀50年代的試驗示范，60年代的推廣普及，70年代的發(fā)展建設和80年代以來以治溝骨干工程為骨架、完善提高的壩系建設階段。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，經(jīng)過50 a多的建設，黃土高原地區(qū)現(xiàn)有淤地壩11萬余座，淤成壩地3.00×105hm2，可攔蓄泥沙2.10×1010m3[1]。

為了研究探索小流域淤地壩監(jiān)測的內(nèi)容、指標、方法，分析淤地壩建設效益，在黃土高原不同水土流失類型區(qū)選擇了12條典型小流域壩系，連續(xù)開展了工程建設動態(tài)、攔沙蓄水、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全等監(jiān)測研究，經(jīng)過分析認為，淤地壩在攔截泥沙，蓄洪滯洪，減蝕固溝，增地增收，促進農(nóng)村生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境改善等方面發(fā)揮了顯著的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。在黃土高原地區(qū)大規(guī)模修建淤地壩，能有效攔截入黃泥沙，加上其他水土保持措施，對解決黃河下游河道的淤積，實現(xiàn)“河床不抬高”和黃河長治久安的目標具有重要意義[2]。

1典型小流域壩系概況

1.1　典型小流域壩系自然概況

在黃土高原選擇青海省大通縣景陽溝，甘肅省安定區(qū)稱鉤河、環(huán)縣城西川，寧夏回族自治區(qū)西吉縣聶家河，內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗西黑岱、清水河縣范四窯，陜西省橫山縣元坪、寶塔區(qū)麻莊、米脂縣榆林溝，山西省河曲縣樹兒梁、永和縣岔口，河南省濟源市硯瓦河等12條小流域壩系，開展淤地壩監(jiān)測試驗。12條小流域總土地面積970.31 km2，水土流失面積914.25 km2，占94.2%，水土流失極其嚴重。典型小流域壩系自然情況見表1。

1.2　小流域壩系工程建設規(guī)模

12條小流域壩系共建有淤地壩775座。其中，骨干壩152座，中型壩224座，小型壩399座。監(jiān)測期內(nèi)共新建淤地壩335座，其中，2006年新建壩68座，2007年新建壩155座，2008年新建壩101座，2009年新建壩5座，2010年新建壩6座。12條壩系淤地壩數(shù)量見表2。

表1　典型小流域壩系自然情況

表2　12條小流域壩系淤地壩工程建設情況

1.3　小流域壩系監(jiān)測設施建設

12條壩系共建設攔沙監(jiān)測點524個，每條流域的骨干壩、中型壩及部分小型壩設點監(jiān)測。建設輸沙監(jiān)測點13個，每條流域設1個把口站，陜西榆林溝由于溝口建水庫，在兩條支流建徑流泥沙監(jiān)測站。建設蓄水監(jiān)測點491個，建設雨量監(jiān)測點27個，根據(jù)流域面積大小，每條流域設1~3個雨量站[3]。

2小流域淤地壩監(jiān)測內(nèi)容及方法

監(jiān)測主要內(nèi)容包括：工程建設動態(tài)、攔沙蓄水、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全等(圖1)。

圖1　小流域壩系監(jiān)測內(nèi)容

2.1　工程建設動態(tài)監(jiān)測

工程建設動態(tài)監(jiān)測分為坡面治理動態(tài)和溝道工程建設動態(tài)兩部分。

坡面治理動態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容主要是坡面治理工程的數(shù)量及其變化。坡面治理工程包括梯田、造林、種草、封禁及其他坡面措施，主要指標是逐年核實后的新增治理面積和累計治理面積。

溝道工程建設動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容主要是溝道壩系工程的數(shù)量及其變化。溝道工程包括骨干壩、中型淤地壩、小型淤地壩等。主要指標是已建成工程數(shù)量和在建工程數(shù)量及結(jié)構(gòu)比例。

2.2　攔沙蓄水監(jiān)測

包括攔沙量監(jiān)測、輸沙量監(jiān)測、蓄水用水監(jiān)測3部分。攔沙量監(jiān)測主要是監(jiān)測淤地壩的攔沙情況，實時監(jiān)測淤地壩的攔沙量；輸沙量監(jiān)測主要監(jiān)測經(jīng)過流域出口的輸沙量及徑流量；蓄水用水監(jiān)測主要是監(jiān)測淤地壩內(nèi)蓄水情況和生產(chǎn)、生活用水情況。包括淤地壩年末蓄水量、水面面積以及灌溉用水量、人畜用水量等。

2.3　壩地利用及其增產(chǎn)效益監(jiān)測

對淤地壩內(nèi)的壩地面積、壩地利用面積、壩地內(nèi)農(nóng)作物面積、壩地農(nóng)作物單產(chǎn)以及年增產(chǎn)等情況進行監(jiān)測。

2.4　壩系工程安全監(jiān)測

壩系工程安全監(jiān)測包括壩體及其泄水建筑物安全監(jiān)測和壩系安全運行監(jiān)測兩部分。

壩體及其泄水建筑物安全監(jiān)測主要監(jiān)測淤地壩壩體及其泄水建筑物在運行期間有無滑坡、沖刷、滲流、沉陷、裂縫等問題。

壩系安全運行監(jiān)測主要是對病、險壩數(shù)量，毀壞壩情況(包括水毀壩、人為毀壞壩的數(shù)量、毀壞情況、毀壞原因等)進行監(jiān)測。

2.5　小流域壩系監(jiān)測方法

監(jiān)測的主要方法包括：地面觀測、遙感監(jiān)測、調(diào)查統(tǒng)計等。通過小流域壩系把口站、典型淤地壩、長期及定點觀測，獲取攔沙蓄水信息；通過典型調(diào)查、普查和抽樣調(diào)查等方法，獲取小流域壩系工程建設動態(tài)、壩地利用及其增產(chǎn)效益等信息；通過對淤地壩工程建設初期和項目結(jié)束時的兩期高分辨率衛(wèi)星影像進行解譯，調(diào)查分析小流域壩系的水土保持效果；利用計算機、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及三維模擬等新技術，建立黃土高原小流域壩系監(jiān)測系統(tǒng)及小流域壩系評價系統(tǒng)[4]。

3小流域壩系監(jiān)測結(jié)果分析

3.1　小流域壩系治理動態(tài)分析

3.1.1坡面治理動態(tài)12條壩系小流域2006年前治理面積3.92×104hm2，其中梯田1.02×104hm2，造林2.48×104hm2，種草4.13×103hm2，封禁面積1.09×104hm2。2006—2010年完成坡面治理面積7.55×103hm2，累計坡面治理面積達到4.67×104hm2。治理面積占水土流失面積51.10%，較2006年前的基數(shù)提高了8.26個百分點。坡面治理動態(tài)如表3所示。

表3　12條小流域壩系坡面治理動態(tài)監(jiān)測統(tǒng)計

3.1.2溝道治理動態(tài)截止2010年底，12條小流域壩系共建有淤地壩775座。其中，骨干壩152座，中型壩224座，小型壩399座。大、中、小型淤地壩配置比例為1∶1.47∶2.63，總庫容達1.37×108m3，控制面積949.06 km2，累計淤地面積1 373.96 hm2。(表4)

表4　12條小流域壩系淤地壩建設動態(tài)統(tǒng)計

3.2　壩系攔沙蓄水分析

3.2.1降雨量分析根據(jù)12條小流域5—10月27個雨量站的降雨量數(shù)據(jù)分析，年降雨量少而集中，年際變化大，年內(nèi)分配不均，多年平均降水量在380～567 mm，汛期(5—10月)降水量占全年降水量的60%～70%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，歷時短、強度大。

2006—2010年對應的流域汛期年最大日降雨量(mm)、降雨日數(shù)(d)、年降雨量、出口處把口站徑流量、泥沙量數(shù)據(jù)見表5。

從表5中可以看出，2006—2010年，12條小流域把口站洪水徑流量與汛期最大日降雨量的變化趨勢最為相近，當最大日降雨量增大時，把口站洪水徑流量也在增大，說明影響把口站洪水徑流量的主要因素是汛期最大日降雨量。

表5　2006-2010年12條小流域汛期降雨量、徑流量、輸沙量統(tǒng)計

3.2.2小流域壩系攔沙分析2006—2010年，12條小流域壩系累計攔沙1.81×107t，小流域產(chǎn)沙量為2.24×107t，壩系攔沙率平均為80.63%。2010年壩系攔沙量和小流域產(chǎn)沙量較2006年都有所下降。產(chǎn)沙量的減少是因為壩系攔沙量和把口站輸沙量均在減少。壩系攔沙量的變化趨勢與治理度的變化趨勢相反，這就說明，隨著治理度的逐年提高，壩系攔沙量呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。不同壩型年度攔沙量見表6。

表6　12條小流域壩系不同壩型年度攔沙量統(tǒng)計

通過分析表6可以看出，在壩系攔沙中，以骨干壩為主，其次是中型壩和小型壩。骨干壩的累計攔沙量為1.40×107t，占到整個壩系攔沙量的77.37%；中型壩為2.63×106t，占到整個壩系攔沙量的14.59%；小型壩為1.46×106t，僅占到整個壩系攔沙量的8.07%。因此，在淤地壩建設中，盡量以小流域為單元，以骨干壩為主體，骨干壩、中型壩、小型淤地壩結(jié)合，形成相對穩(wěn)定的淤地壩壩系。

3.2.3小流域坡面措施攔沙分析按照水土保持效益計算辦法，參照《人民治黃五十年水土保持效益分析》方法，經(jīng)計算，12條小流域2006—2010年坡面治理措施面積攔沙量達3.70×106t，其中梯田攔沙量為1.57×106t，造林攔沙量為1.90×106t，種草攔沙量為2.30×105t。

坡面工程攔沙量主要以造林和梯田攔沙為主，種草攔沙相對較少(表7)。

表7　小流域壩系坡面措施攔沙量

3.2.4小流域壩系蓄水用水分析2006—2010年，12條壩系蓄水量變化呈逐年增加的趨勢。2006年壩系年末蓄水量為3.88×106m3，到了2010年壩系年末蓄水量增加到5.78×106m3，增加了1.91×106m3，增加了49.2%。增加的壩系蓄水量一方面可以用于灌溉、人畜飲水等，另一方面通過土壤滲透可以補充地下水，除此外還可以改變局部小氣候(表8)。

3.3　壩地利用及增產(chǎn)效益分析

壩地是徑流沖刷坡面表層土壤淤積而成，淤泥中含有大量的牲畜糞便、腐殖質(zhì)和有機肥料，因此，壩地一般土質(zhì)肥沃，水分條件良好，作物產(chǎn)量高。根據(jù)對12條小流域統(tǒng)計調(diào)查，壩地面積占耕地面積的7.87%，而壩地生產(chǎn)的糧食卻占總產(chǎn)量的12.29%。

表8　小流域壩系蓄水用水監(jiān)測結(jié)果

3.3.1壩地淤積利用分析截止2010年，12條小流域壩系新增淤地面積538.71 hm2，小流域累計壩地面積為1 745.26 hm2(包括歷史上形成的壩地)，壩地利用面積達到了1 346.75 hm2。

2006—2010年壩地利用面積與壩地面積之比分別為78.22%，75.55%，70.31%，77.39%和77.17%，壩地面積與耕地面積之比分別為5.52%，5.98%，6.16%，8.31%和8.42%，呈逐年上升趨勢，壩地面積在耕地面積的比重在逐年增加見表9。

表9　2006-2010年12條小流域壩地淤積利用統(tǒng)計

3.3.2壩地增產(chǎn)效益分析壩地增產(chǎn)效益包括壩地農(nóng)作物面積及其年增產(chǎn)情況，主要有壩地農(nóng)作物單產(chǎn)、壩地農(nóng)作物種植面積和壩地產(chǎn)量等。根據(jù)典型地塊監(jiān)測資料，分析壩地農(nóng)作物單產(chǎn)，與梯田單產(chǎn)、坡地單產(chǎn)、小流域平均糧食單產(chǎn)進行比較。小流域壩系效益監(jiān)測數(shù)據(jù)見表10。從表10中可以看出，壩地單產(chǎn)最高，其次是梯田，坡地最少。

以2010年為例，壩地單產(chǎn)比小流域平均單產(chǎn)高出63.79%，比梯田高出62.96%，比坡地高出166.68%。

表10　2006-2010年12條小流域壩系效益監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過對典型壩地土壤養(yǎng)分對比試驗，土壤養(yǎng)分的各項含量均表現(xiàn)為壩地高于坡地，主要是因為壩地土壤是由上游侵蝕淤積而成，土壤養(yǎng)分含量逐漸積累，所以各項指標均顯示為較高；而坡地土壤由于長年侵蝕，養(yǎng)分逐漸被雨水帶走，所以，各項指標均低于壩地。

3.3.3生態(tài)效益和社會效益分析以小流域為單元，淤地壩通過梯級建設，骨干壩、中型壩、小型壩相結(jié)合，以骨干壩為控制工程，層層攔蓄，具有較強的削峰、滯洪能力和上攔下保的作用，在泥沙的匯集和通道處形成了一道人工屏障，抬高侵蝕基準面，穩(wěn)定溝坡，有效防止溝岸擴張，溝底下切和溝頭前進，減輕溝道侵蝕，結(jié)合坡面措施，有效地防止洪水泥沙對下游造成的危害。

2006—2010年，12條壩系小流域累計總產(chǎn)沙量為2.24×107t，其中坡面措施攔沙3.69×106t，攔沙率為16.49%，壩系攔沙1.81×107t，攔沙率為80.63%，12條小流域總攔沙2.17×107t，攔沙率為97.12%。做到了絕大部分泥沙不出溝，基本控制了流域內(nèi)的水土流失。由此可見，興修梯田、植樹造林、退耕還林還草、封禁與壩系工程建設相結(jié)合，形成水土保持綜合治理體系，其社會效益和生態(tài)效益是十分明顯的。2006—2010年小流域攔沙效益情況見表11。

表11　2006-2010年小流域攔沙效益

通過調(diào)查分析，大規(guī)模的溝壩地建設解決了農(nóng)民的基本糧食需求，為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進退耕還林還草，發(fā)展多種經(jīng)營創(chuàng)造了條件。農(nóng)民在退耕地上栽植經(jīng)濟林，改善了生態(tài)建設，減少了水土流失；另外，淤地壩的建設，壩頂成為連接溝壑兩岸的橋梁，大大改善了山區(qū)的交通條件，促進了物資、文化交流和商品經(jīng)濟的發(fā)展。

4結(jié) 論

(1) 在淤地壩建設中，以小流域為單元，以治溝骨干工程為主體，骨干壩、中型壩、小型壩相結(jié)合，蓄水、攔泥、生產(chǎn)、防洪各效益兼顧，逐步形成布局合理、排淤結(jié)合、效益穩(wěn)定的淤地壩壩系。

(2) 通過研究分析，淤地壩在攔截泥沙、蓄洪滯洪、減蝕固溝、增地增收、促進農(nóng)村生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境改善等方面發(fā)揮了顯著的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。

(3) 本文數(shù)據(jù)只利用了2006—2010年監(jiān)測數(shù)據(jù)，系列較短，今后在12條壩系延續(xù)監(jiān)測、增長監(jiān)測系列的基礎上，提出基于防洪安全與高效可持續(xù)攔沙的小流域壩系總體結(jié)構(gòu)和溝道單元壩系結(jié)構(gòu)的配置，以及淤地壩壩系的壩級配置比例。

(4) 在現(xiàn)有小流域壩系監(jiān)測評價的基礎上，開展針對暴雨與洪水狀況調(diào)查分析，進行淤地壩安全預報預警研究。

[參考文獻]

[1]李勉,楊劍鋒,侯建才.王茂溝淤地壩壩系建設的生態(tài)環(huán)境效益分析[J].水土保持研究,2006,13(5):145-147.

[2]喻權剛,羅萬勤,馬安利,等.淤地壩監(jiān)測系統(tǒng)建設總體思路[J].中國水利,2003(9):81-83.

[3]喻權剛,王富貴.黃河水土保持監(jiān)測站點標準化建設研究:以黃委天水、西峰、綏德監(jiān)測站點建設為例[J].水土保持通報,2009,29(3):220-224.

[4]何興照,喻權剛.黃土高原小流域壩系水土保持監(jiān)測技術探討[J].中國水土保持,2006(10):11-13.

Silt Storage Dam Monitor at Small Watershed in Loess Plateau Region

YU Quangang, MA Anli

(UpperandMiddleYellowRiverBureau,YRCC,Xi’an,Shaanxi710021,China)

Abstract：[Objective] To explore the monitoring content, index and methods of silt storage dam at small watershed, analyze the benefit of warping dam construction, consequently serve planning, construction, operation and management of warp land dam preferably.[Methods] The 12 typical small watershed damming system were selected to set up monitor points, and use the methods of remote sensing, water and sediment observation, investigation, etc. To continuously develop the dynamic warping dam engineering, construction, soil and water retention, dam land use and its yield reproduction, safety of dam system in the different soil erosion type zone on the Loess Plateau from 2005 to 2010. We analyzed the relationships between silt storage dam construction and dam system configuration, slope control, soil and water retention, dam field use, etc. [Results] The dam system gave play to obvious ecological, social and economic benefits in flood and sediment control and rural production condition enhancement. [Conclusions] The dam system construction should obey the principle of combination of large-sized, middle-sized and small-sized ones with the key dam as the main and a small watershed as unit.

Keywords:Loess Plateau; silt storage dam; monitor

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0118-06

中圖分類號：S157

通信作者：馬安利(1962—)，女(漢族)，陜西省西安市人，學士，教授級高工，主要從事水土保持監(jiān)測研究等工作。E-mail:hhmal@126.com。

收稿日期：2013-12-13修回日期：2014-02-19

資助項目：水利部公益性行業(yè)科研專項“小流域淤地壩壩系防洪風險評價技術”(201201084)

第一作者：喻權剛(1965—),男(漢族),陜西省商洛市人,碩士,教授級高工,主要從事水土保持監(jiān)測研究、水土保持監(jiān)督管理等工作。E-mail:yuqg@163.com。

水保監(jiān)測與應用技術