黃土高原淤地壩建設(shè)中有關(guān)問題探討及對(duì)策

王 楠,樊曉華，王英順

(1.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710021；2.西安黃河規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710021； 3.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民群眾在治理水土流失、變害為利、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)水土資源綜合利用的重要設(shè)施。新中國(guó)成立以來，通過水利水保部門的總結(jié)示范和推廣帶動(dòng)，黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。近年來，隨著習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上重要講話精神的落實(shí)，以及《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》的實(shí)施，黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。然而，在淤地壩除險(xiǎn)加固、新建淤地壩，以及在粗泥沙集中來源區(qū)建設(shè)攔沙工程過程中，還是出現(xiàn)了一些問題，需要進(jìn)行探討和解決。

1 淤地壩除險(xiǎn)加固工程

規(guī)模性淤地壩除險(xiǎn)加固工程始于2015年，主要針對(duì)建設(shè)于20世紀(jì)六七十年代、無(wú)防洪標(biāo)準(zhǔn)或防洪標(biāo)準(zhǔn)較低、配套泄洪設(shè)施不完善、不能滿足工程自身防洪要求的中型以上淤地壩，以及下游影響范圍內(nèi)有居民點(diǎn)、學(xué)校、工礦、道路等重要基礎(chǔ)設(shè)施的大中型病險(xiǎn)淤地壩。各類病險(xiǎn)問題的存在，不同程度地影響了淤地壩工程的安全運(yùn)用，其基本功能逐漸減弱或喪失，加之病險(xiǎn)問題之間的連鎖反應(yīng)，發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)日益增大。若不及時(shí)除險(xiǎn)加固，一旦失事，不僅主體工程付之東流，還將使下游影響范圍內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)遭受嚴(yán)重?fù)p失。為此，水利部編制和印發(fā)了《黃土高原地區(qū)中型以上病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固工程實(shí)施方案》，截至2021年底，基本完成了首期黃土高原地區(qū)中型以上病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固工作。但在陜西、山西等省，由于以往建設(shè)的淤地壩數(shù)量較多，一些中小型淤地壩的除險(xiǎn)加固工作仍在進(jìn)行中。針對(duì)除險(xiǎn)加固工程中存在的一些問題，提出如下對(duì)策。

1.1 妥善處理除險(xiǎn)加固工程與上下游溝道工程的關(guān)系

目前，除險(xiǎn)加固工程主要為配套泄洪設(shè)施。在泄洪設(shè)施的配套設(shè)計(jì)中，應(yīng)全面考慮上下游溝道工程的泄洪安全。例如：陜西榆林市靖邊縣許臺(tái)淤地壩是一座處于小流域壩系中的大型淤地壩，建于1988年，區(qū)間流域面積4.52 km2，設(shè)計(jì)總庫(kù)容110.73萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)攔泥庫(kù)容77.68萬(wàn)m3，現(xiàn)狀淤積庫(kù)容72.28萬(wàn)m3，已接近設(shè)計(jì)淤積高程，十分有必要對(duì)該壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固和配套泄洪設(shè)施。該壩上游有箭桿梁和徐臺(tái)2座大型淤地壩，下游有寺咀大型淤地壩，其泄洪設(shè)施的設(shè)計(jì)必須充分考慮上游2座大型淤地壩的下泄洪水，通過對(duì)上下游3座大型淤地壩的聯(lián)合調(diào)洪演算，確定其泄洪建筑物結(jié)構(gòu)尺寸；同時(shí)要考慮該淤地壩下泄洪水對(duì)其下游寺咀大型淤地壩的影響，通過對(duì)上下游2座大型淤地壩的聯(lián)合調(diào)洪演算，復(fù)核下游寺咀淤地壩的泄洪建筑物是否安全；另外，可以下游寺咀淤地壩的最大泄洪量為邊界條件，反推許臺(tái)淤地壩泄洪建筑物的結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到壩系安全排泄校核洪水的目的，必要時(shí)可通過加高壩體、增加滯洪庫(kù)容的辦法，減少許臺(tái)淤地壩洪水下泄量。此例子說明，在小流域壩系中單壩配套泄洪建筑物時(shí)，應(yīng)考慮上下游溝道工程的防洪安全問題。對(duì)于以“兩大件”為主的淤地壩系，每座壩在配套泄洪設(shè)施時(shí)應(yīng)從壩系的調(diào)洪演算入手，自上而下逐壩進(jìn)行，下游壩區(qū)間的洪水流量曲線疊加上游壩的溢洪道下泄流量曲線作為本壩的入庫(kù)流量曲線，采用水量平衡方程進(jìn)行調(diào)洪演算，依此類推，完成壩系的調(diào)洪演算。而在壩系除險(xiǎn)加固工程實(shí)施時(shí)，則應(yīng)按自下而上的順序，從下游壩開始實(shí)施，以確保實(shí)施過程中壩系的防洪安全。

1.2 妥善處理工程防洪安全與可持續(xù)攔泥淤地的關(guān)系

淤地壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，往往較重視配套泄洪設(shè)施和修復(fù)水毀建筑物，而忽略淤地壩攔泥淤地的功能。對(duì)有較大淤積面和攔泥庫(kù)容的病險(xiǎn)淤地壩，直接配套溢洪道，就可達(dá)到除險(xiǎn)加固的目的，但若對(duì)其壩體進(jìn)行適當(dāng)加高，再配套溢洪道，不僅能實(shí)現(xiàn)淤地壩除險(xiǎn)加固，還能很好地發(fā)揮攔泥淤地的作用，與新建淤地壩相比，其投入小，效益更顯著。例如：陜西榆林市府谷縣羅家溝淤地壩是戲樓溝壩系初期建設(shè)的大型淤地壩，其除險(xiǎn)加固方案就較好地解決了工程當(dāng)前防洪安全與可持續(xù)攔泥淤地的問題。該壩建于1976年，區(qū)間流域面積5.18 km2，壩高12 m，總庫(kù)容52萬(wàn)m3，現(xiàn)狀淤積庫(kù)容52 萬(wàn)m3，總庫(kù)容已淤滿(無(wú)滯洪庫(kù)容)，需對(duì)該壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固和配套泄洪設(shè)施，以確保戲樓溝壩系工程安全運(yùn)用。經(jīng)論證，該壩除險(xiǎn)加固方案確定為：加高壩體6 m，加高后的壩高18 m，總庫(kù)容130.41萬(wàn)m3，除險(xiǎn)加固工程投資275.8萬(wàn)元。此方案既確保有足夠的滯洪庫(kù)容與適當(dāng)?shù)臄r泥庫(kù)容，解決了工程當(dāng)前防洪安全問題，又維持了工程攔泥淤地的功能。另外，結(jié)合除險(xiǎn)加固工程對(duì)舊壩進(jìn)行提升改造，其新增單位庫(kù)容的造價(jià)遠(yuǎn)低于新建工程。

1.3 未達(dá)到設(shè)計(jì)淤積高程的淤地壩適當(dāng)延后配套泄洪設(shè)施

從20世紀(jì)末國(guó)家全面推行退耕還林還草，到21世紀(jì)全面加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)以來，黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，流域水土流失強(qiáng)度持續(xù)降低，使得21世紀(jì)以來建設(shè)的淤地壩工程淤積速率減緩，達(dá)到設(shè)計(jì)淤積高程的時(shí)間滯后。對(duì)這部分工程過早地配套泄洪設(shè)施，會(huì)造成投資浪費(fèi)。例如：黃河流域某縣馬也堡大型淤地壩除險(xiǎn)加固工程，始建于2002年，控制流域面積11.6 km2，設(shè)計(jì)淤積年限20年，總庫(kù)容179萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)攔泥庫(kù)容65萬(wàn)m3；到2018年已淤積庫(kù)容31.32萬(wàn)m3，按工程建成后的淤積速率推算，達(dá)到設(shè)計(jì)淤積高程尚需約17年。按2015年《黃土高原地區(qū)中型以上病險(xiǎn)淤地壩認(rèn)定暫行辦法》，該壩總庫(kù)容大于100萬(wàn)m3，無(wú)泄洪設(shè)施，認(rèn)定為病險(xiǎn)淤地壩，為此對(duì)該壩提出了除險(xiǎn)加固方案，增設(shè)了泄洪設(shè)施。事實(shí)上，該工程雖為“兩大件”工程，但由于達(dá)到設(shè)計(jì)淤積高程還需約17年，這期間尚未淤積的庫(kù)容可作為滯洪庫(kù)容來利用，其實(shí)際防御洪水的能力大于設(shè)計(jì)值。過早地配套泄洪設(shè)施，會(huì)在一定時(shí)期內(nèi)造成泄洪工程的效益難以發(fā)揮，應(yīng)在達(dá)到或接近設(shè)計(jì)淤積高程后再配套泄洪設(shè)施，這既有利于工程效益的正常發(fā)揮，又不會(huì)造成泄洪設(shè)施的長(zhǎng)期閑置，造成一定時(shí)期內(nèi)的投資浪費(fèi)。此例子說明，在淤地壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程的淤積狀況，合理安排除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施時(shí)間，加強(qiáng)除險(xiǎn)加固工程的針對(duì)性，這對(duì)提高投資效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 新建淤地壩和攔沙工程

攔沙工程是《黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程一期項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》中提出的概念，是指在黃河粗泥沙集中來源區(qū)興建的、以攔截粗泥沙為主要目的的溝道工程。中型攔沙工程的庫(kù)容規(guī)模與大型淤地壩一致，小型攔沙工程的規(guī)模包含了中型淤地壩和小型淤地壩的庫(kù)容規(guī)模。針對(duì)新建淤地壩和攔沙工程中存在的一些問題，提出如下對(duì)策。

2.1 全面規(guī)劃，重視小流域壩系規(guī)劃在淤地壩建設(shè)中的引領(lǐng)作用

小流域壩系是以小流域?yàn)閱卧茖W(xué)合理布設(shè)大、中、小型淤地壩，為提高溝道整體防御能力，實(shí)現(xiàn)流域水土資源合理開發(fā)與綜合利用而構(gòu)建的防治水土流失的溝道工程體系。小流域壩系規(guī)劃是結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況及水土流失規(guī)律，充分發(fā)揮淤地壩在攔泥淤地、防洪保收和灌溉養(yǎng)殖等方面的綜合效益，實(shí)現(xiàn)小流域水土資源最大化綜合利用，以最小的投入獲取最佳的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益而制定的小流域壩系建設(shè)方案。2003年，水利部將黃土高原淤地壩列入全國(guó)水利“亮點(diǎn)工程”，實(shí)施建設(shè)的前提是必須在小流域壩系可行性研究報(bào)告批復(fù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。因此，在設(shè)計(jì)新建淤地壩前，應(yīng)進(jìn)行小流域壩系規(guī)劃，并按一定的程序?qū)σ?guī)劃成果進(jìn)行確認(rèn)；對(duì)之前已開展過壩系規(guī)劃的小流域，應(yīng)根據(jù)小流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展與基礎(chǔ)條件的變化情況，對(duì)原有的規(guī)劃成果進(jìn)行復(fù)核和確認(rèn)，作為近期淤地壩實(shí)施的基本依據(jù)。

2.2 珍惜壩址，在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)取較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)淤積年限

近期實(shí)施的淤地壩更重視工程的防洪安全，大型淤地壩均要求配套泄洪設(shè)施，以提高工程運(yùn)行期的防洪度汛安全性，但與此同時(shí)也帶來了新的問題：一是淤地壩的組成由“兩大件”變?yōu)椤叭蠹?，淤地壩選址條件更加苛刻，很多以往很適宜布設(shè)“兩大件”的壩址卻不具備布設(shè)“三大件”的工程條件；二是“三大件”淤地壩淤滿后，受制于泄洪建筑物高程及平面位置的控制，一般壩體很難再加高，制約了工程可持續(xù)攔泥淤地功能的發(fā)揮。鑒于此，在“三大件”工程設(shè)計(jì)時(shí)，在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能取較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)淤積年限，以提高工程攔泥淤地功能時(shí)效，最大限度地發(fā)揮工程攔泥淤地效益。

2.3 注重效益，優(yōu)化壩系中各單壩的建設(shè)時(shí)序

壩系規(guī)劃確定之后，建壩時(shí)序成為影響壩系建成速度、工程預(yù)算、工程綜合效益的重要因素。制定壩系建壩時(shí)序時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)確定壩系中發(fā)揮控制作用的大型淤地壩的建設(shè)時(shí)序。就一般小流域而言，按從上而下的時(shí)序建設(shè)小流域壩系，最安全、最省事，但卻不是最優(yōu)。多年來，受制于投資的不確定性，壩系建設(shè)時(shí)序不盡合理，造成壩系中空壩較多，影響壩系工程的綜合效益?？茖W(xué)合理地制定建壩時(shí)序，不僅能節(jié)約投資，而且能最大限度地發(fā)揮投資效益，達(dá)到費(fèi)省效宏的目的。隨著《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》的實(shí)施，淤地壩建設(shè)資金得到了進(jìn)一步的落實(shí)，這為優(yōu)化壩系中各單壩的建設(shè)時(shí)序，提供了資金保障。

《淤地壩技術(shù)規(guī)范》(SL/T 804—2020)明確規(guī)定，壩系工程的建設(shè)時(shí)序，應(yīng)按保證行洪安全、合理利用水土資源、大型淤地壩和除險(xiǎn)加固淤地壩優(yōu)先的原則合理確定，宜根據(jù)流域面積、洪水泥沙等選擇適合的建壩時(shí)序。一是水土流失嚴(yán)重以及壩系工程建設(shè)基礎(chǔ)較差的流域，宜采用先支毛溝后干溝、先上游后下游的建設(shè)時(shí)序。此建設(shè)時(shí)序符合先易后難的原則，安全性較大，但達(dá)到全流域洪水泥沙全面控制所需的時(shí)限較長(zhǎng)。二是流域面積較小、水土流失較輕、坡面治理較好、有一定的壩系工程建設(shè)基礎(chǔ)的流域，宜采用先干溝后支毛溝、先下游后上游的建設(shè)時(shí)序。先干溝后支毛溝的建壩時(shí)序，符合攔沙效益最大化的原則，工程建成后當(dāng)年就可實(shí)現(xiàn)小流域洪水泥沙不出溝，存在的問題是小流域壩系建設(shè)必須有可靠的后續(xù)資金作保證，如不能保證上游工程的如期實(shí)施，則對(duì)主溝道淤地壩的安全會(huì)造成威脅。始建于20世紀(jì)五六十年代的陜西省橫山縣趙石畔小流域壩系、山西省中陽(yáng)縣洪水溝小流域壩系、內(nèi)蒙古自治區(qū)清水河縣范四窯小流域壩系和準(zhǔn)格爾旗活雞兔小流域壩系等，都是按先干溝后支毛溝的時(shí)序建成的壩系。這些小流域壩系在運(yùn)行中取得了顯著的攔泥淤地效益，但由于缺乏后續(xù)資金支持，不同程度地受到暴雨洪水的威脅。三是流域面積較大、水土流失較輕、坡面治理較好的流域，宜采用以干溝分段、按支毛溝分片、段片分治的建設(shè)時(shí)序。此建設(shè)時(shí)序?qū)α饔騼?nèi)鄉(xiāng)村較多或面積較大的小流域，可以分段劃片，小集中大聯(lián)片地統(tǒng)籌規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)投資最優(yōu)化和效益最大化，在壩系建設(shè)中應(yīng)盡量推廣。另外，在壩系建設(shè)初期，先建大型淤地壩，以形成壩系骨架，攔截流域內(nèi)的洪水泥沙，在大型淤地壩接近設(shè)計(jì)淤積高程時(shí)，再建其控制范圍內(nèi)的中小型淤地壩，這樣既可實(shí)現(xiàn)同樣的攔泥淤地效益，又能有效地減少壩系建設(shè)初期的投資，同時(shí)可確保壩系工程持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。