淤地壩壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用——以岔巴溝流域為例

孫維營，翟廣宇，張　攀，史學(xué)建，李　莉

(1.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；

2.延津縣清源水利工程有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453200)

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淤地壩壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用——以岔巴溝流域為例

孫維營1，翟廣宇2，張攀1，史學(xué)建1，李莉1

(1.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；

2.延津縣清源水利工程有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453200)

[關(guān)鍵詞]淤地壩；壩系；水土保持措施；岔巴溝流域

[摘要]淤地壩壩系的形成改變了流域的下墊面條件，使黃土高原地區(qū)產(chǎn)匯流及輸沙特性發(fā)生了很大變化。為研究淤地壩壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用，選取位于黃河中游的岔巴溝小流域為研究對象，通過對流域壩系形成前后相同量級洪水的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進(jìn)行對比，并結(jié)合流域淤地壩發(fā)展情況，對該地區(qū)淤地壩壩系的水土保持蓄洪攔沙效果進(jìn)行分析，研究和揭示黃土高原典型小流域在庫壩工程影響下的水沙變化情況，以期為揭示近期黃河水沙量銳減的原因提供科學(xué)依據(jù)。

淤地壩是黃土高原地區(qū)治理溝道的主要工程措施之一，與攔渣壩和攔蓄泥石流的水土保持溝道工程相比，除具有攔泥防洪作用外，還有生產(chǎn)及水資源調(diào)控與利用功能[1]。黃土高原地區(qū)的淤地壩建設(shè)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，建設(shè)方式由分散單壩興建到以小流域為單元的壩系建設(shè)，前期工作由缺乏規(guī)劃設(shè)計到完善規(guī)范化，建設(shè)管理由僅重視建設(shè)到建設(shè)與管理并重。淤地壩建設(shè)理論不斷豐富和完善，逐漸形成了以小流域為單元，以骨干壩為骨架，大、中、小型淤地壩相結(jié)合的溝道壩系[2]。壩系是根據(jù)小流域地貌特征及水土流失形式，通過在各級溝道科學(xué)合理地布設(shè)大(骨干壩)、中、小型淤地壩，使之相互連接、相互協(xié)調(diào)，形成一個有機(jī)整體，從而更好地發(fā)揮攔蓄溝道洪水泥沙的作用。小流域壩系的這一作用我們稱之為“級聯(lián)調(diào)控”。壩系中各壩如何配置才能充分發(fā)揮壩系的級聯(lián)調(diào)控作用，使壩系成為具備防洪、攔泥、生產(chǎn)、水資源調(diào)控利用等綜合功能的溝道工程體系，既是壩系規(guī)劃的主要內(nèi)容，也是淤地壩建設(shè)中首先遇到且必須解決的重要問題。

在以往的研究中，對淤地壩蓄洪攔沙效益的計算多采用“水保法”，即依據(jù)水土保持試驗站對各項水土保持措施蓄洪攔沙作用的觀測資料，對研究流域內(nèi)各項水土保持措施進(jìn)行分項計算，再將各項措施的蓄洪攔沙效益逐項相加，并考慮流域內(nèi)河道泥沙的沖淤變化和人類活動對水沙變化的影響，從而推算出淤地壩的蓄洪攔沙效益[3]。通過這種方法的計算可以清楚地了解單壩在小流域水沙調(diào)控中的作用，但是體現(xiàn)不出壩系在小流域綜合治理蓄洪攔沙中的作用。為此，筆者選取位于黃河中游多沙粗沙區(qū)的岔巴溝小流域為研究對象，通過對流域壩系形成前后相同量級洪水的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進(jìn)行對比，并結(jié)合流域淤地壩發(fā)展情況，對該地區(qū)淤地壩壩系的水土保持蓄洪攔沙效果進(jìn)行分析, 研究和揭示黃土高原典型小流域在庫壩工程影響下的水沙變化情況，以期為揭示近期黃河水沙量銳減的原因提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

岔巴溝流域位于陜西省子洲縣北部，地處黃土高原多沙粗沙區(qū)，是大理河的一條支溝，無定河的二級支流。流域面積205 km2，溝道密度1.05 km/km2，河谷階地和黃土丘陵溝壑是該流域的兩大地貌類型。地面坡度變化復(fù)雜且不連續(xù)，上游以梁地溝谷為主，下游以峁地溝谷為主，中游二者皆有。同一梁、峁的不同方向及同一方向的上、中、下各坡面坡度變化急劇，其中：主溝上游及大支流坡度54°～ 60°，在溝頭及支溝上部減至30°～ 45°，梁峁頂坡度5°～ 10°，梁峁兩側(cè)坡度15°～ 30°。該地區(qū)土質(zhì)疏松，植被破壞及土壤侵蝕極其嚴(yán)重，主要侵蝕類型有片蝕、溝蝕、崩塌、滑坡和潛蝕等。溝道劇烈發(fā)育，呈現(xiàn)出溝壑縱橫、支離破碎的典型黃土地貌景觀，是黃土高原多沙粗沙區(qū)典型流域之一。屬干燥少雨的大陸性氣候區(qū)，降水多為強(qiáng)度大歷時短的侵蝕性降雨，且雨量分配極不均勻，有70%的降水集中在7—9月。流域復(fù)雜的下墊面情況加之降雨分布的不確定性，使流域侵蝕產(chǎn)沙過程變得非常復(fù)雜，洪水具有陡漲陡落、歷時短暫的特點，且流域徑流、輸沙的年內(nèi)分配極不均勻。年均徑流深54 mm，約62%的徑流量和90%以上的輸沙量集中在每年的7—9月。流域水文觀測站網(wǎng)較為完善，流域內(nèi)均勻地布設(shè)有13處雨量站，用于監(jiān)測流域的降水過程。曹坪站是該流域的把口水文站，控制流域面積187 km2，用于觀測全流域徑流和泥沙的形成過程。主要雨量站、水文站空間布局見圖1。

圖1　岔巴溝小流域雨量站、水文站分布示意

2流域壩系發(fā)展過程

岔巴溝流域的淤地壩建設(shè)始于1953年，20世紀(jì)50年代建設(shè)的淤地壩只有25座，且大部分建于1958年。從20世紀(jì)60年代開始，淤地壩的數(shù)量開始增加，到1969年增至124座；到70年代，隨著水墜壩技術(shù)的推廣應(yīng)用，這一數(shù)字增至248座；至80、90年代，淤地壩建設(shè)速度放緩，只新建了13座淤地壩，主要是對現(xiàn)有淤地壩進(jìn)行維修和加固[4]。

20世紀(jì)50年代該流域所建淤地壩較為集中，只分布于一些支溝；到了60年代淤地壩數(shù)量大大增加，主要分布于一些中心峽谷中；1970—1979年間淤地壩數(shù)量進(jìn)一步增加，且廣泛分布于整個流域，上游一些小支溝也有淤地壩分布。

1975年后，大量的壩庫建成并發(fā)揮效益, 平均庫容超過12 萬m3/km2。這些壩庫均勻分布在流域內(nèi)是影響該地區(qū)水沙變化的重要原因。圖2顯示了岔巴溝流域1959—2001 年壩地面積隨時間的變化，從圖中可以看出，進(jìn)入70 年代，岔巴溝流域壩地面積顯著增加，1978 年到達(dá)最大，約為2.4 km2；1979 年左右大量淤地壩被水毀,壩地面積減少至1.5 km2；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，流域壩地面積緩慢增加；1990年至今，流域壩地面積基本維持在2.2 km2。

圖2　岔巴溝流域壩地面積變化過程

從岔巴溝流域淤地壩的發(fā)展過程看，該流域淤地壩建設(shè)經(jīng)歷了4個主要階段：初步建設(shè)階段(1970年之前)，該地區(qū)從這一階段開始興建淤地壩，為攔減流域泥沙作出了重要貢獻(xiàn)；迅速發(fā)展階段(1970—1978年)，這一階段該流域開始大量興建淤地壩，壩地面積迅速增加，壩系基本形成，且淤地壩均勻地分布在流域內(nèi)，成為減水減沙的重要因素；緩慢發(fā)展階段(1978—1990年)，這一時期由于該地區(qū)降雨強(qiáng)度大、歷時短且集中，洪水常攜帶大量泥沙，超出了淤地壩的攔蓄能力，經(jīng)常會有損毀或崩塌發(fā)生；基本穩(wěn)定階段(1990年至今)，這一時期流域壩地面積基本穩(wěn)定。

3治理前后次洪水沙量對比

淤地壩作為一項水土保持措施在攔泥減沙方面發(fā)揮了重要的作用，但是在發(fā)揮攔沙效用的同時會起到滯洪蓄水的作用。經(jīng)過幾十年的實踐，淤地壩建設(shè)經(jīng)過了由分散、沒有規(guī)模到以小流域為單元的壩系建設(shè)。流域壩系形成之后，壩與壩之間相互協(xié)調(diào)，不但蓄洪攔沙能力較單壩大大提高，而且對小流域水土流失過程的調(diào)控作用也發(fā)生了改變，因此有必要對小流域淤地壩壩系的蓄洪攔沙作用進(jìn)行分析。

為驗證岔巴溝流域壩系蓄洪攔沙效益,在分析岔巴溝流域壩系發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，選取了岔巴溝流域壩系形成前后，降雨量基本相同的6場次洪水進(jìn)行對比分析，分別為1963年的630603次洪水、1972年的720731次洪水，1960年的600702次洪水、1997年的970729次洪水，1972年的720702次洪水和1999年的990720次洪水。根據(jù)實測資料計算, 岔巴溝流域在這6場次洪水中的降雨量、徑流量、輸沙量見表1。

表1　岔巴溝流域徑流輸沙模數(shù)變化分析

在降水條件相似的情況下，20世紀(jì)70年代的徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)較60年代均有所減少，徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)分別減少19.9%和19.1%。從岔巴溝流域淤地壩壩系的發(fā)展過程分析，70年代正是該地區(qū)淤地壩壩系的快速形成時期，此時壩系的蓄洪攔沙效益初步顯現(xiàn)。岔巴溝流域20世紀(jì)90年代徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)較60年代分別減少23.0%和32.8%，這一數(shù)據(jù)較70年代蓄洪攔沙效益大幅度提高，此時經(jīng)過40多年的發(fā)展，岔巴溝流域淤地壩壩系已經(jīng)形成，壩系的蓄洪攔沙效益開始凸顯。比較20世紀(jì)70年代和90年代末的徑流、輸沙模數(shù)，該流域滯洪效益進(jìn)一步提高，徑流模數(shù)減少約34.5%，輸沙模數(shù)減少約31.5%。

4結(jié)語

岔巴溝流域淤地壩壩系在庫壩工程正常運行期間能夠有效減少流域輸沙模數(shù), 減少的程度受洪水量級的影響，平均為30%左右；能夠有效攔截洪水, 減少徑流模數(shù)，減洪作用大于20%。該地區(qū)淤地壩在幾十年的發(fā)展過程中多數(shù)原有壩地已經(jīng)淤滿，可淤庫容顯著下降，但是淤地壩壩系仍然在為該地區(qū)的蓄洪攔沙發(fā)揮著重要作用，壩系的存在能夠?qū)崿F(xiàn)洪水泥沙的內(nèi)部消化，蓄洪攔沙效益穩(wěn)定在一個較高水平。但該地區(qū)的淤地壩建設(shè)及管理也存在一些問題，如自20 世紀(jì)80 年代以后岔巴溝流域淤地壩的建設(shè)速度減緩，加之后期管理和維護(hù)不力，垮壩和毀壩的現(xiàn)象時有發(fā)生，增加了淤地壩泥沙再釋放的潛在性風(fēng)險等。因此，今后在對淤地壩的研究中，除了要研究如何進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩壩系蓄洪攔沙級聯(lián)調(diào)控作用，還要研究如何維護(hù)和加固現(xiàn)有淤地壩，延長工程使用壽命。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 綦俊諭，蔡強(qiáng)國，方海燕，等.岔巴溝流域水土保持減水減沙作用[J].中國水土保持科學(xué)，2010(1):28-33.

[2] 冉大川，柳林旺，趙力儀，等.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持與水沙變化[M].鄭州:黃河水利出版社，2000：6-25.

[3] 張攀，姚文藝，冉大川.水土保持綜合治理的水沙響應(yīng)研究方法改進(jìn)探討[J].水土保持研究，2008，15(2): 173-176.

[4] Zhang Luan，Shi Changxing，Zhang Hao. Effects of check-dams on sediment storage-release in Chabagou Watershed [J].Transactions of the CSAE, 2010，26(2): 64-69.

(責(zé)任編輯孫占鋒)

[中圖分類號]S157

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)02-0027-03

[收稿日期]2015-10-15

[作者簡介]孫維營(1981—)，男，河南鞏義市人，工程師，碩士，主要從事土壤侵蝕及水土保持研究。

[基金項目]水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201201084)；國家自然科學(xué)基金項目(51409110)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(HKY-JBYW-2014-2)