基于壩地泥沙淤積信息的流域侵蝕產(chǎn)沙特征研究

劉立峰 金綏慶 付明勝 王 喆 王 凱

（黃河水利科學(xué)研究院綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站）

淤地壩是黃土高原地區(qū)一種行之有效的水土保持工程措施，既能有效地防止水土流失，又能形成壩地基本農(nóng)田，深受廣大農(nóng)民歡迎。淤地壩在攔泥淤地中，賦存了大量的環(huán)境演化信息，記載著小流域侵蝕產(chǎn)沙的歷史變化過程，是反演小流域侵蝕產(chǎn)沙歷史的主要依據(jù)。隨著淤地壩研究的深入，人們不僅關(guān)心淤地壩的攔沙量，而且更加關(guān)注壩地的淤積機(jī)理，但目前在這方面研究甚少。本文以陜北綏德縣王茂溝流域的背塔溝悶葫蘆壩為研究對(duì)象，采用典型觀測(cè)與測(cè)量、分析與計(jì)算相結(jié)合的方法，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，對(duì)淤地壩的淤積機(jī)理和次洪水泥沙淤積量進(jìn)行研究，并根據(jù)泥沙沉積各巡回層的面積、厚度來推算各次洪水過程的侵蝕產(chǎn)沙量和土壤侵蝕模數(shù)，探討小流域侵蝕產(chǎn)沙的歷史演變規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

王茂溝是黃河中游黃土丘陵區(qū)具有典型代表性的一條流域，位于陜西省綏德縣韭園溝鄉(xiāng)，是無定河左岸的一條二級(jí)支溝。流域面積5.97 km2，主溝長(zhǎng)3.75 km，平均寬 1.46 km，溝道平均比降 2.7%，溝壑密度4.3 km/km2。流域地表覆蓋物，上部為馬蘭黃土，厚5－20 m，抗蝕能力差，下部為離石黃土，再下為基巖。流域海拔940－1 188 m，具有地形破碎，坡陡溝深，地貌類型復(fù)雜等特點(diǎn)。多年平均降水量485 mm，降水年際變率大，年最大降水量是年最小降水量的3.5倍，汛期（6－9月）降雨量占年降水總量的70%以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)，一次暴雨產(chǎn)沙量往往可占到全年總產(chǎn)沙量的60%以上。在流域總面積中，溝間地占58.4%，溝谷地占41.6%。據(jù)觀測(cè)資料，溝谷的年徑流量和產(chǎn)沙量分別占年總徑流量、總產(chǎn)沙量的73%和80%，即小流域徑流泥沙主要來源于溝谷。流域土壤侵蝕形式以水力侵蝕和重力侵蝕為主，治理前年均侵蝕模數(shù)18 000 t/km2，屬劇烈侵蝕區(qū)，水土流失極為嚴(yán)重。

自1953年在王茂溝溝口修建了主溝1號(hào)壩—王茂莊壩后，開始了以打壩為主的流域綜合治理，到1963年共建壩42座，初步形成了壩系。1964－1980年間，對(duì)壩系進(jìn)行了改、擴(kuò)建，提高了洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將淤地壩合并為23座，壩系總庫容320.82萬m3。建壩后，綏德水保試驗(yàn)站對(duì)流域降雨量、淤地壩攔沙量以及流域出口的徑流泥沙量進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)，積累了大量的第一手資料，為研究該流域的侵蝕產(chǎn)沙過程和特征提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 典型壩的選取

通過所選淤地壩各淤積層泥沙量的估算和淤積時(shí)間坐標(biāo)的建立，進(jìn)行小流域侵蝕產(chǎn)沙的歷史演變規(guī)律研究。根據(jù)研究目的，典型壩的選取原則：一是壩地淤積物來源于壩控面積內(nèi)的坡耕地、牧荒坡及溝谷陡崖等不同土地利用類型的土壤侵蝕量；二是徑流泥沙不能排出壩外，即淤地壩是無排水設(shè)施（溢洪道和泄水建筑物）的“悶葫蘆”壩；三是具有一定的淤積年限。據(jù)此原則，選取王茂溝小流域背塔溝的悶葫蘆壩為研究對(duì)象。

2.2 淤積斷代分析與計(jì)算

2.2.1 淤積斷代分析

每場(chǎng)洪水都會(huì)將一些泥沙輸入淤地壩，由于泥沙沉降過程中的分選作用，淤積物粗細(xì)相間分布，具有一定層理。粗顆粒泥沙最先沉積（顏色呈灰褐色），其次為粉砂，最后為黏粒（紅膠泥，顏色呈紅黃色），這樣在每場(chǎng)洪水后便形成了一個(gè)淤積巡回，其厚度與降雨特性、侵蝕產(chǎn)沙量密切相關(guān)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各巡回層間的界限較明顯。每個(gè)淤積巡回遇雨點(diǎn)擊濺或洪水沖刷時(shí)，沙土易分散、脫落，黏土分散、脫落很慢，所以在壩地垂直斷面上都會(huì)形成凹凸明顯的層理特征，真實(shí)地記錄了侵蝕產(chǎn)沙粒徑的空間變化、分選作用和壩控面積的每次攔沙量，因此，可依據(jù)泥沙沉積各巡回層的面積、厚度來推算一次洪水過程的侵蝕產(chǎn)沙量。

本研究利用背塔溝悶葫蘆壩壩前2012年被洪水沖成的深溝，對(duì)沒有沖到溝底的部分淤積物，在人工開挖的基礎(chǔ)上進(jìn)行水力沖刷，使淤積斷面較完整顯現(xiàn)出來。淤泥與沙的顏色和層理清晰可分，每層淤積泥沙量的多少與一次侵蝕性降雨相對(duì)應(yīng)。根據(jù)大雨對(duì)大水（洪水）、大水對(duì)大沙的原則，對(duì)于只有一層淤泥而沙層有好幾層的情況，將泥層和緊挨該泥層下的那層沙認(rèn)為是同一層。如果沙和沙之間的區(qū)別不是太明顯，則可以通過淤泥與沙的顏色和紋理來區(qū)分。

2.2.2 垂直剖面斷代方法

根據(jù)實(shí)地測(cè)量，背塔溝壩控面積0.197km2，淤地壩1959年建成，壩高7 m，庫容3.0萬m3，1961年淤滿。1962年，淤地壩加高了6.5m，總壩高達(dá)到13.5m，總庫容增加到6.2萬m3。2012年7月，壩地與壩體連接處被洪水拉成深溝，測(cè)量的累積淤積厚度為10.58 m。根據(jù)上述淤積斷代分析方法，將背塔溝小型壩的沉積泥沙分為86個(gè)淤積巡回層。

以往的研究表明，黃土高原地區(qū)小流域的年產(chǎn)沙量絕大多數(shù)是由一年內(nèi)的幾場(chǎng)大暴雨形成的，而且一般都是洪峰和沙峰同步，較大的流量對(duì)應(yīng)較大的沙量，因此在壩地反映出降水量較大的次降雨對(duì)應(yīng)的泥沙淤積量也較大。根據(jù)1959-2012年的降雨資料，將淤積量大的淤積層作為控制性淤積層，把該淤積層和侵蝕性降雨指標(biāo)（最大30min降雨強(qiáng)度I30、降雨侵蝕力R、次降雨量P、次平均降雨強(qiáng)度I）均較大的控制性降雨場(chǎng)次相對(duì)應(yīng)。如果2個(gè)控制性淤積層之間還包含有較多的淤積層，則再在這2個(gè)控制淤積沙層之間尋找淤積量較大的層次，將其作為次控制性淤積層，該層所對(duì)應(yīng)的次侵蝕性降雨作為次控制性降雨，將這一層剖面分為兩段進(jìn)行對(duì)應(yīng)。依此類推，用同樣的方法將整個(gè)淤積剖面上所有淤積層與次侵蝕性降雨進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，其結(jié)果用調(diào)研已知的淤積年限進(jìn)行校核。這樣，就可以根據(jù)壩地淤積量與相應(yīng)年的降雨資料來反演其淤積過程，然后根據(jù)淤地壩實(shí)測(cè)高程和各淤積巡回層厚度得到淤積高程，再利用淤地壩壩高—庫容曲線，可得到淤地壩不同高程處庫容，并通過不同深度淤積物容重模擬曲線和實(shí)測(cè)各淤積厚度來計(jì)算各淤積層泥沙沉積量和淤地壩年均淤積量。

2.2.3 淤積量與侵蝕模數(shù)計(jì)算

（1）壩高—庫容/淤地面積曲線。將1∶10 000的典型壩址地形圖進(jìn)行掃描，用auto CAD將各等高線矢量化，并對(duì)其等高線進(jìn)行標(biāo)注。根據(jù)自動(dòng)生成面域命令將各組等高線在圖上矢量化時(shí)讓其閉合，然后使用LIST命令或者AREA命令，自動(dòng)求出各等高線所包圍的面積（等高線在壩址斷面處被截?cái)?，用來求面積的那部分等高線是被截?cái)嗟牡雀呔€在流域控制面積內(nèi)的那部分），將每?jī)筛雀呔€之間的形狀簡(jiǎn)化為封閉的圓臺(tái)狀，對(duì)其體積進(jìn)行求解，建立庫容/淤地面積曲線。

（2）土壤容重模擬曲線。通過對(duì)4座淤地壩不同深度土壤容重測(cè)定后求平均值模擬曲線（圖1）。土壤容重隨淤積深度的增加而增加，呈對(duì)數(shù)關(guān)系：y＝A2+（A1-A2）/［1+（x/x0）＾p］，R2＝0.989 3。該對(duì)數(shù)方程擬合結(jié)果見表1。

表1 對(duì)數(shù)方程擬合結(jié)果

（3）淤積量計(jì)算。利用庫容曲線與實(shí)測(cè)的淤積層厚度，求得每個(gè)淤積層的泥沙淤積量，從而為淤地壩淤積機(jī)理的分析提供了依據(jù)。背塔溝壩地比降0.69%，淤泥厚10.58 m，淤泥面—壩頂2.42 m，壩高13.5 m，總庫容6.2萬m3。根據(jù)實(shí)測(cè)的淤積厚度，利用以下公式，計(jì)算各淤積層泥沙沉積量及壩庫沉積泥沙總量。

圖1 壩地不同深度土壤容重變化曲線

式中，Vi為第 i淤積層的體積，m3；ρi為第 i淤積層容重，t/m3；α為不同控制面積壩地淤積面翹尾巴系數(shù)；Mi為第i淤積層泥沙沉積量，t；M為壩庫攔蓄泥沙總量，t。

淤地壩建成后，當(dāng)挾沙洪水進(jìn)入庫區(qū)時(shí)，受庫區(qū)蓄水的頂托，產(chǎn)生面流消能作用，流速迅速下降，洪水挾沙能力迅速減弱，泥沙（特別是粗沙）相互之間碰撞后首先沉降，形成淤積面坡度，即人們常說的壩地翹尾巴現(xiàn)象。根據(jù)31座淤地壩多年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，淤積面比降在0.05%－0.29%之間，平均為0.2%，沿程變化情況是愈近壩前愈緩。淤積面平均比降的大小與洪水泥沙來源有關(guān)，洪水泥沙主要來自主溝上游時(shí)縱比降較大，洪水泥沙主要來自兩側(cè)支溝時(shí)縱比降較小。所以，要準(zhǔn)確地計(jì)算淤地壩淤積量，需首先修正壩地面積。經(jīng)對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)70多座不同控制面積淤地壩的實(shí)測(cè)資料分析，得到壩地面積修正系數(shù)a與流域面積的關(guān)系（表2）。根據(jù)以上方法，計(jì)算出背塔溝悶葫蘆壩86層淤積巡回各層的淤積量（圖2）。

表2 壩地面積修正系數(shù)與流域面積的關(guān)系

圖2 背塔溝壩各層次淤積信息

3 淤地壩的淤積過程機(jī)理研究

3.1 淤地壩淤積機(jī)理研究

在建壩以前，溝道是輸送小流域支毛溝泥沙到下游的重要通道，溝道輸送泥沙的能力特別強(qiáng)，其能夠挾帶的泥沙數(shù)量就是該地的挾沙能力。建壩后，溝道很快淤成平地，溝底比降變緩，同時(shí)抬高了侵蝕基準(zhǔn)面，挾沙能力隨之大幅度降低。在調(diào)查典型淤地壩剖面的基礎(chǔ)上，利用壩高—庫容曲線和實(shí)測(cè)的淤積厚度，求得每層淤積泥沙量。根據(jù)大水對(duì)大沙原則，反演淤積層所對(duì)應(yīng)的次侵蝕性降雨，從而為淤地壩淤積機(jī)理的分析提供了依據(jù)。

3.2 流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度變化與土地利用

從圖2背塔溝壩各層次淤積信息可以看出，在淤地壩建成后的運(yùn)行過程中，初期階段的沉積層普遍較厚，表明流域侵蝕強(qiáng)烈，泥沙沉積量大。其后，呈明顯下降趨勢(shì)。根據(jù)土壤侵蝕模數(shù)的變化，可將背塔溝壩56年的淤積分為4個(gè)階段。

（1）劇烈侵蝕階段。1959－1961年，3年間年均侵蝕模數(shù)為2.805萬t/km2。淤地壩建后初期淤積量巨大，這一特征還可從綏德水保試驗(yàn)站王茂溝淤地壩淤積的統(tǒng)計(jì)資料得以驗(yàn)證。據(jù)分析，王茂溝流域1953－1960年間共建淤地壩42座，其中19座在1961年被淤平，2座在1962年和1963年被淤平；21座淤地壩被淤平的平均時(shí)間只有3.38年，足以說明當(dāng)時(shí)該流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度之大。分析認(rèn)為，此階段小流域年侵蝕強(qiáng)度大與豐水年和雨型有關(guān)（1959年、1961年均有大暴雨或特大暴雨發(fā)生），另一方面也與當(dāng)時(shí)的水土流失治理面積較少有關(guān)。因此，即使是相同的降雨，出現(xiàn)在20世紀(jì)50、60年代，前者產(chǎn)生的泥沙量往往也要多于后者。在土地利用上，這一時(shí)期正值“大躍進(jìn)”時(shí)期，糧食“放衛(wèi)星”，提倡“廣種薄收”，要求糧食翻番，然而事與原違，糧食沒有高產(chǎn)，且使本來就極度稀疏的植被遭到毀滅性破壞，導(dǎo)致土壤侵蝕達(dá)到了最高值。

（2）侵蝕下降階段。1962－1976年，年侵蝕模數(shù)下降到5 240 t/km2。此階段，該流域開始了較大規(guī)模的坡面治理，林草地和水平梯田面積顯著增加，坡耕地面積逐漸下降，加上溝谷坡下部被淤地壩沉積泥沙覆蓋，對(duì)溝谷坡的穩(wěn)定起到了一定的加強(qiáng)和鞏固作用，在一定程度上減輕甚至控制了溝谷坡下部土壤侵蝕的發(fā)生。

（3）侵蝕量回升階段。1977－1998年，年侵蝕模數(shù)又上升到1.253萬t/km2。此階段，正值農(nóng)村改革時(shí)期，土地重新回到農(nóng)民手里，他們更加珍惜每一寸土地，任何一塊可以耕種的土地都種上了糧食。一方面，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民解決了溫飽問題，但同時(shí)對(duì)植被的破壞達(dá)到了極限。據(jù)調(diào)查，延川縣1949年森林殘存面積還占到整個(gè)農(nóng)林牧用地的31%，到2000年下降到0.8%，97%的森林被開墾種了糧食。植被的破壞，使其所具有的涵養(yǎng)水源、攔蓄徑流、保持水土、調(diào)節(jié)氣候的功能大大降低，從而造成水土流失量大幅度增加。

（4）泥沙完全控制階段。1999－2012年，年侵蝕模數(shù)下降到容許值以下的650 t/km2。為了驗(yàn)證該階段侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們?cè)?013年調(diào)查了綏德縣韭園溝郝家梁骨干壩。該壩控制面積2.69 km2，2006年4月建成，淤積年限7年，年均侵蝕強(qiáng)度為600 t/km2，與本研究相差無幾。此階段正是實(shí)行退耕還林（草）、封山綠化時(shí)期，山川大地的基調(diào)實(shí)現(xiàn)了由黃變綠的歷史性轉(zhuǎn)變。據(jù)調(diào)查資料，截至2004年底，陜北榆林市累計(jì)完成造林面積44.18 萬 hm2，其中退耕還林 16.51 萬 hm2，“四荒”造林27.67萬hm2。同時(shí)，國(guó)家提出了城鎮(zhèn)化建設(shè)，大部分農(nóng)民離鄉(xiāng)進(jìn)城，林草植被得到了恢復(fù)，水土流失得到有效控制，土壤侵蝕明顯下降。

4 結(jié)論與討論

本文主要通過選取典型淤地壩，挖取淤積剖面，進(jìn)行層次分析，獲取壩地淤積量，并將其與收集到的淤積年限內(nèi)相應(yīng)站的降雨資料進(jìn)行綜合分析，來研究淤地壩的淤積過程。研究結(jié)果表明，根據(jù)典型壩地被洪水沖成深溝結(jié)合人工開挖和水力沖刷斷面，使每次洪水的分選淤積層得到清晰顯現(xiàn)，進(jìn)而求出層淤積泥沙量，再與降雨資料建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，來揭示淤地壩的淤積過程是可行的。研究可得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于無泄洪設(shè)施的淤地壩，層淤積泥沙量與次侵蝕性降雨的最大30 min降雨強(qiáng)度（I30）具有極強(qiáng)的相關(guān)性。

（2）該項(xiàng)研究方法，為無水文資料地區(qū)的水沙資料反演提供了可行途徑。

（3）四個(gè)侵蝕階段分析可以看出，自然條件下的水土流失決定了它的“自然侵蝕”，人們掠奪式的經(jīng)營(yíng)決定了它的“加速侵蝕”，大規(guī)模的開發(fā)利用不當(dāng)決定了它的“新的加速侵蝕”。因此，水土流失治理必須以生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)作指導(dǎo)，才能符合客觀規(guī)律。

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