黃土高原淤地壩的減沙作用及其時效性

劉曉燕，高云飛，馬三保，董國濤

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；3.綏德水土保持試驗站，陜西 綏德 719000；4.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

在黃河近年來沙大幅偏少的背景下，如何認識淤地壩的減沙作用及其時效性，是客觀把握黃河產(chǎn)沙情勢的關鍵環(huán)節(jié)。

淤地壩是指在水土流失區(qū)小流域溝道中建造的以滯洪攔沙和淤地造田為目的的水土保持工程，幾十年來一直是減少入黃泥沙的重要水保工程。按庫容大小，淤地壩分為大、中、小三種類型，庫容50萬～500萬m3者稱為大型淤地壩，也稱治溝骨干工程或骨干壩；庫容10萬～50萬m3者稱為中型淤地壩；庫容1萬～10萬m3者稱為小型淤地壩。受地形和環(huán)境限制，黃土高原的淤地壩大多布置在面積100～200 km2以內的溝道小流域內，其中數(shù)量最多的中小型淤地壩主要分布在小流域的支溝和毛溝、大型壩主要分布在干支溝。

1990年代以來，淤地壩一直水土保持研究的重要課題。在1973年、1975年、1977年、1989年和1994年等典型大暴雨年，河口鎮(zhèn)-龍門區(qū)間（簡稱河龍間）淤地壩曾發(fā)生嚴重水毀，因此1990年代的淤地壩研究主要集中在淤地壩水毀原因調查［1-4］和攔沙量調查［5-6］。2000年以來，在繼續(xù)關注淤地壩水毀［7］和攔沙作用的同時［8-10］，關注點開始集中在淤地壩的減洪減沙作用［11-12］、淤地壩庫區(qū)沉積物組成［13］、淤滿以后的減蝕作用［14］和失去攔沙能力的判斷標準［15］?？傮w上看，現(xiàn)有成果極少關注淤地壩攔沙量與相應入黃泥沙減少量的關系；有關庫區(qū)淤積面以上坡溝侵蝕環(huán)境變化對壩地減蝕量的影響問題，仍未見報導。本文重點分析黃土高原淤地壩的攔沙作用的時效性和淤地壩攔沙對入黃沙量的影響，以及坡溝侵蝕環(huán)境變化對壩地減蝕量的影響，為客觀認識黃河水沙情勢提供技術支撐。

2 研究區(qū)及其基礎數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)及其淤地壩概況本文以潼關以上黃土高原為研究區(qū)范圍（圖1，圖中灰色點子是現(xiàn)狀大中型淤地壩的分布），并重點關注河口鎮(zhèn)-龍門區(qū)間、北洛河上游、十大孔兌和涇河的馬蓮河上游等地區(qū)，該區(qū)不僅是黃土高原淤地壩最集中分布的地區(qū)，也是潼關以上水土流失最嚴重的地區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍

黃土高原淤地壩建設基本始于1950年代，1968—1976年和2004—2008年是淤地壩建設的兩個高峰期，見圖2（圖中“陜北地區(qū)”指榆林市和延安市北部6縣（區(qū)））。統(tǒng)計表明［16］，截止2015年，潼關以上地區(qū)共有淤地壩56 422座，其中大型壩5 658座、中型壩11 248座、小型壩39 516座；30%的大型壩（骨干壩）、69%的中型壩和90%的小型壩建成于1980年以前。

圖2 潼關以上黃土高原逐年建成的大中型淤地壩的數(shù)量

河龍間和北洛河上游是淤地壩的集聚區(qū)，目前該區(qū)大型、中型和小型淤地壩數(shù)量分別占潼關以上總量的70%、88%、91%。該區(qū)也是老舊淤地壩集聚區(qū)：1990年以前，潼關以上的大中型淤地壩幾乎全部分布在陜北的河龍區(qū)間和北洛河上游；晉陜兩省約3.5萬座小型淤地壩也主要分布于此，且大多建成于20世紀六七十年代。

2.2 數(shù)據(jù)采集本文采集了2008年水利部淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)、2011年全國水利普查數(shù)據(jù)、黃河上中游管理局匯集的各?。▍^(qū)）1999—2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及2008年、2011年、2014年、2015年和2017年相關市縣的淤地壩調查成果，分析得到研究區(qū)相關支流在不同時期的淤地壩數(shù)量、大中小壩的比例、空間分布、控制面積及截至某年的淤積量等信息。

采集了1990年代以來有關淤地壩減沙作用的代表性研究成果［5-8，17］，得到相關支流（區(qū)間）在不同時期的淤地壩年均攔沙量。

采用的支流輸沙量、實測徑流量和降雨量數(shù)據(jù)均來自黃河水文年鑒和黃河水文數(shù)據(jù)庫。根據(jù)研究區(qū)各支流來沙的年內分布特點，本文采用的汛期水沙數(shù)據(jù)均為6—9月數(shù)據(jù)。將汛期輸沙量除以汛期徑流量，可得到汛期含沙量。

利用空間分辨率8 km的衛(wèi)星遙感影像，得到了典型支流1981—2017年植被歸一化指數(shù)（NDVI）；利用空間分辨率為30～56 m的衛(wèi)星遙感影像，提取了相關支流1978年、1998年、2010年和2013年的土地利用和植被蓋度數(shù)據(jù)，分析得到相應支流的林草覆蓋率；利用空間分辨率為2.1 m的衛(wèi)星遙感影像，提取了相關支流2012年梯田面積及其分布數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)的采集與處理方法詳見文獻［17］。

2.3 數(shù)據(jù)處理為說明流域尺度上的林草和梯田覆蓋情況，引入“林草覆蓋率”和“林草梯田覆蓋率”概念，前者指流域內林草葉莖正投影面積（Av）占流域易侵蝕區(qū)面積（Ae）的比例，后者指流域內林草葉莖正投影面積（Av）與梯田面積（At）之和占流域易侵蝕區(qū)面積（Ae）的比例［14］，即“100（Av+At）/Ae”。其中，流域的易侵蝕區(qū)面積Ae是指流域內剔除地面坡度小于3o的河川地和平原區(qū)、建設用地和石山區(qū)后的山丘區(qū)土地面積（km2），實際主要由不同植被蓋度的林草地（含俗稱的荒草地）、坡耕地和梯田組成，該區(qū)域顯然是流域泥沙的主要來源地。

為比較不同支流在相同降雨和相同面積情況下的逐年輸沙量變化、分析支流入黃沙量對淤地壩運用的響應，引入“歸一化輸沙量（SRi）”，計算公式為：

式中：Wsf為某支流入黃斷面的實測輸沙量，t；P25為日降雨大于25 mm的年降雨總量，mm。

大量實測數(shù)據(jù)表明，黃土高原大多數(shù)降雨并不產(chǎn)生徑流和泥沙，如綏德韭園溝1954—1979年共降雨1713次，其中產(chǎn)流降雨僅119次。王萬忠發(fā)現(xiàn)［18］，黃土地區(qū)日降雨達到25 mm時，土壤侵蝕達到“強度”標準。采用日降雨大于10、25和50 mm等不同的降雨指標，劉曉燕等［19］分析了流域尺度上林草覆蓋率與產(chǎn)沙指數(shù)的響應關系，結果發(fā)現(xiàn)采用“日降雨大于25 mm的年降水總量（P25）”計算產(chǎn)沙指數(shù)，關系曲線的相關程度更高。因此，本文采用P25作為降雨指標。事實上，黃土高原此類降雨基本上發(fā)生在汛期。

不過，流域的輸沙量并不能很好地反映流域的真實產(chǎn)沙量。土壤侵蝕量是指土壤在水力、風力、凍融、重力等外營力作用下產(chǎn)生位移的物質量，而“產(chǎn)沙量”是指通過小流域出口斷面的泥沙總量［20］；各小流域所產(chǎn)泥沙進入支流河道并輸送至黃河，才能成為入黃輸沙量。侵蝕是產(chǎn)沙和輸沙的前提，但發(fā)生侵蝕并不意味著小流域和支流把口斷面有泥沙輸出。從服務于生產(chǎn)角度，更值得關注的是流域的產(chǎn)沙量。因此，為分析流域產(chǎn)沙能力的變化，引入“產(chǎn)沙指數(shù)”概念，是指流域內單位有效降雨在單位面積上的產(chǎn)沙量，其值越大，相同降雨情況下的產(chǎn)沙量越大，計算公式如下：

式中：Si為產(chǎn)沙指數(shù)，t/（mm·km2）；Ws為水文站控制區(qū)內的流域產(chǎn)沙量，t。

利用水文站實測輸沙量數(shù)據(jù)，還原不同時期的淤地壩和水庫攔沙量及灌溉引沙量，可大體推算出各支流不同時期的流域產(chǎn)沙量。

對比式（1）和式（2）可見，歸一化輸沙量與產(chǎn)沙指數(shù)的核心區(qū)別在于，式（1）中的Wsf是流域把口斷面的實測輸沙量，式（2）中的Ws是該斷面以上的流域產(chǎn)沙量，由于壩庫攔截和灌溉引沙等因素影響，實測輸沙量往往小于該流域的實際產(chǎn)沙量。人們可以輕易獲取某支流的逐年輸沙量數(shù)據(jù)，但由于難以準確掌握數(shù)萬座壩庫的逐年攔沙量、通常只能獲取其連續(xù)數(shù)年的年均攔沙量，因此很難獲得流域的逐年產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)。

為分析淤地壩因攔沙而導致的流域減沙效益，引入“產(chǎn)輸比”概念，是指流域內淤地壩控制區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)與把口水文站控制區(qū)（扣除淤地壩控制區(qū)）輸沙模數(shù)之比。其中，淤地壩控制區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)等于區(qū)內年均產(chǎn)沙量除以該控制區(qū)面積，輸沙模數(shù)是水文斷面實測輸沙量除以水文控制區(qū)面積（扣除淤地壩控制區(qū)面積）。“產(chǎn)輸比”與“泥沙輸移比”的區(qū)別在于，后者是斷面以上流域侵蝕量與斷面輸沙量的比值［21］，而“侵蝕量”與“產(chǎn)沙量”顯然存在差異。

必須承認，以上給出的淤地壩控制區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)計算方法并不嚴謹。黃土高原的淤地壩均分布在小流域內，其中中小型淤地壩多布置在支毛溝，因此淤地壩所攔泥沙的性質介于小流域的侵蝕量和產(chǎn)沙量之間。不過，只要淤地壩數(shù)量足夠多，仍可近似說明所在小流域的產(chǎn)沙水平。

分析“產(chǎn)輸比”的定義可見，其值越大，小流域所產(chǎn)泥沙能夠被輸送到黃河的可能性越?。o壩庫工程攔截情況下），亦即淤地壩對黃河的減沙量占淤地壩攔沙量的比例越小。換局話說，產(chǎn)輸比越大，淤地壩因攔沙而帶來的相對于黃河的減沙效益越小。在此情況下，即使沒有淤地壩，小流域所產(chǎn)泥沙的相當部分也難以輸送到黃河。

3 淤地壩攔沙與黃河減沙的關系

1990年代以來，黃河水沙變化研究基金項目、國家“十一五”和“十二五”科技支撐計劃項目等均曾對不同時期的淤地壩攔沙量進行過全面調查和計算［5-8，17］，結果見圖3。由圖3可見，淤地壩攔沙量在1970—1989年達到頂峰，之后逐漸降低，這與建成時間、空間分布和設計攔沙壽命基本呼應；66%～80%的攔沙量集中在河龍區(qū)間和北洛河上游。

圖3 不同時期的淤地壩攔沙量

不過，淤地壩攔沙量及其導致的入黃泥沙減少量不一定相等。利用2008年、2011年、2014年、2015年和2017年相關市縣的淤地壩調查成果，對相關支流淤地壩的數(shù)量、控制面積和近年實際攔沙量進行了分析統(tǒng)計，并同時采集了流域林草梯田覆蓋率和把口斷面實測輸沙量數(shù)據(jù)，結果見表1。為盡可能剝離水庫攔沙的干擾，本文在計算支流的輸沙模數(shù)時，還原了水庫攔沙量，或盡可能選擇水庫較少的支流作為研究樣本；為減少“舊淤地壩近年攔沙量較難確定”因素的干擾，未將老舊淤地壩集中的無定河、清澗河和佳蘆河納入分析。由表1可見，無論是來沙較粗的十大孔兌、窟野河上游和皇甫川，還是來沙較細的典型黃土丘陵區(qū)支流，絕大多數(shù)支流的“產(chǎn)輸比”都大于1。

近40多年來，黃土高原的林草植被覆蓋率大幅提高，大規(guī)模梯田建成投運［22］。產(chǎn)沙環(huán)境如此巨變，加之淤地壩削減洪峰和洪量，必然引起含沙水流演進規(guī)律變化。為深入認識流域下墊面變化對產(chǎn)輸比的影響，以區(qū)域內沒有水庫或水庫攔沙量已知、老舊淤地壩極少或其攔沙量已知、仍有攔沙功能的淤地壩控制面積不低于流域水蝕面積的10%為原則，選擇礫質丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)典型支流，點繪了流域林草梯田覆蓋率與產(chǎn)輸比的關系，結果見圖4。圖4中的礫質丘陵區(qū)支流包括十大孔兌中的西柳溝、罕臺川和毛不拉，以及窟野河轉龍灣及新廟以上地區(qū)；黃土丘陵區(qū)支流包括表1中的非礫質丘陵區(qū)支流，以及馬蓮河上游、朱家川、清涼寺溝、屈產(chǎn)河和昕水河等。圖4共計采用了31個數(shù)據(jù)點，其中16個數(shù)據(jù)點的“仍有攔沙功能的淤地壩控制面積占流域水蝕面積的比例”為20%～59%。

表1 淤積壩攔沙量和實測輸沙量對比

圖4 林草梯田覆蓋率變化對流域產(chǎn)輸比的影響

由圖4可見：

（1）無論是地表土壤中黏性礦物較多、粗沙含量低的黃土丘陵區(qū)，還是地表土壤中黏性礦物極少、粗沙含量高的礫質丘陵區(qū)，均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即流域的“產(chǎn)輸比”幾乎都大于1，而且隨流域林草梯田覆蓋率的增加而增大。

（2）礫質丘陵區(qū)的產(chǎn)輸比均明顯大于黃土丘陵區(qū)，這是來沙粒徑不同使然。在礫質丘陵區(qū)，泥沙粒徑大于0.05 mm者高達60%～80%，來沙中不僅有黃土，而且有大量風沙和小石子，后者極易沉降淤積；而在黃土丘陵區(qū)，粒徑大于0.05 mm的粗泥沙含量只有20%～40%。

礫質丘陵區(qū)的現(xiàn)象，與十大孔兌在不同河段的河床淤積物粒徑組成變化相呼應。侯素珍等對西柳溝、罕臺川和毛不拉的河床淤積物進行取樣分析，結果發(fā)現(xiàn)［23］，孔兌上游河床淤積物的中值粒徑D50是入黃口斷面處的21～52倍，甚至是庫不齊沙漠風積沙的9倍以上。

（3）在黃土丘陵區(qū)，當流域林草梯田覆蓋率小于35%時，產(chǎn)輸比大體等于1；林草梯田覆蓋率大于35%后，產(chǎn)輸比隨林草梯田覆蓋率的增大呈指數(shù)增加。在黃土高原嚴重水土流失區(qū)，林草梯田覆蓋率為10%～30%恰是其20世紀中后期的總體狀況，因此該時期流域所產(chǎn)泥沙基本上可以輸送至黃河（若無壩庫攔截）。該結論與前人研究成果基本吻合：基于無定河中下游地區(qū)1960年代的實測洪水數(shù)據(jù)，龔時旸等［24］分析了從流域坡面、毛溝、支溝和干溝，到各級支流把口斷面的含沙量變化，發(fā)現(xiàn)暴雨洪水期間的含沙量始終維持在一個極高的量級上，因此認為土壤侵蝕量與入黃泥沙量基本相等；利用1970—1989年黃河中游155座“悶葫蘆”淤地壩的攔沙量、以及相關支流的植被和地形等信息，景可等［25］推算了流域侵蝕量，并與同期實測輸沙量進行了對比，結果發(fā)現(xiàn)，河龍區(qū)間面上侵蝕量大體為入黃輸沙量的1.108倍，在龍門—三門峽區(qū)間（泥沙粒徑較細）為1.036倍。

（4）當林草梯田覆蓋率大于40%（礫質丘陵區(qū)）或60%（黃土丘陵區(qū)）時，產(chǎn)輸比達5.5以上，說明此時的小流域不僅產(chǎn)沙極少，而且所產(chǎn)泥沙的80%左右難以輸送至黃河（無壩庫攔截情況下）。

4 淤地壩運用對流域產(chǎn)沙的影響

淤地壩不僅具有攔沙作用，其攔沙所形成的壩地還可使被占壓的溝谷免受侵蝕、并通過抬高侵蝕基準面而減輕溝谷的重力侵蝕，通過削減洪峰和降低出庫含沙量而改變下游河床的沖刷量，進而減少流域產(chǎn)沙。

目前，黃土高原的淤地壩主要分布在黃土丘陵第1副區(qū)和第2副區(qū)，該區(qū)地形如圖5所示。在坡面植被很差、梯田極少的20世紀六七十年代，這些地區(qū)（峁邊線以下）溝谷地產(chǎn)沙量一般可達流域沙量的50%～60%［24-26］。理論上，淤地壩攔沙所形成的“壩地”能夠完全遏制其淤積面以下的溝谷產(chǎn)沙，并降低淤積面附近重力侵蝕的風險。

圖5 黃土丘陵區(qū)溝道小流域的地形

統(tǒng)計和實地調查表明，陜北現(xiàn)狀大、中、小型淤地壩的壩高一般為20～30 m、10～20 m和5～10 m，該高度通常不足當?shù)蒯惯吘€高度的1/2～1/4（圖6）。而且，淤地壩滯洪攔沙對下游河床的減沙作用是不確定的，既有削減洪水流量所產(chǎn)生的河床減沖作用，又有含沙量降低、水流挾沙力富余可能導致的增沖作用。

圖6 陜北典型壩地

選擇淤地壩集中分布的陜北支流，分析壩地對流域產(chǎn)沙的削減作用。表2是該區(qū)典型支流在20世紀中后期的主要下墊面信息，表中“梯田占比”和“壩地占比”分別指梯田或壩地面積占流域水蝕面積的比例。由表2可見，從1979年到1996年，該區(qū)林草覆蓋狀況總體上略有改善，其中無定河中下游和佳蘆河流域已有一定規(guī)模的梯田，最終使林草梯田覆蓋率由20.2%增大到23.6%；至1996年，該區(qū)壩地面積占水蝕面積的平均比例為1.23%，其中無定河中下游和佳蘆河流域達到1.6%左右。

表2 陜北典型支流下墊面情況

圖7是陜北支流1950年代至1990年代的產(chǎn)沙指數(shù)變化。由圖7可見：

（1）與梯田極少的1956—1969年相比（因無遙感信息，同期林草覆蓋率不詳），盡管1970年代該區(qū)梯田占比已達2.13%、壩地占比達0.57%，但其1970年代產(chǎn)沙指數(shù)較1956—1969年變化不大，大理河和清澗河流域的產(chǎn)沙指數(shù)甚至更高，說明新增梯田和壩地的減蝕作用已被林草退化所抵消，該認識與前人研究結論基本吻合［22，27］。

圖7 陜北支流產(chǎn)沙模數(shù)變化

（2）1990年代，該區(qū)壩地占比平均為1.2%，產(chǎn)沙指數(shù)較1970年代偏低16.9%。由表2可知，同期梯田面積占比為6.5%、林草覆蓋率與1970年代相近。采用文獻［17］提出的方法，計算得到1990年代梯田的減沙作用為12.3%，進而推斷1990年代壩地的減沙作用為4.6%。對照同期壩地面積占比“1.2%”可見，壩地減沙作用的“空間影響范圍”可大體達自身面積的4倍，達到“以1當4”的效果，遠大于冉大川提出的“1.75倍”［11］。遺憾的是，即使在淤地壩最為集中的河龍間，目前的壩地也只有743 km2；在龍門-潼關區(qū)間和黃河上游的廣大地區(qū)，現(xiàn)狀壩地合計僅約100 km2。

在林草梯田覆蓋狀況變化很小的20世紀中后期，河龍間淤地壩集聚區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)約10 000～20 000 t/km2，因此估計1990年代600 km2的壩地可減少產(chǎn)沙3 000萬 ～3 500萬t。不過，2000年以來，隨著大規(guī)模梯田投運和林草植被大幅改善，梁峁坡下溝的徑流量大幅減少，進而降低了溝谷的侵蝕產(chǎn)沙動力；同時，溝谷植被的大幅改善，也使其自身的抗蝕能力大幅提高。因此，單位面積壩地的實際減蝕作用會較1990年代下降，該推測在韭園溝等典型小流域2009年以來的產(chǎn)沙情況得到證明。

綏德韭園溝流域（把口斷面以上流域面積70.1 km2）和裴家峁流域（把口斷面以上流域面積39.5 km2）是兩條緊鄰的無定河一級支流，其地形和地表土壤基本相同，天然時期產(chǎn)沙模數(shù)均約18 000 t/km2·a。1982年以來，兩流域植被狀況基本相同、且逐漸改善，2009年以后基本穩(wěn)定，見圖8。2012年梯田面積占旱耕地面積的比例分別為22%和23%。截至2009年底，韭園溝流域共建成淤地壩217座、壩地面積2.52 km2（壩地面積占比為3.6%）；裴家峁流域內只有8座淤地壩，壩地面積0.24 km2、占比0.6%。由此可見，兩流域是研究壩地減蝕作用的理想流域。

圖8 韭園溝、裴家峁和岔巴溝流域植被覆蓋變化情況

2009—2016年，韭園溝流域和裴家峁流域的年均有效降雨量P25分別為202.84和189.15 mm，較多年均值偏豐約26%。實測年均輸沙量分別為8547和29 818 t，相應的輸沙模數(shù)分別為121和755 t/km2，折算成相同降雨條件的輸沙模數(shù)分別為121和810 t/km2，分別較其天然時期減少99.3%和95.5%。目前，韭園溝淤地壩已實現(xiàn)對流域面積的全控制，故若還原淤地壩的攔沙量，兩流域產(chǎn)沙模數(shù)較天然時期的減幅之差更小。

岔巴溝流域（把口斷面流域面積187 km2）與以上兩流域相距約30 km，土壤、植被和梯田狀況相近，現(xiàn)有179座淤地壩、壩地面積約3 km2。2009—2016年，在流域年均降雨量P25為180 mm情況下，岔巴溝年均輸沙量10.03萬t，輸沙模數(shù)536 t/km2；若還原淤地壩攔沙量，岔巴溝流域的產(chǎn)沙模數(shù)也與裴家峁流域接近。

由此可見，在小流域“上游”林草梯田覆蓋率大幅改善背景下，“下游”壩地的減沙作用難以充分發(fā)揮。不過，淤地壩仍可繼續(xù)為當?shù)厝罕娞峁﹥?yōu)良耕地、用水和交通便利。

5 淤地壩減沙作用的時效性

淤地壩主要通過攔截小流域所產(chǎn)泥沙和減輕溝道侵蝕等兩大途徑實現(xiàn)對入黃沙量的削減。不過，即使在淤地壩最集中的河龍區(qū)間，目前的壩地面積也只有易侵蝕區(qū)面積的0.2%～2%，因此“攔沙”仍是淤地壩實現(xiàn)減沙的主要途徑。

依靠有限的庫容，去攔截無限的泥沙，由此決定了淤地壩依靠攔沙而換來的減沙作用必然有很強的時效性。像水庫一樣，一旦攔沙庫容淤滿，淤地壩因攔沙而取得的減沙作用隨即消失，只有壩地的減蝕作用得以可持續(xù)維持。

20世紀中后期，陜北是淤地壩最多的地區(qū)。因此，本文選擇淤地壩集中、且有實測水沙數(shù)據(jù)的禿尾河高家堡至高家川區(qū)間、佳蘆河申家灣以上、無定河丁家溝至白家川區(qū)間、清澗河延川以上和延河甘谷驛以上等陜北支流，分析淤地壩減沙作用的可持續(xù)性。該區(qū)總面積1.84萬km2，其絕大多數(shù)淤地壩建成于1980年以前；截止1999年，區(qū)內只有1座大型水庫（延河王窯水庫，1972年建成）和5座中型水庫；1978年和1998年，該區(qū)的林草梯田覆蓋率分別為20.56%和22.42%，即增量很小。該區(qū)其它下墊面信息見表2。

支流入黃輸沙量是流域下墊面和降雨共同作用的集中體現(xiàn)，因此可通過輸沙量的逐年變化，分析淤地壩減沙作用的時效性。由圖9可見，除發(fā)生了淤地壩大規(guī)模水毀的1977年外［9］，研究區(qū)的歸一化輸沙量在1970—1980年代大幅降低，但1990年代明顯反彈、尤以清澗河和大理河反彈突出，該過程與同期淤地壩數(shù)量變化（圖2）和當時產(chǎn)沙環(huán)境下的設計攔沙壽命基本呼應（大型壩10～30年，中型壩5～10年，小型壩3～5年）。

圖9 陜北支流歸一化輸沙量變化

進一步分析圖9發(fā)現(xiàn)，與1964—1979年相比，盡管明顯反彈，但1994—1999年的年均歸一化輸沙量仍總體偏低32%，扣除梯田和壩地的減蝕作用后仍偏低約15%，說明仍有部分淤地壩在繼續(xù)發(fā)揮攔沙作用。1998—2000年以后，該區(qū)植被大幅改善、同時又有大量高標準梯田建成，加之2003年以后水利部淤地壩亮點工程實施，不僅使輸沙量反彈勢頭得到有效遏制，甚至入黃泥沙減幅高達85%～95%。

汛期含沙量也是反映流域產(chǎn)沙強度的重要指標。由圖10可見，與歸一化輸沙量一樣，在淤地壩眾多的陜北支流，汛期含沙量也在1972年以后急劇下降，1990年代大幅反彈。2002年，清澗河汛期平均含沙量甚至高達656 kg/m3，是1954年以來的實測最大值。

圖10 陜北典型支流汛期含沙量變化

以上結果與陜西省水保局1995年完成的1994年陜北地區(qū)淤地壩水毀情況調查結論基本呼應［2］，該調查成果指出，20世紀六七十年代所建淤地壩大部分已經(jīng)淤滿；約90%的小型淤地壩已經(jīng)沒有滯洪庫容。

由此可見，一旦攔沙功能失效，現(xiàn)有淤地壩的減沙作用將隨之回落，最終將主要靠壩地的溝谷減蝕作用實現(xiàn)減沙。

要維持淤地壩的現(xiàn)狀攔沙作用，必須持續(xù)不斷地推進淤地壩的建設步伐。然而，實地調查發(fā)現(xiàn)，隨著黃土高原社會和經(jīng)濟環(huán)境的變化，2010年以來各地新建淤地壩的數(shù)量大幅減少，潼關以上地區(qū)每年建成的淤地壩數(shù)量不足100座。

6 結果與討論

（1）攔沙是淤地壩最重要的功能，但淤地壩攔沙量與其導致的入黃泥沙減少量不一定相等。利用大量實測數(shù)據(jù)的分析表明，淤地壩攔沙量一般大于或等于入黃泥沙減少量；流域林草梯田覆蓋率越大、地表土壤粒徑越粗，淤地壩控制區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)與無控區(qū)輸沙模數(shù)之比越大，即淤地壩因攔沙所帶來的流域減沙量占其攔沙量的比例越小。

在林草梯田覆蓋狀況較差的20世紀后半期，絕大部分黃土丘陵區(qū)的林草梯田覆蓋率只有10%～30%，因此淤地壩每攔1 t泥沙，入黃泥沙大體可減少1 t。然而，2000年以來，黃土高原林草梯田覆蓋狀況大幅改善。目前，黃土高原礫質丘陵區(qū)的林草梯田覆蓋率已達40%～50%；在黃土丘陵區(qū)，原本水土流失嚴重的延安北部和河龍間山西支流的林草梯田覆蓋率多在50%～65%，其它陜北支流也達40%～50%。據(jù)圖4推斷，在此類地區(qū)，即使沒有淤地壩，小流域所產(chǎn)泥沙也多半難以輸送至黃河，淤地壩因攔沙而帶來的減沙效益占比也大幅降低，需攔沙2～5 t才能減少入黃泥沙1 t。

（2）失去攔沙能力后，淤地壩仍可以依靠其壩地發(fā)揮溝谷減蝕作用，如陜北壩地在1990年代的減沙作用“空間影響范圍”大體達自身面積的4倍，單位面積壩地的減沙作用超過水平梯田。

不過，目前黃河潼關以上黃土高原的壩地總面積仍不到850 km2，即使在淤地壩最集中的河龍間，壩地面積占水蝕面積的平均比例也不足1%。而且，隨著流域坡溝植被大幅改善、大量梯田建成投運，進入溝谷的地表徑流量及其流速大幅降低，限制了壩地減蝕作用的充分發(fā)揮。從陜北典型小流域韭園溝、岔巴溝和裴家峁的實例看，目前單位面積壩地的實際減蝕作用明顯降低。

（3）淤地壩減沙作用的時效性突出，一旦攔沙庫容淤滿、攔沙功能失效，即失去其大部分減沙能力，之后主要靠壩地減蝕而實現(xiàn)減沙。實測水沙數(shù)據(jù)表明，在淤地壩集聚的河龍區(qū)間和北洛河上游，20世紀六七十年代建成的淤地壩絕大多數(shù)（尤其是占淤地壩總量90%以上的中小淤地壩）已失去攔沙能力。

陜北是黃土高原淤地壩最多的地區(qū)，也是老舊淤地壩集聚地。本文以該區(qū)淤地壩為研究對象，所提出的認識對探究黃土高原淤地壩的減沙作用及其時效性，具有較大現(xiàn)實意義。

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