近10a來十大孔兌現(xiàn)狀淤地壩攔沙作用分析

王麗云 馬振剛 高云飛 喬楠 屈創(chuàng) 王曉星

摘要：十大孔兌流域水土流失嚴(yán)重，是黃河粗泥沙的重要來源區(qū)，但2000年以來該區(qū)入黃沙量銳減。利用2017年初的淤地壩詳查數(shù)據(jù)，分析了十大孔兌現(xiàn)狀淤地壩數(shù)量與時(shí)空分布，并計(jì)算了近10a淤地壩攔沙量，估算了未來攔沙潛力和剩余攔沙壽命。結(jié)果表明：截至2016年年底，十大孔兌共有淤地壩359座，其中骨干壩149座、中型壩117座、小型壩93座，建成時(shí)間集中于1995-2000年、2005-2010年兩個(gè)時(shí)期，73.5%的淤地壩分布在毛不拉、西柳溝和罕臺(tái)川；2007-2016年，十大孔兌淤地壩的實(shí)際攔沙量為2627.56萬t?，F(xiàn)有骨干壩攔沙潛力為11444.81萬t，平均剩余攔沙壽命為68a；中型壩攔沙潛力為1782.61萬t，平均剩余攔沙壽命為23a；小型壩攔沙潛力為482.94萬t，平均剩余攔沙壽命為46a。

關(guān)鍵詞：數(shù)量；空間分布；攔沙量；淤地壩；十大孔兌

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.020

淤地壩是指在溝道中修筑的以攔泥、緩洪、淤地造田、發(fā)展生產(chǎn)為目的的水土保持工程設(shè)施[1]。按總庫容可分為大、中、小三種類型，其中：大型淤地壩也稱治溝骨干工程（以下簡(jiǎn)稱骨干壩），總庫容一般在50萬m3以上；中型壩總庫容一般為10萬～50萬m3；小型壩總庫容一般為1萬～10萬m3。淤地壩對(duì)于抬高溝道侵蝕基準(zhǔn)面、防治水土流失、減少入黃泥沙等具有重要作用[2]。

十大孔兌流域水土流失嚴(yán)重，是黃河粗泥沙的重要來源區(qū)[3]。2000年以來，該區(qū)入黃沙量銳減，其中西柳溝和毛不拉孔兌2010-2017年的入黃沙量較1960-2000年分別減少85%、97%。在此背景下，現(xiàn)狀淤地壩的實(shí)際攔沙作用尤其引入矚目[4]?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文分析了現(xiàn)狀淤地壩的數(shù)量及空間分布，計(jì)算了近10a的實(shí)際攔沙量，并估算了未來淤地壩的攔沙潛力和攔沙壽命，以期為闡明孔兌入黃沙量減少的原因提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

十大孔兌位于黃河流域內(nèi)蒙古鄂爾多斯市北部，自西向東依次為毛不拉、卜爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺(tái)川、壕慶河、哈什拉川、木哈爾河、東柳溝、呼斯太河，流域涉及鄂爾多斯市杭錦旗、達(dá)拉特旗、東勝區(qū)和準(zhǔn)格爾旗4個(gè)旗（區(qū)）[5]。十大孔兌區(qū)間長(zhǎng)度約210km，流域總面積10767km2，水土流失面積8803km2，其中風(fēng)水交錯(cuò)侵蝕區(qū)面積8363km2。十大孔兌上游屬丘陵溝壑區(qū)，水土流失嚴(yán)重；中游為風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重；下游為洪積、沖積平原，堤防老化失修。十大孔兌山洪頻發(fā)，易形成沙壩，嚴(yán)重威脅著黃河內(nèi)蒙古段防洪防凌安全[6]。

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市水保部門于2017年初對(duì)境內(nèi)淤地壩進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，截止時(shí)間為2016年12月31日，調(diào)查內(nèi)容包括淤地壩的數(shù)量、建成時(shí)間、總庫容和已淤積庫容等，此次調(diào)查投入了大量的人力和物力，工作認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的可信度?；谠摂?shù)據(jù)，本文對(duì)十大孔兌淤地壩的時(shí)空分布及其2007-2016年的實(shí)際攔沙量進(jìn)行了分析。2現(xiàn)狀規(guī)模與時(shí)空分布

截至2016年年底，十大孔兌共有淤地壩359座，總庫容約16248萬m3。其中：骨干壩149座，總庫容約13541萬m3；中型壩117座，總庫容約2165萬m3；小型壩93座，總庫容約542萬m3。

十大孔兌不同時(shí)期、不同類型淤地壩的建成數(shù)量見表1，歷年建成的淤地壩數(shù)量見圖1。十大孔兌骨干壩、中型壩、小型壩建成時(shí)間的分布趨勢(shì)基本一致，集中在1995-2000年與2005-2010年，2011年以后以骨干壩為主，中型壩、小型壩建設(shè)較少。其中：骨干壩的23.5%建成于1995-2000年，45.6%建成于2005-2010年；中型壩的15.4%建成于1995-2000年，75.2%建成于2005-2010年；小型壩的20%建成于1995-2000年，80%建成于2005-2010年。1995-2000年淤地壩主要由世行貸款項(xiàng)目和國(guó)家下達(dá)計(jì)劃修建；2003年后，淤地壩被作為水利部“亮點(diǎn)工程”，出現(xiàn)了淤地壩修建高潮；2010年4月，水利部和內(nèi)蒙古自治區(qū)政府聯(lián)合批復(fù)了《黃河內(nèi)蒙古段十大孔兌治理規(guī)劃》，進(jìn)一步推進(jìn)了淤地壩的建設(shè)。

十大孔兌現(xiàn)狀淤地壩的空間分布情況見圖2，可知73.5%的淤地壩集中分布在毛不拉、西柳溝和罕臺(tái)川3條支流，其中毛不拉占18.7%、西柳溝占29.5%，罕臺(tái)川占25.3%。在149座骨干壩中，21.7%分布于毛不拉，26.8%分布于西柳溝，24.2%分布于罕臺(tái)川；在117座中型壩中，20.5%分布于毛不拉，26.5%分布于西柳溝，25.6%分布于罕臺(tái)川；在93座小型壩中，37.6%分布于西柳溝，26.9%分布于罕臺(tái)川，20.4%分布于呼斯太河。

3 2007-2016年攔沙量分析

有關(guān)學(xué)者在以往的研究中通常利用壩地面積推算淤地壩在某時(shí)段的攔沙總量或年均攔沙量，其原理：獲取時(shí)段初和時(shí)段末的壩地面積，并計(jì)算與壩地面積相對(duì)應(yīng)的淤積體積，淤積體積之差即為淤地壩在該時(shí)段內(nèi)的攔沙總量[7-8]。該方法思路清晰，但各地溝道地形千差萬別，故基于壩地面積推算淤積體積是其難點(diǎn)，而且研究區(qū)缺乏淤地壩在2007年初的壩地面積數(shù)據(jù)。為摸清十大孔兌淤地壩在2007-2016年的實(shí)際攔沙量，筆者探索采用了新的計(jì)算方法。

前文提到，水保部門現(xiàn)已摸清了十大孔兌每座淤地壩的建成時(shí)間和庫容信息，并實(shí)測(cè)了每座淤地壩截至2016年年底的淤積總量?；诖耍P者將十大孔兌淤地壩按“建成時(shí)間”分成兩組，即2006年及以前建成者（簡(jiǎn)稱舊壩）和2007年及以后建成者（簡(jiǎn)稱新壩），然后分別分析其在2007-2016年的實(shí)際攔沙量。對(duì)于新壩，其實(shí)測(cè)的淤積總量顯然即為2007-2016年的淤積量。統(tǒng)計(jì)表明，2007年以后建成的骨干壩、中型壩和小型壩分別有67座、62座、33座，分別占十大孔兌現(xiàn)狀大、中、小型淤地壩總量的45%、53%、35%。如何識(shí)別舊壩在2007-2016年的實(shí)際淤積量是本研究的難點(diǎn)，原因是本次實(shí)測(cè)的各壩淤積量實(shí)際上是該淤地壩自建成到2016年年底的淤積總量，即包括了2006年及以前的淤積量。

經(jīng)分析十大孔兌淤地壩的建成時(shí)間發(fā)現(xiàn)，舊壩中骨干壩、中型壩和小型壩分別為82座、55座、60座，而2006-2008年建成的骨干壩、中型壩和小型壩分別為35座、28座、35座。該結(jié)果為推算舊壩在近10a的實(shí)際攔沙量提供了重要途徑：

（1）將2006-2008年建成的淤地壩在過去10a的“單壩年均淤積量”作為舊壩在同期的單壩年均淤積量，骨干壩、中型壩、小型壩分別為0.87萬、0.51萬、0.09萬m3/a。由于作為樣本的“2006-2008年淤地壩”數(shù)量幾乎為舊壩數(shù)量的一半，因此該處理方式可行。

（2）在舊壩中識(shí)別出近10a仍能發(fā)揮攔沙作用的數(shù)量，稱為“有效淤地壩”。然后，將該數(shù)量與樣本淤地壩的“單壩年均淤積量”相乘，即可得到舊壩在近10a的年均總淤積量。

如何識(shí)別近10a仍能發(fā)揮攔沙作用的淤地壩，也是需要解決的關(guān)鍵問題。眾所周知，淤地壩攔沙功能的實(shí)現(xiàn)主要取決于庫容，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。水利部于2009年開展了黃土高原淤地壩安全大檢查，從檢查結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，各?。▍^(qū)）均存在較多淤地壩的“已淤庫容”超過“設(shè)計(jì)攔泥庫容”的現(xiàn)象，即淤地壩在淤積量達(dá)到設(shè)計(jì)攔泥庫容后仍在發(fā)揮攔沙作用。因此，若根據(jù)設(shè)計(jì)資料直接將設(shè)計(jì)攔泥庫容作為淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)，則與現(xiàn)實(shí)情況存在偏差[9-10]。要準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)存淤地壩的攔沙作用，就必須進(jìn)一步確定現(xiàn)狀淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)。本文采用高云飛等[9]在研究陜北黃河中游淤地壩攔沙功能時(shí)確定的黃土高原淤地壩攔沙功能失效判斷標(biāo)準(zhǔn)，即將平均淤積比例（已淤庫容/總庫容）0.77、0.88分別作為現(xiàn)狀骨干壩、中小型壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)。以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，在十大孔兌現(xiàn)狀骨干壩、中型壩和小型壩中，極可能分別有1座、2座和5座已基本失去攔沙能力，該數(shù)量占總量的比例極小，說明十大孔兌流域的淤地壩總體處于“青壯年期”。

基于以上方法給出了十大孔兌現(xiàn)狀淤地壩在2007-2016年的總淤積量和年均淤積量（見表2），其中淤積體容重按1.3t/m3計(jì)算。由表2可知，十大孔兌近10a攔沙總量為2627.56萬t，其中：骨干壩攔沙1848.94萬t，占攔沙總量的70.36%；中型壩攔沙672.54萬t，占攔沙總量的25.60%；小型壩攔沙106.08萬t，占攔沙總量的4.04%。在十大孔兌淤地壩近10a的攔沙量中，西柳溝、罕臺(tái)川和毛不拉這3條孔兌的年均攔沙量分別為98.1萬、62.3萬、39.7萬t/a，合計(jì)占十大孔兌攔沙量的76%。

從以上分析過程可見，由于占現(xiàn)狀淤地壩數(shù)量近50%的新壩的攔沙量為實(shí)測(cè)結(jié)果，推算舊壩攔沙量所采用的樣本淤地壩數(shù)量也幾乎為舊壩總量的50%，因此表2給出的淤積量結(jié)果是基本可靠的。

4 未來淤地壩的攔沙潛力和攔沙壽命

淤地壩是黃土高原地區(qū)防治水土流失的關(guān)鍵措施，也是改善生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村生活條件，發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)工程，在黃土高原地區(qū)具有極其重要的戰(zhàn)略地位和不可替代的作用。按淤地壩建設(shè)時(shí)序，大體經(jīng)歷了試驗(yàn)示范、全面推廣、大力發(fā)展、鞏固提高、壩系建設(shè)5個(gè)階段。估算現(xiàn)狀淤地壩的攔沙潛力和攔沙壽命對(duì)淤地壩的規(guī)劃實(shí)施有著重要作用。

按2007-2016年的淤積速率測(cè)算現(xiàn)有骨干壩、中型壩和小型壩的攔沙潛力和攔沙壽命，攔沙潛力利用可淤積庫容與現(xiàn)狀已淤積庫容的差值計(jì)算。由淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)可知，骨干壩可淤積庫容為骨干壩總庫容的77%，中小型壩可淤積庫容為總庫容的88%。淤地壩的剩余攔沙壽命自2017年開始，按2007-2016年淤地壩的平均淤積速率測(cè)算，即攔沙潛力與平均淤積速率的比值。

經(jīng)估算，十大孔兌骨干壩剩余可淤積庫容為8803.70萬m3，攔沙潛力為11444.81萬t，平均剩余攔沙壽命為68a；中型壩剩余可淤積庫容為1371.24萬m3，攔沙潛力為1782.61萬t，平均剩余攔沙壽命為23a；小型淤地壩剩余可淤積庫容為371.49萬m3，攔沙潛力為482.94萬t，平均剩余攔沙壽命為46a，見表3。

5 結(jié)論

（1）截至2016年年底，十大孔兌共有淤地壩359座，其中骨干壩149座、中型壩117座、小型壩93座，總庫容約16248萬m3。統(tǒng)計(jì)表明，十大孔兌骨干壩、中型壩、小型壩的集中建設(shè)期基本一致，集中建成于1995-2000年與2005-2010年，2011年以后以骨干壩為主，中型壩、小型壩建設(shè)較少。在空間分布上，十大孔兌流域淤地壩集中分布在毛不拉、西柳溝和罕臺(tái)川，占淤地壩總數(shù)的73.5%。

（2）截至2016年年底，十大孔兌仍有攔沙功能的骨干壩有148座，中型壩有115座，小型壩有88座。近10a攔沙總量為2627.56萬t，其中骨干壩、中型壩、小型壩的攔沙量分別為1848.94萬、672.54萬、106.08萬t。

（3）自2017年起，十大孔兌流域骨干壩攔沙潛力為11444.81萬t，平均剩余攔沙壽命為68a；中型壩攔沙潛力為1782.61萬t，平均剩余攔沙壽命為23a；小型壩攔沙潛力為482.94萬t，平均剩余攔沙壽命為46a。

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