黃土丘陵區(qū)淤地壩建設(shè)后小流域泥沙攔蓄與輸移特征

李 勉，李 平，楊 二，鮑宏喆，申震洲，魏鸛舉

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黃土丘陵區(qū)淤地壩建設(shè)后小流域泥沙攔蓄與輸移特征

李 勉1，李 平2，楊 二1，鮑宏喆1，申震洲1，魏鸛舉3

（1. 黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2. 黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，綏德 718000；3. 青海大學(xué)水利電力學(xué)院，西寧 810016）

了解淤地壩建設(shè)后小流域泥沙攔蓄與輸移的變化特征對(duì)正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)淤地壩的減蝕作用有重要意義。該文通過(guò)對(duì)黃土丘陵區(qū)王茂溝流域1953－2015年不同時(shí)段內(nèi)淤地壩的攔沙量和流域出口輸沙量的分析，研究了壩系建設(shè)后泥沙攔蓄、輸移和侵蝕的變化過(guò)程與特征。研究表明，王茂溝流域年均攔沙模數(shù)呈減少-增加-再減少的波動(dòng)變化趨勢(shì)；流域年均輸沙模數(shù)呈先增加后減少的變化趨勢(shì)；1953－1986年期間，不同階段的年均侵蝕模數(shù)變化不大，1987年后呈顯著下降趨勢(shì)。流域治理后期與初期相比，年均攔沙模數(shù)、輸沙模數(shù)和侵蝕模數(shù)分別下降了79.3%、90.6%和83.9%。淤地壩建設(shè)初期，有效庫(kù)容對(duì)流域攔沙模數(shù)和輸沙模數(shù)的變化有重要影響，侵蝕性降雨頻發(fā)和較低的水土流失治理度是侵蝕強(qiáng)烈的主要因素；流域治理后期，侵蝕性降雨及其發(fā)生頻次的減少，水土流失治理度的提高與穩(wěn)固，是流域攔沙、輸沙和侵蝕產(chǎn)沙顯著下降的主要原因。淤地壩在控制流域侵蝕產(chǎn)沙、減少泥沙輸移方面作用顯著，但要達(dá)到持續(xù)有效的作用，坡面治理不容忽視，兩者兼顧是黃土丘陵區(qū)水土保持的必由之路。

侵蝕；泥沙；流域；淤地壩；泥沙攔蓄；泥沙輸移；黃土丘陵區(qū)

0 引 言

黃河泥沙主要來(lái)源于黃土高原的千溝萬(wàn)壑，尤其是7.86萬(wàn)km2的多沙粗沙區(qū)。以小流域?yàn)閱卧乃帘３志C合治理模式是中國(guó)在流域治理中做出的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)，小流域治理的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及治理效果的評(píng)價(jià)，都迫切需要對(duì)小流域產(chǎn)沙、輸沙過(guò)程進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，由于種種原因，整個(gè)黃土高原地區(qū)僅有極少數(shù)小流域開(kāi)展了侵蝕產(chǎn)沙觀測(cè)，且所獲資料非常有限，對(duì)于絕大多數(shù)小流域而言，這方面的資料更是空白。因而，許多流域的侵蝕量多是采用輸沙量來(lái)替代，或者利用各種侵蝕產(chǎn)沙模型計(jì)算，或者通過(guò)不同時(shí)期流域DEM圖的對(duì)比計(jì)算獲取[1-2]。這些方法具有一定的可行性，但由于受諸多因素的限制，其計(jì)算精度還有待進(jìn)一步提高。

在溝道中建造淤地壩攔截泥沙是中國(guó)黃土高原地區(qū)人民群眾在長(zhǎng)期實(shí)踐中創(chuàng)造的防治水土流失的重要工程措施之一。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，黃土高原地區(qū)已建成淤地壩11萬(wàn)余座，眾多的淤地壩在攔蓄大量泥沙的同時(shí)，也賦存了小流域侵蝕產(chǎn)沙歷史變化過(guò)程及特征的大量信息，為小流域侵蝕產(chǎn)沙及泥沙輸移過(guò)程研究提供了得天獨(dú)厚的條件和可能[3]。一些學(xué)者利用這些信息開(kāi)展了淤地壩建設(shè)對(duì)流域徑流、產(chǎn)沙和輸沙的影響，以及淤地壩與坡面措施攔沙效益比較等方面的研究。研究表明，淤地壩的攔沙減蝕作用遠(yuǎn)大于坡面治理措施的作用，甚至是后者的數(shù)倍乃至10多倍[4-7]。要有效減少小流域泥沙輸出，必須在坡面治理減少侵蝕源的基礎(chǔ)上，大力開(kāi)展各級(jí)溝道攔泥措施建設(shè)[8-12]。黃河中游各項(xiàng)水土保持措施中，對(duì)減少入黃泥沙貢獻(xiàn)率最大的是淤地壩攔沙，如果只強(qiáng)調(diào)坡面林草、梯田措施，最多只能控制入黃泥沙量的一半[13]。黃河中游包括淤地壩在內(nèi)的較高的水土流失治理度是影響20世紀(jì)80年代以來(lái)黃河年輸沙量銳減的主要原因之一[14]。淤地壩的質(zhì)量和攔蓄庫(kù)容在一定程度上制約了流域泥沙的侵蝕、輸移和堆積過(guò)程[4,15]。對(duì)于淤地壩減蝕作用的時(shí)效性，有的認(rèn)為淤地壩具有長(zhǎng)期的減沙效益[16]，有的認(rèn)為是一種有效而短期的泥沙控制措施，只有不斷加強(qiáng)后續(xù)建設(shè)和維護(hù)才能確保其減沙效益持續(xù)發(fā)揮[13,17]，還有的認(rèn)為淤地壩建設(shè)后坡面成為侵蝕泥沙的主要來(lái)源區(qū)，必須高度重視并提高流域坡面治理措施的有效性，兩者不可或缺[18-20]。這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)淤地壩的攔沙減蝕效益有重要作用。然而，針對(duì)淤地壩壩系不同建設(shè)階段的攔沙減蝕作用的對(duì)比研究相對(duì)偏少，研究年限也相對(duì)較短，在揭示壩系建設(shè)后流域侵蝕產(chǎn)沙與輸移的長(zhǎng)期變化過(guò)程方面仍存在一定問(wèn)題。

本項(xiàng)研究以黃土丘陵區(qū)具有完整壩系的王茂溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)淤地壩壩系建設(shè)的不同時(shí)段內(nèi)淤地壩泥沙沉積量的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，結(jié)合同時(shí)段流域出口水文站泥沙觀測(cè)資料，研究了建壩60多年來(lái)流域泥沙攔蓄與輸移的變化過(guò)程與特征，以期能對(duì)正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)淤地壩壩系建設(shè)對(duì)小流域侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸移的影響作用提供科學(xué)依據(jù)。

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(wú)定河左岸的一條2級(jí)支溝。王茂溝流域海拔940～1188 m，流域面積5.97 km2，其中溝間地占58.4%，溝谷地占41.6%。主溝長(zhǎng)3.75 km，溝道平均比降2.7%，流域平均寬1.46 km，一級(jí)支溝21條，溝壑密度4.3 km/km2。地面坡度0°～15°占8.6%，16°～25°占20.1%，26°～35°占40.9%，大于35°的占30.4%。具有地形破碎、坡陡溝深、地貌類型復(fù)雜等特點(diǎn)。該流域地表覆蓋物，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。王茂溝流域多年平均降水量485 mm，降水量年際變率大，年最大降雨量是年最小降水量的3.5倍；其中，汛期（6～9月）降雨占年降水總量的70%以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)[3,21]。土壤侵蝕以水力侵蝕和重力侵蝕為主，治理前王茂溝流域多年平均侵蝕模數(shù)18 000 t/km2·a[8-9,21]。

自1953年春在王茂溝溝口修建了主溝1號(hào)壩后，開(kāi)始了以打壩為主的流域綜合治理，到1960年共建壩42座，初步形成了壩系。之后，又經(jīng)過(guò)了改擴(kuò)建、調(diào)整與完善階段。目前，王茂溝流域淤地壩總數(shù)為23座[3,21]。圖1為王茂溝流域淤地壩現(xiàn)狀分布圖。

圖1 王茂溝流域淤地壩分布圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

自王茂溝流域建設(shè)淤地壩后，黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站在不同年份或時(shí)段對(duì)每座淤地壩的泥沙淤積量進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)（1953－1956年用庫(kù)容曲線法測(cè)量，1957年以后為斷面間距法）。該站于1954年在王茂溝流域設(shè)立雨量站開(kāi)展了降雨觀測(cè)（1970－1973年由于歷史原因暫停觀測(cè)），1960年又在流域出口設(shè)立了水文站，開(kāi)展了徑流泥沙觀測(cè)（1966－1979年暫停觀測(cè)）。

本文中淤地壩的攔沙量和流域降雨數(shù)據(jù)均來(lái)自于該站的觀測(cè)資料，水土流失治理度來(lái)自于該站不同年份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。1960年之前，由于沒(méi)有水文泥沙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文中所采用的多年平均侵蝕模數(shù)（18 000 t/km2·a）是依據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》（榆林地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)隊(duì)編）中的多年平均年侵蝕模數(shù)分布圖確定的。該值與通過(guò)韭園溝水文站（控制面積70.1 km2，王茂溝是該流域的一條支溝）實(shí)測(cè)資料獲得的1954－1960年韭園溝流域平均侵蝕模數(shù)（17 634 t/km2·a）非常接近。

文中王茂溝流域的輸沙模數(shù)是指王茂溝溝口斷面以上單位面積所輸移的泥沙量，1960年之前的輸沙模數(shù)采用《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》確定的多年平均侵蝕模數(shù)與同期實(shí)測(cè)的淤地壩攔沙模數(shù)（淤地壩年均攔沙量與流域面積的比值）之差計(jì)算而來(lái)；1960年之后的則為流域溝口水文站實(shí)測(cè)的年輸沙模數(shù)。流域各時(shí)段的侵蝕模數(shù)為同時(shí)段內(nèi)溝口水文站實(shí)測(cè)的年輸沙模數(shù)與淤地壩攔沙模數(shù)之和。

王茂溝流域壩系建設(shè)過(guò)程劃分為壩系形成階段（1953－1963年）、壩系改擴(kuò)建階段（1964－1978年）和壩系調(diào)整與完善階段（1979年以后）[8-9]。根據(jù)壩系建設(shè)劃分階段和降雨、徑流泥沙觀測(cè)和流域治理變化情況，將研究期劃分為6個(gè)階段：1953－1960年、1961－1963年、1964－1979年、1980－1986年、1987－1992年和1993－2015年。

本文采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 淤地壩攔沙模數(shù)的變化

由于淤地壩在攔蓄泥沙方面效果顯著，王茂溝流域壩系建成后的幾十年來(lái)一直保持著較高的攔沙效果。據(jù)實(shí)際測(cè)算，到2015年，淤地壩的攔沙總量為198.6萬(wàn)m3，年均攔沙量為3.15萬(wàn)m3/a，極大地減少了向下游的泥沙輸送量，發(fā)揮了工程措施攔沙的重要作用。

根據(jù)不同時(shí)段壩系攔蓄泥沙量的統(tǒng)計(jì)[9-11]和最新測(cè)量數(shù)據(jù)，建壩以來(lái)王茂溝流域不同階段的年均攔沙模數(shù)呈減少-增加-再減少的波動(dòng)變化趨勢(shì)（圖2a）。壩系建設(shè)初期（1953－1960年）的年均攔沙模數(shù)為10 710 t/km2·a，1961－1963年下降到7 673 t/km2·a，下降幅度高達(dá)28.4%；1964－1979年的年均攔沙模數(shù)略有增加，1980－1986年期間則顯著增加，達(dá)到了17 198 t/km2·a，遠(yuǎn)超壩系建設(shè)初期的攔沙模數(shù)；1987年之后呈顯著下降趨勢(shì)，1993－2015年的年均攔沙模數(shù)僅為2 213 t/km2·a，相比壩系建設(shè)初期下降了79.3%。

3.2 流域輸沙模數(shù)的變化

王茂溝流域淤地壩攔蓄了大量泥沙，對(duì)流域出口的輸沙過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。圖2b是王茂溝流域出口水文站測(cè)得的1953－2015年不同時(shí)段內(nèi)年均輸沙模數(shù)的變化。

從圖2b可以看出，在1953－2015年的不同階段，流域的年均輸沙模數(shù)呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，由最初階段（1953－1960年）的7290 t/km2·a增加到1961－1963年期間的10 174 t/km2·a，增加了28.3%；1980年之后都小于800 t/km2·a，尤其是1980－1986年期間僅有437 t/km2·a，較最初階段下降了94%；1993－2015年期間的輸沙模數(shù)雖略有增加，但也較最初階段下降了90.6%，說(shuō)明壩系建設(shè)30多年后流域泥沙輸出量已大幅減少，個(gè)別年份甚至沒(méi)有泥沙輸出。

3.3 流域侵蝕產(chǎn)沙的變化

將王茂溝流域淤地壩不同時(shí)段的攔沙模數(shù)和同時(shí)段流域出口水文站的輸沙模數(shù)相加后可獲得同一時(shí)段內(nèi)流域的侵蝕模數(shù)（圖2）。如圖2c所示，王茂溝流域1961－1963年和1980－1986年期間的年均侵蝕模數(shù)都接近18 000 t/km2·a，與1960年之前無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)所采用《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》確定的多年平均年侵蝕模數(shù)非常接近。1987－1992年的年均侵蝕模數(shù)下降到7 393 t/km2·a，1993－2015年的侵蝕模數(shù)僅有2901 t/km2·a，較流域治理初期下降了83.9%。由此可見(jiàn)，王茂溝流域經(jīng)過(guò)30多年的水土流失治理，1987年之后流域侵蝕強(qiáng)度才開(kāi)始明顯下降，說(shuō)明在黃土丘陵區(qū)，小流域各項(xiàng)治理措施要持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮減蝕作用需要一個(gè)較長(zhǎng)過(guò)程。

注：1966－1979年暫停輸沙量觀測(cè)，1964－1979年無(wú)輸沙模數(shù)和侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)。

3.4 影響因素分析

3.4.1 淤地壩有效庫(kù)容及防洪標(biāo)準(zhǔn)

具備一定的有效庫(kù)容是淤地壩發(fā)揮攔沙作用的前提，同時(shí)，有效庫(kù)容的大小也決定了攔沙能力的強(qiáng)弱。圖3是王茂溝流域淤地壩淤積庫(kù)容和有效庫(kù)容的變化。

圖3 王茂溝流域淤地壩淤積庫(kù)容和有效庫(kù)容的變化

1953年王茂溝流域淤地壩初建時(shí)，僅在溝口修建了一座淤地壩（庫(kù)容為12.68萬(wàn)m3），由于庫(kù)容小，當(dāng)年泥沙淤積后有效庫(kù)容僅剩6.29萬(wàn)m3，盡管在1954年夏對(duì)壩體進(jìn)行了加高，增加了庫(kù)容，但在1955年仍被淤滿，部分泥沙輸出流域。之后，隨著建壩數(shù)量的增多，到1960年，淤地壩總庫(kù)容達(dá)到53.4萬(wàn)m3，其中有效庫(kù)容15.5萬(wàn)m3。但在經(jīng)歷了1961和1963年的數(shù)場(chǎng)特大暴雨后，多數(shù)淤地壩被淤滿或成為病險(xiǎn)壩，其攔沙有效性已大部消失，有效庫(kù)容僅剩10.9萬(wàn)m3。因而，在淤地壩建設(shè)初期，由于受淤地壩數(shù)量和有效庫(kù)容的制約，加上特大暴雨發(fā)生次數(shù)較多，導(dǎo)致這一階段的攔沙模數(shù)相對(duì)有限而輸沙模數(shù)卻很大（圖2a和圖2b）。之后，經(jīng)過(guò)壩系改擴(kuò)建、調(diào)整與完善階段，有效庫(kù)容大大增加。到1983年和1992年，王茂溝流域壩系有效庫(kù)容分別保持在151.6萬(wàn)m3和144.8萬(wàn)m3[8-9]。2015年底，王茂溝流域壩系總庫(kù)容為320.8萬(wàn)m3，有效庫(kù)容仍有122.2萬(wàn)m3[21]。

與此同時(shí)，淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。1964－1978年的壩系改擴(kuò)建階段，將生產(chǎn)壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)由5 a一遇提高為10 a一遇，攔沙壩提高為20 a一遇[8-9]。在1979年以后的壩系調(diào)整與完善階段，又將生產(chǎn)壩按照20 a一遇、外加3a淤積庫(kù)容的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，防洪骨干壩按50 a一遇暴雨洪水、外加5a淤積庫(kù)容的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[8-9]。這些改建使壩系防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高，經(jīng)受住了之后歷次洪水過(guò)程的考驗(yàn)，如2012年7月14－16日暴雨（降雨量90.5 mm）洪水過(guò)后的實(shí)地調(diào)查表明，該次暴雨過(guò)程中壩系的總攔沙量高達(dá)16萬(wàn)t，僅有6座淤地壩出現(xiàn)了較大險(xiǎn)情，但未發(fā)生垮壩現(xiàn)象。

因而，王茂溝流域壩系有效庫(kù)容的增加及防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高是其能夠持續(xù)發(fā)揮攔沙效益的關(guān)鍵和保障，尤其是在遭遇大暴雨時(shí)作用更加顯著。

3.4.2 侵蝕性降雨及發(fā)生頻次

黃土丘陵區(qū)冬季降水量不大，幾乎不發(fā)生融雪徑流侵蝕，汛期的侵蝕性降雨是侵蝕產(chǎn)沙的主要?jiǎng)恿?，?duì)流域產(chǎn)輸沙有重要影響。因而，產(chǎn)沙量與汛期侵蝕性降雨量具有很好的相關(guān)性[7,22-23]。據(jù)研究，黃土丘陵區(qū)小流域的侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，平均雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)為0.03 mm/min，最大30 min雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)為0.13 mm/min[22]。按此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)王茂溝降雨資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。圖4是王茂溝流域60年來(lái)侵蝕性降雨量、徑流量和輸沙量的變化過(guò)程。

圖4 王茂溝流域侵蝕性降雨量與徑流量和輸沙量的變化過(guò)程

如圖4所示，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，王茂溝流域侵蝕性降雨量隨時(shí)間呈顯著線性減少趨勢(shì)（<0.001），而且侵蝕性降雨量大的年份，其徑流量和輸沙量往往也較大，反之亦然。另外，按照該地區(qū)的年均侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)（129 mm）統(tǒng)計(jì)，在1954－1960、1961－1963、1980－1986、1987－1992和1993－2015年的5個(gè)時(shí)段，達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的年份分別有7、3、6、2和5 a，占各時(shí)段總年份的比例分別為100%、100%、85.7%、33.3%和21.7%。與之相應(yīng)的侵蝕模數(shù)也從1987年之前的18 000 t/km2·a左右下降到7 393 t/km2·a（1987－1992年），再下降到2 901 t/km2·a（1993－2015年）（圖2c）。可見(jiàn)，1987年之后王茂溝流域侵蝕模數(shù)的顯著下降與汛期降雨量及其發(fā)生頻次的減少有重要關(guān)系。

圖5是王茂溝流域1960年設(shè)立水文站后，年侵蝕性降雨量、徑流量和輸沙量三者之間的關(guān)系，可以看出，兩兩之間的相關(guān)性都非常顯著（<0.001）。說(shuō)明盡管流域內(nèi)修建了一定數(shù)量的淤地壩，攔蓄了部分泥沙，但侵蝕性降雨量仍是影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的決定性因素。這與黃土丘陵區(qū)其他學(xué)者的研究結(jié)論是一致的[24-28]。

圖5 王茂溝流域年侵蝕性降雨量、徑流量和輸沙量的關(guān)系

王茂溝流域侵蝕性降雨的減少不僅降低了流域的產(chǎn)輸沙模數(shù)，而且對(duì)水沙關(guān)系的改變產(chǎn)生了重要影響。自開(kāi)展水土流失治理后，徑流含沙量呈逐漸降低趨勢(shì)，已由最初的25%以上逐步下降到15%以下，即使是2012年的特大暴雨，含沙量也僅有10.3%（圖6）。

圖6 王茂溝流域含沙量的變化過(guò)程

在流域治理初期，大雨產(chǎn)大沙特征明顯，這與當(dāng)時(shí)水土保持措施數(shù)量較少且治理標(biāo)準(zhǔn)較低，對(duì)流域的自然侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程影響相對(duì)有限有重要關(guān)系。1979年之后，隨著壩系有效庫(kù)容的增加和防洪標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，淤地壩滯洪攔沙作用不斷增強(qiáng)，加上坡面治理面積的不斷增加，流域?qū)χ行?qiáng)度降雨可起到較好的減水減沙作用，而在高強(qiáng)度大暴雨發(fā)生年份（如1992、1994、2012年）的減水作用不十分顯著，但減沙作用卻較治理初期有很大提高，含沙量的大幅下降就很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)（圖6）。這種變化特征與王茂溝所屬的韭園溝流域、無(wú)定河流域的水沙變化過(guò)程與特征是一致的，表明經(jīng)過(guò)多年的水土流失治理后，各類水土保持措施發(fā)揮了重要作用，水多沙多的關(guān)系也得到了明顯的改善[29-31]。

3.4.3 水土流失治理度

研究表明：水土流失治理度與減沙效益呈正相關(guān)關(guān)系，相同降雨條件下，水土流失治理度的提高可以顯著減少流域的年輸沙量[12-14,30-31]。因此，除淤地壩建設(shè)和降雨因素外，水土流失治理度的變化也是影響流域產(chǎn)輸沙過(guò)程的一個(gè)重要因素。圖7是王茂溝流域1953年以來(lái)水土流失治理度的變化過(guò)程。

圖7 王茂溝流域水土流失治理度變化過(guò)程

如圖7所示，王茂溝流域自1953年開(kāi)展水土流失治理以來(lái)的60多年，隨著溝道淤地壩建設(shè)，以及坡面坡改梯、退耕換林（草）措施的實(shí)施，淤地壩和梯田從無(wú)到有，坡耕地面積大大減少，林草面積迅速增加，水土流失治理度呈顯著增加趨勢(shì)，到1986年達(dá)到了67.32%，之后也始終保持在70%左右[8-10,32]。對(duì)比圖7與圖2，可以看出，在1987年以前水土流失治理度快速增加的各個(gè)階段（不含1964－1979年）的年均侵蝕模數(shù)都在17 000 t/km2·a以上，1987年之后，流域侵蝕模數(shù)和淤地壩攔沙模數(shù)都呈顯著下降趨勢(shì)，輸沙模數(shù)下降更為顯著且始終處于較低水平。這一方面與降雨變化有關(guān)，另一方面也與水土流失治理度的不斷增加有重要關(guān)系。說(shuō)明只有當(dāng)流域水土流失治理度達(dá)到一定程度時(shí)，其減沙作用才會(huì)逐步顯現(xiàn)出來(lái)[12,30]。

水土流失治理度涵蓋了溝道治理措施（淤地壩）和坡面治理措施（梯田、林地、草地）的面積，其減蝕效益是二者共同作用的結(jié)果。在流域水土流失治理過(guò)程中，治溝措施和治坡措施的減蝕作用是在不斷變化的。研究表明，王茂溝流域坡面水保措施在1953、1981和2010年的減沙效益分別為2.5%、43%和58.3%，治理后期較治理初期增加了20多倍，而治溝措施的減沙效益已由最初的90%多逐步下降到目前的50%以下[33]。黃土丘陵區(qū)韭園溝流域、無(wú)定河流域及黃河中游河龍區(qū)間淤地壩和坡面措施的減沙效益所占比例的變化也大致相同[7,12-14,30-31]。需要指出的是，隨著坡面治理面積的不斷增加，其侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙強(qiáng)度明顯減輕，導(dǎo)致坡面徑流和泥沙不下溝或少下溝，在一定程度上減輕了對(duì)溝坡的沖刷，降低了溝坡的侵蝕強(qiáng)度，再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)定起到了加強(qiáng)和鞏固作用，進(jìn)而減輕甚至遏制了溝谷坡下部侵蝕的發(fā)生，也顯著降低了流域的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度[28,34-35]。因此，坡面治理措施不僅減輕了坡面的侵蝕產(chǎn)沙，又間接地減輕了溝坡侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度，對(duì)流域侵蝕模數(shù)的下降發(fā)揮了重要作用。國(guó)外學(xué)者通過(guò)比較流域土地利用變化和淤地壩建設(shè)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響，發(fā)現(xiàn)僅通過(guò)土地利用變化不修建淤地壩可使產(chǎn)沙量減少54%，而土地利用沒(méi)有變化時(shí)，淤地壩可以攔蓄77%的產(chǎn)沙量[17]。黃土丘陵區(qū)水土流失治理實(shí)踐表明，淤地壩在攔減泥沙方面有著舉足輕重、不可替代的作用，尤其是在高強(qiáng)度大暴雨年份；但要達(dá)到持續(xù)有效的治理作用，坡面治理措施不容忽視。淤地壩溝道工程措施與坡面林草等措施的有機(jī)結(jié)合與合理配套，才是黃土高原水土保持的必由之路[13,36]。

4 結(jié) 論

1）淤地壩建設(shè)后，王茂溝流域不同階段的年均攔沙模數(shù)呈減少-增加-再減少的波動(dòng)變化趨勢(shì)，治理后期的年均攔沙模數(shù)較初期下降了79.3%。流域的年均輸沙模數(shù)呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，治理后期與初期相比，下降了90.6%。1953－1986年，不同階段的年均侵蝕模數(shù)變化不大，1987年后呈明顯下降趨勢(shì)，治理后期較初期下降了83.9%。

2）淤地壩建設(shè)初期，有效庫(kù)容是影響流域攔沙模數(shù)和輸沙模數(shù)變化的主要因素。流域侵蝕性降雨及其發(fā)生頻次對(duì)侵蝕模數(shù)有重要影響，后者隨前者的增加而增加。1987年后流域年均侵蝕模數(shù)的顯著下降與侵蝕性降雨及其發(fā)生頻次減少和流域水土流失治理度的不斷提高與穩(wěn)固有重要關(guān)系。

3）當(dāng)流域水土流失治理度達(dá)到一定程度時(shí)，其減沙作用才會(huì)逐步顯現(xiàn)出來(lái)。隨著王茂溝流域水土流失治理度的不斷提高，坡面減沙效益呈逐漸增加趨勢(shì)，而淤地壩的減沙效益有逐步下降趨勢(shì)。對(duì)于高強(qiáng)度大暴雨，淤地壩在攔減泥沙方面有著舉足輕重、不可替代的作用；但要達(dá)到持續(xù)有效的治理作用，坡面治理措施也不容忽視，兩者兼顧是黃土高原水土保持的必由之路。

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Characteristics of sediment retention and transport in small watershed after construction of check dams in Loess Hilly Area

Li Mian1, Li Ping2, Yang Er1, Bao Hongzhe1, Shen Zhenzhou1, Wei Guanju3

(1.450003;2.718000;3.810016)

Since the 1950s, as one of engineering measures for conserving soil and water, many check dams have been constructed on the Loess Plateau in China. Up to now, there is more than 110 thousand of check dams have been constructed, which play important roles in holding back eroded soil just like sediment ponds. Understanding the variance of sediment retention and transport in a small watershed after construction of check dams is very important for the correct evaluation on the sediment reducing benefit of check dams. As a typical watershed with check dam construction, many check dams have been constructed and played important role in blocking sediment and changing the transport process in the past six decades in the Wangmaogou watershed in the Loess Hilly Area. Based on the date of sediment retention in check dams and the sediment discharge in the Wangmaogou watershed during the period of 1953-2015, the variation in processes and characteristics of sediment yield, and retention and transport in different stages in the watershed were analyzed in this study. Results showed that the variation of average annual sediment retention in the check dams fluctuated with time. The sediment discharge increased firstly and then reduced. The variance of erosion intensity was very small in various stages during 1953-1986, but it decreased significantly after 1987 in the watershed. Compared to the initial stage after the check dam was constructed, in the present stage (1993-2015), the average annual sediment retention in the check dams, and the average annual sediment discharge and soil erosion intensity for the watershed decreased by 79.3%, 90.6% and 83.9%, respectively. In the initial stage, the usable capacity of check dams was a main influence factor for the variance of sediment retention and discharge, while moreerosiverainfall and higher occurrence frequency had great effect on the erosion intensity, and the latter increased with the increase of the former. Since the year of 1987, the decrease of erosive rainfall and its occurrence frequency were the main factors for decreased erosion intensity. Meanwhile, the continuous increasing soil and water conservation ratio, particularly along with the quick increase of soil and water conservation measures on hill slopes, such as terrace, woodland, grassland and so on, has greatly reduced the runoff production and sediment yield from hill slopes and thus reduced the potential kinetic energy and gully erosion. Thus, the benefit of sediment reduction from the hill slope was gradually increasing, whereas the benefit from the check dams was gradually decreasing during the past six decades. When the soil and water conservation ratio reached a higher degree, its sediment reduction effect can work gradually. For high-intensity rainfall, check dams had a significant and irreplaceable role in controlling soil erosion and reducing the sediment transport, but these soil and water conservation measured on hill slopes cannot be ignored in order to achieve sustainable and effective role in the Loess Hilly Area.

erosion; sediment; watershed; check dam; sediment retention; sediment discharge; Loess Hilly Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.011

S157.2; TV145

A

1002-6819(2017)-18-0080-07

2017-04-25

2017-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金（41371284）；黃河水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（HKY-JBYW-2017-02）

李 勉，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。Email：hnli-mian@163.com