黃河潼關(guān)以上壩庫(kù)攔沙作用及流域百年產(chǎn)沙情勢(shì)反演

劉曉燕 高云飛 田勇 李小平 馬靜

摘 要：水庫(kù)和淤地壩的攔沙作用是黃河泥沙減少的重要影響因素。通過連續(xù)10 a的調(diào)查和研究，基本摸清了潼關(guān)以上黃河流域淤地壩和水庫(kù)的數(shù)量及其時(shí)空分布，進(jìn)而計(jì)算了水庫(kù)和淤地壩在不同時(shí)期的攔（引）沙量、反演了黃河流域過去100 a的產(chǎn)沙情勢(shì)變化過程。結(jié)果表明：20世紀(jì)70年代是水庫(kù)、淤地壩和灌溉工程攔（引）沙最多的時(shí)期，合計(jì)達(dá)5億t/a，之后逐步降低，2010—2019年為2.73億t/a。還原水庫(kù)和淤地壩攔沙量后可見，70年代是過去100 a中流域產(chǎn)沙最劇烈的時(shí)期;1980—1999年、2000—2009年和2010—2019年與1930—1969年相比，黃河流域的單位有效降雨產(chǎn)沙量分別降低13%、54%、79%。若按2010年以來的淤積速率測(cè)算，至2070年前后，現(xiàn)有水庫(kù)和淤地壩攔沙量約4 000萬t/a。該研究不僅可在相當(dāng)程度上回答過去幾十年黃河輸沙量減少的原因，而且可為黃河重大工程的攔沙量設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞： 淤地壩;水庫(kù);攔沙量;產(chǎn)沙情勢(shì);反演;黃河

中圖分類號(hào)：P333;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.004

引用格式：劉曉燕，高云飛，田勇，等.黃河潼關(guān)以上壩庫(kù)攔沙作用及流域百年產(chǎn)沙情勢(shì)反演[J].人民黃河，2021，43（7）：19-23.

Abstract： The warping dams and reservoirs have been an important factor accounting for sediment reducing of the Yellow River. Through lots of investigation and research during ten years，this paper figured out their quantity and its temporal-spatial distribution and calculated the sediment amount intercepted by dams during the past different periods and played back the sediment production situation along the past 100 years. The results show that the sediment quantity intercepted by dams from 1970 to 1979 is the maximum in the last 100 years and the total is 0.5 billion t/a and then it is gradually decreased. From 2010 to 2019， the warping dams and reservoirs intercept 0.273 billion t/a of sediment in total. After restoring the intercepted sediment by dams， it is found that in the 1970s is the most severe period in the past 100 years. Comparing with the situation from 1930 to 1969， the sediment yield produced by the effective rainfall is decreased by 13%， 54% and 79% respectively during the periods of 1980-1999， 2000-2009 and 2010-2019. If calculating with the deposition rate of the last 10 years， the sediment intercepted by the existing dams will be 40 million t/a by around 2070. This research results can not only explain the reasons of sediment discharge reduction of the Yellow River to a considerable extent， but also provide an important reference to the key projects plan and design.

Key words： warping dam;reservoir;sediment intercepted;sediment production situation;restore;Yellow River

水庫(kù)攔沙是黃河潼關(guān)輸沙量變化的重要影響因素。20世紀(jì)90年代，水利部黃河水沙變化基金項(xiàng)目組對(duì)黃河流域干支流水庫(kù)攔沙量進(jìn)行過全面調(diào)查，對(duì)無定河等重點(diǎn)支流水沙變化和巴家嘴等支流水庫(kù)攔沙量進(jìn)行了深入分析[1]。近年來，田勇等[2]對(duì)2007—2011年黃河河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間的水庫(kù)攔沙量進(jìn)行了全面調(diào)查。不過，迄今對(duì)20世紀(jì)90年代后期以來潼關(guān)以上地區(qū)水庫(kù)攔沙的系統(tǒng)研究很少。

與水庫(kù)相比，淤地壩攔沙作用更引人關(guān)注。1990年前后，陜西省水保部門對(duì)榆林和延安2個(gè)市25個(gè)縣（區(qū)）的淤地壩進(jìn)行了全面的摸底調(diào)查，獲取了十分寶貴的普查數(shù)據(jù)，提出了《陜北地區(qū)淤地壩普查技術(shù)總結(jié)報(bào)告》等?；谠摯纹詹槌晒?，賀玉邦[3]、李靖等[4]和冉大川等[5]分別對(duì)陜北地區(qū)和河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間淤地壩攔沙量進(jìn)行了分析。近年來，黃河輸沙量大幅減少，淤地壩的攔沙作用再次引起關(guān)注 [6-9]，但因淤地壩數(shù)量龐大、淤積數(shù)據(jù)采集困難等，不同學(xué)者所得結(jié)論相差較大。

本文以黃河潼關(guān)以上地區(qū)為重點(diǎn)，核實(shí)了壩庫(kù)（淤地壩和水庫(kù)）數(shù)量及其時(shí)空分布，提出了壩庫(kù)攔沙量計(jì)算方法，系統(tǒng)分析了1960年以來不同時(shí)期的壩庫(kù)攔沙量和灌溉引沙量。

1 壩庫(kù)數(shù)量及其時(shí)空分布

對(duì)水利普查和歷次淤地壩調(diào)查等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和實(shí)地調(diào)查表明[10]：至2016年，研究區(qū)共有淤地壩55 124座，其中骨干壩（也稱大型壩）5 546座、中型壩8 596座、小型壩40 982座，已形成壩地1 016 km2;建成于1989年以前的大、中、小型壩分別占同類壩數(shù)量的32%、61%、82%。圖1和圖2為黃土高原大、中型淤地壩的時(shí)空分布情況。

河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間（簡(jiǎn)稱河龍間）是淤地壩最為集中的區(qū)域，現(xiàn)擁有69%的骨干壩、78%的中型壩和90%的小型壩。該區(qū)也是老壩集聚區(qū)，建成于1989年以前的大、中、小型壩分別占44%、73%、89%。

小型淤地壩數(shù)量占淤地壩總量的74.3%，90%分布在河龍間，其中87%建成于1979年以前。

水利普查數(shù)據(jù)和近年調(diào)查資料表明，2019年研究區(qū)共有水庫(kù)1 153座，其中，大型水庫(kù)35座、中型水庫(kù)130座、小（1）型水庫(kù)510座、?。?）型水庫(kù)478座，總庫(kù)容為504億m3，其中大中型水庫(kù)庫(kù)容占總庫(kù)容的96%。與淤地壩不同，水庫(kù)大多分布在黃河干流，以及水土流失輕微的土石山區(qū)、風(fēng)沙區(qū)和灌區(qū)周邊，見圖3。

支流水庫(kù)建成時(shí)間與陜北淤地壩相似，即主要建成于20世紀(jì)80年代以前。黃河干流雖只有27%的水庫(kù)建成于1999年以前，但其總庫(kù)容占干流總庫(kù)容的84%（見圖4），主要分布在蘭州以上。

2 淤地壩攔沙量

壩地面積及其變化量是以往淤地壩攔沙量分析時(shí)采用的關(guān)鍵參數(shù)[4-6]。然而，以往各地對(duì)“壩地”的定義差別很大，有些縣（區(qū)）甚至把在河道灘地上整修的農(nóng)田也列入壩地，并且此類地塊的面積很大。2011年，全國(guó)水利普查規(guī)范了壩地的定義，但因“壩地面積”的前后口徑不同，導(dǎo)致原計(jì)算方法失效。

分析不同類型淤地壩的建成時(shí)間、控制面積和庫(kù)容發(fā)現(xiàn)：除陜北外，其他地區(qū)大、中型淤地壩主要建于2000年以后，尤其2006—2008年是建設(shè)高潮期;所有骨干壩均有截至2011年年底的淤積信息，絕大部分的大、中型淤地壩有控制面積信息;陜北有每座淤地壩截至1989年的淤積信息，寧夏、內(nèi)蒙古還擁有每座壩截至2016年年底的淤積信息。

基于2000年前后和2007年前后所建淤地壩截至2011年或2016年的淤積量，結(jié)合各支流實(shí)測(cè)輸沙量，研發(fā)了淤地壩在2000—2009年和2010—2019年攔沙量計(jì)算方法[10]。以皇甫川為例，要計(jì)算淤地壩在2010—2019年的年均攔沙量Ws2010—2019，首先，利用其2017年年初實(shí)測(cè)得到的每座壩淤積總量，計(jì)算2007—2016年建成淤地壩的攔沙總量（∑Ws2007—2016）;然后，利用2007年建成壩的壩控區(qū)2007—2016年實(shí)測(cè)產(chǎn)沙模數(shù)M2007—2016和2006年以前所建老壩的總有效控制面積Aold，可推算出老壩在2007—2016年的年均攔沙量∑Ws-old;最后，利用不同時(shí)期水文站實(shí)測(cè)輸沙量Wdischarge，即可推算出所有淤地壩在2010—2019年的年均攔沙量，即

陜北是淤地壩最多、老舊壩集中的地區(qū)，是攔沙量分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文利用無定河流域淤地壩在2017年“7·26”特大暴雨期間的實(shí)測(cè)淤積數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。2017年汛后，黃河水利科學(xué)研究院組織技術(shù)人員，對(duì)位于大暴雨籠罩區(qū)的無定河7個(gè)小流域全部2 019座淤地壩的淤積量進(jìn)行了實(shí)測(cè)。筆者對(duì)該實(shí)測(cè)淤積量信息進(jìn)行了深度挖掘，發(fā)現(xiàn)了淤地壩攔沙量（Ws-warpingdam）與“有效壩控面積占流域面積的比例R”和“流域輸沙量Wdischarge”的關(guān)系[11]，進(jìn)而得到了陜北老壩集聚區(qū)的淤地壩攔沙量計(jì)算方法，見式（2）。其中，現(xiàn)狀有效淤地壩的識(shí)別方法見文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]。

我們充分挖掘了1989年陜北淤地壩普查數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的攔沙信息，以及2000年以前所建淤地壩的控制面積和地理位置信息，對(duì)前人提出的淤地壩1956—1999年攔沙量成果進(jìn)行了修正。

計(jì)算結(jié)果（見表1）表明：黃土高原淤地壩迄今共攔沙約85億t（含1950—1959年攔沙量），其中20世紀(jì)70年代是淤地壩攔沙作用最大的時(shí)段，攔沙量約為2.12億t/a;2010—2019年攔沙量約為1.29億t/a。河龍間是攔沙最多的地區(qū)，占黃土高原淤地壩攔沙總量的85.7%。大、中型淤地壩是淤地壩攔沙的主體，2010年以來貢獻(xiàn)率約為97%。

3 水庫(kù)攔沙量

考慮水庫(kù)相關(guān)信息及其實(shí)測(cè)淤積數(shù)據(jù)的豐富度和可信度，提出了計(jì)算水庫(kù)攔沙量的4種方法。

（1）實(shí)測(cè)法。凡有逐年實(shí)測(cè)淤積量數(shù)據(jù)者，例如龍羊峽、劉家峽、青銅峽、海勃灣、萬家寨、龍口、王窯、巴家嘴和汾河水庫(kù)等大型水庫(kù)，直接采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算攔沙量。

（2）輸沙率法。以黃河李家峽以上水庫(kù)群為例，該區(qū)水庫(kù)死庫(kù)容高達(dá)78.7億m3，可攔截壩址以上全部來沙，故可利用唐乃亥以上某時(shí)期實(shí)測(cè)的產(chǎn)沙模數(shù)，推算出李家峽以上水庫(kù)群的同期年均攔沙量。該方法適用于蘭州以上青藏高原地區(qū)，以及水庫(kù)仍有較大剩余攔沙庫(kù)容的類似地區(qū)。

（3）參考水庫(kù)在某時(shí)間點(diǎn)的實(shí)測(cè)淤積量，結(jié)合水文站測(cè)得的輸沙量，推算攔沙量。例如，陜北曾于2002年和2013年對(duì)大、中型水庫(kù)和部分小水庫(kù)進(jìn)行過淤積測(cè)量，參照式（1），即可推算出攔沙量。

（4）參考大型淤地壩控制區(qū)的實(shí)測(cè)產(chǎn)沙模數(shù)推算。

充分利用前人研究成果[1，2，5，6]，采用以上方法計(jì)算結(jié)果（見表2）表明：研究區(qū)水庫(kù)迄今共攔沙約107億t（含1950—1959年攔沙量），其中支流水庫(kù)占53.3%、干流水庫(kù)占46.7%;20世紀(jì)60年代至80年代是水庫(kù)攔沙最多的時(shí)期，在2億t/a以上。2010—2019年，黃河干支流水庫(kù)攔沙量約為1.13億t/a，其中青藏高原水庫(kù)攔沙0.3億t/a;大、中型水庫(kù)是攔沙主力軍，占總攔沙量的90%。

4 灌溉引沙量

黃河上中游地區(qū)引水灌溉由來已久，引水必有引沙。圖5為1919—2019年潼關(guān)以上灌溉引沙量的變化情況，其中：1959年以前引用文獻(xiàn)[1]的分析成果，1960年以來大部分大型灌區(qū)采用其實(shí)測(cè)引沙量、其他灌區(qū)利用引水量和同期河道含沙量推算;未考慮黃河龍門以下?lián)P黃灌區(qū)引沙量。由圖5可見，進(jìn)入21世紀(jì)，由于水流含沙量大幅降低，因此流域灌溉引沙量已減少至20世紀(jì)前半期的平均水平，其中2010—2019年引沙量約3 100萬t/a。

5 百年產(chǎn)沙情勢(shì)反演與展望

1950—2019年水庫(kù)、淤地壩和灌溉工程的攔（引）沙量變化情況，見圖6。由圖6可見，20世紀(jì)70年代是水庫(kù)、淤地壩和灌溉工程攔（引）沙最多的時(shí)期，合計(jì)攔（引）沙量達(dá)5億t/a，之后逐步降低，2010—2019年為2.73億t/a。

基于實(shí)測(cè)輸沙量，還原壩庫(kù)攔沙和灌溉引沙后，可反演過去100 a黃河流域潼關(guān)以上地區(qū)的產(chǎn)沙量變化過程，見圖7。20世紀(jì)30年代至70年代，是過去百年流域產(chǎn)沙最豐的時(shí)期;50年代以來，由于壩庫(kù)及灌溉工程攔（引）沙，因此輸沙量與產(chǎn)沙量的差值越來越大，2000年以來該差值達(dá)流域產(chǎn)沙量的1/2。2000—2019年，還原壩庫(kù)攔沙、灌溉引沙和河道采砂后，潼關(guān)以上黃河流域?qū)嶋H產(chǎn)沙量約為6.01億t/a（見表3）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)30—60年代，雖然流域產(chǎn)沙量有所不同，但考慮有效降雨因素后，單位有效降雨產(chǎn)沙量的變化很小，即產(chǎn)沙能力相當(dāng);70年代是過去100 a中產(chǎn)沙最劇烈的時(shí)期，這與持續(xù)不斷的坡面擴(kuò)耕和毀林毀草有關(guān)[13]。1980—1999年、2000—2009年和2010—2019年與1930—1969年相比，黃河流域的單位有效降雨產(chǎn)沙量分別降低了13%、54%、79%。

基于淤地壩有無攔沙功能的判斷標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，加之實(shí)地調(diào)查可知：至2019年，黃土高原近一半的大、中型淤地壩已經(jīng)失去攔沙能力，其中陜北1989年以前建成的淤地壩攔沙功能失效的比例達(dá)84%、90年代以后建成壩的失效比例約為17%;黃河鹽鍋峽至潼關(guān)區(qū)間的干流水庫(kù)攔沙庫(kù)容均已淤滿，80年代以前建成的多沙支流水庫(kù)也有1/3以上已失去攔沙能力、其中小型水庫(kù)失去攔沙能力者超過1/2。總體上，除青藏高原水庫(kù)群具有超長(zhǎng)的攔沙壽命（近10 a年均攔沙約3 000萬t/a）、灌溉引沙將持續(xù)存在外，其他已建和在建壩庫(kù)的攔沙功能將在未來50 a內(nèi)逐漸喪失。

按過去10 a的淤積速率判斷，預(yù)計(jì)2070水平年，黃河潼關(guān)以上現(xiàn)有壩庫(kù)攔沙量約4 000萬t/a（其中青藏高原3 000萬t/a）、較現(xiàn)狀降低83%。因此，如果維持2010—2019年林草植被、梯田和壩地的面積及其質(zhì)量不變，且不再新建壩庫(kù)，預(yù)計(jì)2070年以后黃河流域多年平均入黃沙量為4.55億t/a，其中青銅峽站輸沙量為0.79億t/a、黃河中游入黃沙量為3.66億t/a，黃河龍門、汾河河津、北洛河頭、涇河張家山和渭河咸陽(yáng)等5站輸沙量合計(jì)約4.3億t/a。

攔沙功能失效后，淤地壩將主要靠壩地穩(wěn)定發(fā)揮耕種和減蝕作用。值得注意的是，壩地減蝕作用并非在淤地壩攔沙功能失效時(shí)刻突然出現(xiàn)，而是伴隨攔沙量的增加而一直存在，且會(huì)不斷增大，一旦攔沙量停止增加，壩地減蝕作用將穩(wěn)定（見圖8）。目前，因現(xiàn)狀淤地壩攔沙量已達(dá)其攔沙潛力的80%，故其壩地減蝕作用也已發(fā)揮了80%的潛力。

目前，黃土高原淤地壩已攔沙85億t、支流小水庫(kù)已攔沙15億t，其中90%以上集中在河龍間和北洛河上游，該區(qū)來沙對(duì)黃河中下游威脅最大。鑒于超標(biāo)準(zhǔn)、大范圍的超強(qiáng)暴雨難以避免，建議相關(guān)方面再次組織對(duì)黃土高原水庫(kù)和淤地壩進(jìn)行普查，并做好水毀應(yīng)對(duì)措施。

本研究不僅可在相當(dāng)程度上回答過去幾十年黃河沙量減少的原因，而且可為黃河重大工程的攔沙量設(shè)計(jì)提供參考。

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