黃土高原淤地壩研究進(jìn)展

曲 嬋, 劉萬青, 劉春春, 王 濤, 賈潔瓊

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127)

黃土高原淤地壩研究進(jìn)展

曲 嬋, 劉萬青, 劉春春, 王 濤, 賈潔瓊

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127)

[目的] 對(duì)黃土高原淤地壩研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，旨在揭示今后淤地壩研究的重點(diǎn)方向和主要任務(wù)。 [方法] 利用學(xué)術(shù)論文數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)計(jì)量分析法分析總結(jié)黃土高原淤地壩近16 a來的主要研究成果，從淤地壩研究區(qū)域、研究方法、淤積機(jī)理等方面論述了淤地壩研究的重要進(jìn)展。 [結(jié)果] 16 a來，黃土高原淤地壩研究方向的論文數(shù)量呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)，同時(shí)存在著在攔沙功能效益客觀評(píng)判方法、壩體加高修復(fù)等方面的難點(diǎn)或爭議性問題。 [結(jié)論] 淤地壩是中國黃土高原小流域治理的主要舉措，多年實(shí)踐證明其已經(jīng)取得明顯的水土保持成果。今后國內(nèi)學(xué)者還需繼續(xù)拓展淤地壩的研究深度，注重多學(xué)科交叉和區(qū)域?qū)Ρ妊芯浚粩嗵岣哂俚貕蔚目茖W(xué)研究水平。

黃土高原; 淤地壩; 研究進(jìn)展

水土流失調(diào)查顯示，中國水土流失面積超過3.5×106km2，約占國土總面積的1/3[1]。由于黃土高原地區(qū)氣候干旱、地形破碎、溝壑縱橫、植被稀少，已成為中國水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。嚴(yán)重的水土流失會(huì)造成耕地面積減少，干旱洪澇災(zāi)害加劇，給生態(tài)環(huán)境以及糧食安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康可持續(xù)發(fā)展。淤地壩作為黃土高原治理小流域水土流失的關(guān)鍵舉措，可以有效攔阻泥沙向下游輸送，有效控制溝道侵蝕，促進(jìn)小流域水資源利用，提高防洪能力。20世紀(jì)70年代，水墜法筑壩技術(shù)的成功試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，使得淤地壩的建設(shè)工效成倍提高，截止目前黃土高原地區(qū)建壩的總數(shù)已超過1.07×105座[2]。近年來通過在小流域溝道中修建控制性骨干壩，流域溝道的防洪標(biāo)準(zhǔn)大為提高，同時(shí)攔沙、淤地、灌溉等綜合效益也明顯提高。由此，在黃土高原地區(qū)深入開展淤地壩研究，加強(qiáng)對(duì)淤地壩工程設(shè)施的總體規(guī)劃，對(duì)于進(jìn)一步提高以小流域?yàn)閱卧狞S土高原水土流失治理具有十分重要的意義。由于國外缺少像黃土高原水土流失如此嚴(yán)重的地區(qū)以及國內(nèi)外建壩目的和標(biāo)準(zhǔn)的差異，國內(nèi)外學(xué)者所做的研究工作不盡相同。國外學(xué)者Castillo[3]，Boix-Fayos[4]以及Lenzi 和Comit[5]等的研究主要集中于淤地壩對(duì)溝道形態(tài)和對(duì)周圍植被的影響方面，尤其重視建壩對(duì)侵蝕速率影響研究，而國內(nèi)學(xué)者主要集中在水土保持功效上。國內(nèi)對(duì)淤地壩的研究始于20世紀(jì)50年代，各級(jí)政府部門以及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)高度重視水土流失治理工作，投入大量的科研資金對(duì)黃土高原地區(qū)的淤地壩開展了一系列試驗(yàn)研究，但對(duì)研究成果的總結(jié)并不多見，公開發(fā)表的論文較少。由此，本文僅從近16 a來黃土高原淤地壩的論文成果進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析，篩選出典型樣本，分別從研究熱點(diǎn)、技術(shù)方法以及研究機(jī)理等方面分析淤地壩領(lǐng)域的研究進(jìn)展，總結(jié)出淤地壩研究中存在的難點(diǎn)問題，期望能對(duì)日后加強(qiáng)淤地壩科學(xué)研究提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

利用期刊網(wǎng)學(xué)術(shù)論文數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)計(jì)量分析方法，對(duì)地理學(xué)某一前沿問題進(jìn)行研究進(jìn)展分析，已經(jīng)有成熟的應(yīng)用[6-7]。本文以中國知識(shí)資源總庫(中國知網(wǎng)CNKI)為文獻(xiàn)信息的獲取平臺(tái)，以中國期刊全文數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源[8]，采用高級(jí)檢索類型，以“主題(包括：題目、摘 要、關(guān)鍵詞)”為檢索項(xiàng)，以“淤地壩”為檢索詞，文獻(xiàn)檢索時(shí)間從2000年截止2015年11月，共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)1 492篇。根據(jù)文章的題目、關(guān)鍵詞和摘 要，對(duì)檢索所得文獻(xiàn)進(jìn)行內(nèi)容分析后，刪除會(huì)議通知、簡訊、與淤地壩相關(guān)性很小的論文后，有890篇。另外，依據(jù)論文內(nèi)容選出“黃土高原”的淤地壩文獻(xiàn)共388篇，即選擇《地理學(xué)報(bào)》、《水利學(xué)報(bào)》等與黃土高原淤地壩密切相關(guān)的論文，如“陜北黃河中游淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)”、“黃河中游地區(qū)淤地壩減洪減沙及減蝕作用研究”，共388篇論文來分析黃土高原淤地壩的進(jìn)展。

2 結(jié)果與分析

2.1 淤地壩的工程建設(shè)成就

中國自2003年以來，淤地壩作為水利3個(gè)亮點(diǎn)工程之一在黃土高原地區(qū)取得了顯著性的進(jìn)展。同時(shí)，黃河水利委員會(huì)在編制完成的《規(guī)劃》中指出2003-2020年，黃土高原地區(qū)將修建淤地壩1.63×105座，其中骨干壩3萬座。工程建成后，可新增攔泥能力4.00×1011t，蓄水能力1.7×1011km3，年減少入黃泥沙7.00×108t，在30 a的計(jì)算期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1 800多億元。根據(jù)2009年水利部組織的淤地壩安全大檢查統(tǒng)計(jì)資料[9]，截止2008年底，黃土高原地區(qū)共建淤地壩9.10×104座，淤成壩地約3.00×108hm2，總庫容達(dá)到1.03×1011km3，攔泥庫容達(dá)到7.00×104km3，控制面積為3.26×104km3(表1)。水利部《水農(nóng)[2015]371號(hào)》資料顯示，至2015年，黃土高原已建設(shè)淤地壩1.07×105座，今后應(yīng)加強(qiáng)黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)及病險(xiǎn)壩除險(xiǎn)加固，完成水土流失綜合治理面積5.00×104km2。此外，在多沙區(qū)的33條支流(片)建成較為完善的溝道壩系基礎(chǔ)上，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)整個(gè)黃土高原地區(qū)的淤地壩建設(shè)。

表1 截至2008年底黃土高原淤地壩建設(shè)統(tǒng)計(jì)

2.2 淤地壩研究文獻(xiàn)分析

由文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析可知，2000—2015年黃土高原淤地壩研究論文篇數(shù)在波動(dòng)中不斷減少，其中2003年最多(68篇)，2005年次之(40篇)。本次檢索到的388篇論文，共發(fā)表在40種期刊上，發(fā)文量在20篇以上的期刊有3種，中國水土保持(55篇)，中國水利(30篇)，山西水土保持科技(22篇)。國內(nèi)地理學(xué)權(quán)威期刊農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)和中國科學(xué)和水利學(xué)報(bào)共發(fā)文12篇，約占總量4%，核心期刊共發(fā)文172篇，約占46%。黃土高原淤地壩研究論文在這些重點(diǎn)刊物發(fā)表，說明淤地壩研究屬于地理學(xué)和水文學(xué)的前沿課題，也表明今后還需不斷拓展淤地壩的研究深度，提高該領(lǐng)域的理論研究水平，推動(dòng)方法創(chuàng)新?？蒲袌F(tuán)隊(duì)、課題組是高水平研究成果產(chǎn)出的根本所在。若按作者所屬科研機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，黃河水利委員會(huì)黃河上中游管理局和西安理工大學(xué)所發(fā)表的論文最多，其中黃河水利委員會(huì)黃河上中游管理局的研究內(nèi)容多集中于黃土高原淤地壩整體建設(shè)規(guī)模與管理問題，而西安理工大學(xué)則多側(cè)重于淤地壩淤積量的分析研究。根據(jù)黃土高原淤地壩研究主題，結(jié)合期刊論文總量特征，表明黃土高原淤地壩研究呈現(xiàn)較為明顯的階段性特點(diǎn)。以2007年為界可劃分為2個(gè)階段。第1階段(2000—2007年)，論文總數(shù)為223篇，年均27篇，研究區(qū)域主要集中于黃土高原的多沙粗沙區(qū)，研究方法主要為水文水保法，代表性作者為許炯心和李占斌，發(fā)文量占該階段總數(shù)的10%。第2階段(2008—2015年)，論文總數(shù)為165篇，年均20篇，與前一階段相比，研究區(qū)域更加廣泛，研究方法則集中于水文模型法，尤其GIS與RS技術(shù)方法應(yīng)用較為普遍，以RUSLE模型模擬為代表，增加了有關(guān)流域輸沙能力與淤地壩攔沙效率的專業(yè)模塊，代表性作者為田鵬[10]。通過對(duì)上述文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)淤地壩研究具有熱點(diǎn)熱區(qū)相對(duì)集中，技術(shù)方法不斷改進(jìn)和機(jī)理研究不斷深化等顯著特點(diǎn)。

2.2.1 研究熱點(diǎn)熱區(qū)相對(duì)集中 國內(nèi)學(xué)者所選擇的黃土高原淤地壩的部分研究區(qū)位主要集中于黃土高原的多沙粗沙區(qū)，尤其是黃甫川、無定河、黃土洼等地。為了系統(tǒng)分析單壩攔水減沙效益與其影響因素之間的關(guān)系，焦菊英等[11]將皇甫川、窟野河、佳蘆河、禿尾河、大理河5條小流域作為研究樣區(qū)，結(jié)果表明5個(gè)樣區(qū)單壩的攔水效益與降雨成反比，減沙效益與降雨成正比。2006年，許炯心[12]在大量實(shí)測(cè)無定河淤地壩資料的基礎(chǔ)上，認(rèn)為壩地面積增加率在20世紀(jì)70年代達(dá)到峰值，80年代顯著減少，90年代進(jìn)一步衰減。龍翼等[13]則以中國最早的淤地壩子洲縣黃土洼為研究對(duì)象，根據(jù)泥沙粒度和孢粉濃度的變化計(jì)算出每次暴雨洪水的產(chǎn)沙模數(shù)，得出該地區(qū)明代的土壤侵蝕強(qiáng)度與現(xiàn)代接近。

2.2.2 技術(shù)方法不斷改進(jìn) 隨著學(xué)者對(duì)黃土高原考察地點(diǎn)的不斷增多，對(duì)于淤地壩的減水減沙效益的研究方法也逐漸從水文水保法向水文模型過渡，并出現(xiàn)了黃土高原壩系模型試驗(yàn)。2004年，冉大川等[14]采用“水保法”對(duì)黃河中游多沙粗沙區(qū)的河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)(河龍區(qū)間)及涇河、北洛河、渭河流域淤地壩的減洪減沙及減蝕作用進(jìn)行了研究，即分別計(jì)算出年內(nèi)各流域的年產(chǎn)洪模數(shù)及年輸沙模數(shù)，從而得到與實(shí)際較符合的減洪量和減沙量。2005年，徐向舟[15]通過黃土高原溝道壩系模型試驗(yàn)方法即采用半比尺模型試驗(yàn)方法進(jìn)行溝道壩系的降雨產(chǎn)沙試驗(yàn)對(duì)比，從而預(yù)測(cè)原型地貌的演變規(guī)律。這種方法將在模型溝道上建壩后出現(xiàn)的地貌演變現(xiàn)象與原型地貌現(xiàn)象發(fā)生聯(lián)系，能夠方便人們利用模型試驗(yàn)論證原型水土保持治理的方案。2010年，綦俊諭等[16]建立降水產(chǎn)流和降水產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并以此關(guān)系式代入實(shí)測(cè)降水資料后計(jì)算出下墊面條件不變時(shí)應(yīng)產(chǎn)生的水量和沙量，從而得到岔巴溝流域庫壩等工程措施為主的水土流失治理方式減沙作用為65%左右。

2.2.3 機(jī)理研究不斷深化 淤地壩的淤積機(jī)理是指溝道修建淤地壩后，壩址上游溝道的侵蝕基準(zhǔn)面會(huì)因壩地的淤高而提高，從而減緩了壩址上游淤積段河床的比降，加寬了河床以及大大減小了水流的侵蝕能力和挾沙能力。同時(shí)，由于淤地壩的攔沙蓄水作用，延長了含沙水流在淤地壩內(nèi)的滯留時(shí)間，增加了其沉積落淤量。

為了分析淤地壩的淤積量與影響因素間的關(guān)系，王曉燕等[17]通過對(duì)燕溝流域壩地沉積泥沙137Cs含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沉積層的核素濃度會(huì)隨沉積層厚度(次降雨侵蝕量)變化而變化。2011年，薛凱等[18]根據(jù)淤地壩運(yùn)行期間年沉積泥沙累積曲線，將該壩運(yùn)行期內(nèi)小流域侵蝕歷史劃分為3個(gè)階段。通過與相對(duì)應(yīng)降雨資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是影響土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)階段性變化的主要因素。2012年，高海東等[19]使用修正通用土壤流失方程(RUSLE)分析了不同時(shí)期的流域土壤侵蝕模數(shù)，定量揭示了淤積高度的增加對(duì)流域的水力侵蝕影響。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

通過分析淤地壩的工程建設(shè)成就和文獻(xiàn)研究成果，表明雖然淤地壩研究方面所發(fā)表的論文總量在近16 a來呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但在研究內(nèi)容和方法上卻取得了明顯進(jìn)展，主要表現(xiàn)為研究地點(diǎn)增多、研究機(jī)理的深入、技術(shù)創(chuàng)新步伐較大以及計(jì)算機(jī)、“3S”等技術(shù)手段的廣泛應(yīng)用。但是，分析中還存在著攔沙功能效益客觀評(píng)判方法、壩體加高修復(fù)等方面的難點(diǎn)或爭議性問題。

3.2 展 望

(1) 攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)研究。在黃土高原淤地壩研究中，隨著淤地壩工程結(jié)構(gòu)改變，對(duì)于未來攔沙作用失效判斷標(biāo)準(zhǔn)變化的研究具有重要指導(dǎo)價(jià)值。淤地壩攔沙功能效率主要依靠庫容，當(dāng)泥沙淤積達(dá)到可淤積庫容的最大值后，即失去攔沙能力，具有明顯的時(shí)效性特點(diǎn)。2009年水利部開展了黃土高原淤地壩安全大檢查，從中發(fā)現(xiàn)各省(區(qū))均存在較多淤地壩的已淤庫容超過攔泥庫容的現(xiàn)象。而且，直接將攔泥庫容作為淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)實(shí)情況存在偏差，會(huì)導(dǎo)致淤地壩滯洪減災(zāi)以及淤地造田等計(jì)算誤差加大。高云飛[20]從淤地壩工程結(jié)構(gòu)的角度，剖析了排水排沙位置的改變是判斷標(biāo)準(zhǔn)形成的原因，并提出將0.77，0.88作為現(xiàn)狀骨干壩、中小壩攔沙功能失效與否的合適判斷標(biāo)準(zhǔn)。但隨著淤地壩工程結(jié)構(gòu)改變，其失效判斷標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隨之變化。所以要準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)存淤地壩的攔沙作用，還需進(jìn)一步研究淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 淤地壩壩體分期加高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究。開展淤地壩壩系模型試驗(yàn)，比較攔沙淤地效果與建壩順序之間的關(guān)系對(duì)于淤地壩建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。目前在實(shí)際的淤地壩建設(shè)過程中，很多淤地壩是采用一次規(guī)劃設(shè)計(jì)，分期進(jìn)行加高，最后達(dá)到設(shè)計(jì)壩高的建設(shè)方式。為了避免由于規(guī)劃不合理而造成的重復(fù)建設(shè)和資金浪費(fèi)，建設(shè)的壩系無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。張曉明[1]通過建立壩前貼坡式分期加高的數(shù)學(xué)模型，即利用壩前淤積的泥沙充當(dāng)部分壩體土方工程量，減少工程投資。但是，由于淤地壩的逐年淤積，在設(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)攔泥庫容相應(yīng)減少，壩前淤積的泥沙會(huì)隨之增加。所以如何在小流域內(nèi)對(duì)壩體進(jìn)行分期加高，包括加高的次數(shù)、時(shí)間間隔以及每次加高的高度等，還需要進(jìn)一步的研究才能使壩體分期加高更為科學(xué)合理。

(3) 多學(xué)科合作研究。近年來，多數(shù)研究者只關(guān)注淤地壩的攔沙效益，而對(duì)淤地壩在淤積過程中會(huì)抬升侵蝕基準(zhǔn)面，淹沒原來侵蝕較為嚴(yán)重的陡坡地帶所產(chǎn)生的減蝕效應(yīng)研究相對(duì)較少。汪彥應(yīng)用高分辨率層序?qū)W中的基準(zhǔn)面旋回原理，對(duì)基準(zhǔn)面變化進(jìn)行了詳盡的分析，即基準(zhǔn)面的升降變化引起了可容納空間增長率(A)和沉積物供給量(S)的相對(duì)變化。因此，加強(qiáng)地理學(xué)與地質(zhì)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域間的合作，有望為研究淤地壩對(duì)嚴(yán)重陡坡地帶所產(chǎn)生的減蝕效應(yīng)提供可靠的數(shù)據(jù)來源。此外，關(guān)于淤地壩土壤水分對(duì)地下水補(bǔ)給的水文效應(yīng)研究，可以將水文水利學(xué)與土壤學(xué)在涉及學(xué)科交叉地方進(jìn)行深入研究和協(xié)調(diào)。尤其在關(guān)鍵性問題上，各學(xué)科間應(yīng)展開更多合作，從多個(gè)角度對(duì)黃土高原地區(qū)淤地壩進(jìn)行研究，各取所長，共同促進(jìn)研究水平的提高。

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Research Progress on Soil-retaining Dam in Loess Plateau

QU Chan, LIU Wanqing, LIU Chunchun, WANG Tao, JIA Jieqiong

(CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127，China)

[Objective] This paper analyzed the research status of soil-retaining dam aimed to provide a reference for future research on this topic. [Methods] Based on the network database of journal papers and bibliometric analysis, the research works in the past 16 years were analyzed and reviewed in terms of area, methods and deposition mechanism. [Results] The total number of research papers was in a fluctuated decrease trend in the past 16 years. Some arguments as the assessment of sediment retention function and dam heightening and other dispute topics still existed. [Conclusion] Soil-retaining dam was the key initiative in the watershed management of the Loess Plateau and years of practice have been proved significant on soil and water conservation. Scholars need to expand soil-retaining dam studies and multidisciplinary cooperation is necessary for improving theoretical level.

the Loess Plateau; soil-retaining dam; research development

2016-01-13

2016-04-07

陜西省水土保持科研示范項(xiàng)目“農(nóng)村內(nèi)澇疏導(dǎo)與雨水資源化利用技術(shù)研究”(1601)

曲嬋(1991—),女(漢族),山西省運(yùn)城市人,碩士研究生,研究方向?yàn)槌鞘兴帘３盅芯俊-mail:13994867692@163.com。

劉萬青(1965—),男(漢族),陜西省渭南市人,碩士,副教授,主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。E-mail:mclwq@sina.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.057

A

1000-288X(2016)06-0339-04

S157.3, TV87

文獻(xiàn)參數(shù)： 曲嬋, 劉萬青, 劉春春, 等.黃土高原淤地壩研究進(jìn)展[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：339-342.