黃土高原淤地壩工程水資源利用模式與展望

蘭立軍，楊 俊，李曉霞，孫棟元，賈 玲，武蘭珍，王興繁，張 軍

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

淤地壩作為黃土高原滯洪、攔泥、淤地的主要水土保持工程，既是有效防治水土流失的關(guān)鍵舉措，也是保障小流域水資源高效利用的重要手段。截至2015年，在5 658座骨干壩和11 248座中型壩中，已有1 428座骨干壩和5 003座中型壩失去了攔沙能力[1]。因此，對淤地壩工程開展相關(guān)研究迫在眉睫。目前，相關(guān)學(xué)者針對淤地壩的主要功能[2-6]、運(yùn)行情況[7-9]、管理[10-12]等方面已經(jīng)做了大量研究，但對于淤地壩工程水資源利用方面的研究仍顯不足。汪子涵等[13]提出一種基于Unity3D的模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對水資源動(dòng)態(tài)變化調(diào)控的模擬，卜崇德等[14]對淤地壩在洪水資源利用方面進(jìn)行了相關(guān)分析，尹惠敏等[15]探討了淤地壩漁業(yè)資源利用情況及存在的問題。以上研究雖涉及淤地壩水資源利用相關(guān)內(nèi)容，但依舊存在水資源配置不合理、利用率低等問題。本研究通過分析淤地壩工程水資源利用中存在的問題，從水資源利用的角度研究淤地壩工程水資源利用模式，初步提出攔蓄灌溉、雨水蓄集、地表水和地下水聯(lián)合利用3種模式，旨在為淤地壩高效存蓄、科學(xué)利用水資源奠定基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)黃土高原水資源可持續(xù)發(fā)展提供保障。

1 淤地壩工程水資源特點(diǎn)及存在的問題

1.1 淤地壩工程水資源特點(diǎn)

淤地壩工程大多修建在黃土高原小流域，受黃土高原獨(dú)特的地理位置影響，地下水不易開發(fā)利用。黃土高原小流域水資源主要有以下4個(gè)特點(diǎn)：①降水是黃土高原水資源的主要補(bǔ)給來源，但其地處干旱半干旱地區(qū)，降水極其稀少，蒸發(fā)量大，在特別干旱的地區(qū)，蒸發(fā)量可達(dá)降水量的10倍以上；②水資源分布不均，受地形地貌影響，自東南向西北呈遞減趨勢；③汛期降雨頻繁，強(qiáng)度大，但多為暴雨，致使水土流失嚴(yán)重、水資源含沙量高，難以開發(fā)利用[16-17]；④黃土高原多為起伏的山丘，植被稀少，風(fēng)蝕嚴(yán)重，降雨大部分下滲，地表徑流較少。

1.2 存在的問題

(1)汛期空庫運(yùn)行時(shí)，水資源需求難以得到滿足?，F(xiàn)行淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及運(yùn)行管理辦法規(guī)定，淤地壩汛期不能蓄水利用，要求空庫運(yùn)行，但這很難滿足當(dāng)?shù)厝诵箫嬘?、農(nóng)業(yè)灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面的水資源需求。

(2)溝坡、溝道集水面積沒有得到充分利用。淤地壩所處的溝坡、溝道在雨季或者暴雨時(shí)會(huì)產(chǎn)生坡面徑流，但是由于認(rèn)知不足、技術(shù)發(fā)展不夠，這部分水資源沒有受到重視，被歸類為難以進(jìn)行開發(fā)利用的水資源，造成了大量浪費(fèi)。但對于類似黃土高原這樣干旱缺水的地區(qū)，雨水坡面匯集是水資源最主要的補(bǔ)給來源。

(3)水資源利用不合理。淤地壩水資源主要由洪水和地下水兩部分組成。由于大部分淤地壩工程存在配套設(shè)施不完善、未形成壩系等問題，因此在降水頻發(fā)的豐水年會(huì)出現(xiàn)壩地不保收的情況，而在枯水年干旱缺水，造成壩地產(chǎn)量低等?？傮w來說，淤地壩工程水資源利用效率不高，部分工程對水資源利用不合理。

2 淤地壩工程水資源利用模式研究

黃土高原淤地壩工程的水資源利用，除考慮淤地壩工程水資源特點(diǎn)、存在的問題外，還需考慮水資源總量。本研究從攔蓄水資源、雨水資源、地下水和地表水資源3個(gè)方面分析淤地壩水資源量，通過建立相應(yīng)的模式提高水資源的利用率，并對黃土高原淤地壩工程水資源利用模式開展初步探討研究。

2.1 攔蓄灌溉模式

不同的運(yùn)行階段淤地壩具有不同的作用，每一種作用在黃土高原小流域治理中都發(fā)揮了重要作用。汛期時(shí)，由于淤地壩空庫運(yùn)行，浪費(fèi)了大部分洪水資源，使得黃土高原長期處于干旱缺水狀態(tài)。因此，以水資源可持續(xù)發(fā)展為基本理念，建立淤地壩攔蓄灌溉模式，以解決黃土高原地區(qū)水資源緊迫情況，為養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)等發(fā)展提供保障。攔蓄灌溉模式主要包括3種蓄水類型(圖1)：①在汛期，淤地壩對洪水資源進(jìn)行攔蓄，使洪水資源能夠得到合理有效使用；②淤地壩可通過壩前蓄水，儲(chǔ)存一部分水資源；③通過布設(shè)蓄水池、水窖等一些小型蓄水設(shè)施，對溝坡、溝道上的水資源進(jìn)行蓄集，以解決水資源匱乏問題。

2.2 雨水蓄集模式

4—6月是黃土高原大多數(shù)作物最需水的時(shí)期，但同期降水量卻只有全年的25%～30%，在很大程度上制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展[17]。因此，面對水資源如此緊缺的情況，如何合理有效地利用汛期7—9月的雨水已經(jīng)成為當(dāng)前相關(guān)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本研究針對黃土高原水量不足的實(shí)際，提出雨水蓄集模式(圖1)，實(shí)現(xiàn)從時(shí)間和空間上調(diào)節(jié)自然降水。雨水蓄集模式主要包括窖灌集雨和徑流匯集兩種方式，以窖灌為主的雨水蓄集方式是指通過修建水窖、水池等小型蓄水設(shè)施，將溝坡、溝道匯集的雨水儲(chǔ)存起來；以徑流匯集為主的雨水蓄集方式是指通過修建梯田、壩地、水平溝等工程將降水儲(chǔ)存在土壤中，或者通過防滲集流面收集雨水。

圖1 黃土高原淤地壩工程水資源利用模式

2.3 地表水和地下水聯(lián)合利用模式

黃土高原地區(qū)的地表水以淤地壩攔截的洪水資源為主，淤地壩通過有效地滯洪，將高含沙洪水一部分轉(zhuǎn)化為地下水，一部分轉(zhuǎn)化為清水，通過泄水建筑物排放到下游溝道，增加了溝道常流水，涵養(yǎng)了水源，同時(shí)，對汛期洪水起到了調(diào)節(jié)作用，使地表水資源得到了合理利用。大部分排泄條件良好的淺層地下水是可以以泉水的形式轉(zhuǎn)化為地表水的。但目前，淤地壩工程大部分處于設(shè)施老化、年久失修、帶病運(yùn)行等狀態(tài)，有的甚至已經(jīng)成為險(xiǎn)壩，喪失了滯洪能力，使得黃土高原地區(qū)水資源緊缺形勢更加緊迫。因此，為了提高水資源利用效率，提出地表水和地下水聯(lián)合利用模式(圖1)，以確保當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。通過在水源區(qū)修建小水庫、塘壩、蓄水池等水利設(shè)施，結(jié)合配套的灌區(qū)和抽水設(shè)備，以自流或提水的方式實(shí)現(xiàn)地表水和地下水的綜合利用。

3 結(jié)論與展望

水資源是制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綠色生活構(gòu)建的關(guān)鍵因素，對水資源合理利用、有效配置在黃土高原地區(qū)顯得尤為重要。目前，由于黃土高原地區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大、水流含沙量大、分布不均，故淤地壩工程存在汛期水資源難以滿足需求、溝坡溝道集水面積得不到充分利用、水資源整體利用不合理等問題，基于這些問題，初步探討了黃土高原淤地壩工程水資源利用模式，提出攔蓄灌溉、雨水蓄集及地表水和地下水聯(lián)合利用3種模式，以便為黃土高原地區(qū)水資源配置提供參考。探索水資源利用模式旨在永久地緩解水資源緊缺的問題，因此在探討時(shí)，不僅要結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源狀況，還要考慮未來水資源的發(fā)展趨勢。針對前述分析，在今后黃土高原淤地壩工程水資源利用模式研究中，需要注重以下幾個(gè)方面的研究工作。

3.1 建設(shè)淤地壩水資源綜合利用示范工程，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展

隨著黃土高原地區(qū)生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等用水需求不斷增加，研究淤地壩水資源綜合利用成為保障區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展的必然途徑。面對黃土高原地區(qū)一系列復(fù)雜的水問題，優(yōu)化水資源配置、建設(shè)水資源綜合利用示范工程、積極開展節(jié)水相關(guān)的活動(dòng)對保障供水安全具有重要意義。水資源綜合利用有望實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)雙重效益，因此大力建設(shè)淤地壩水資源綜合利用示范工程，推進(jìn)水資源可持續(xù)利用，必將是黃土高原地區(qū)促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步、發(fā)展綠色生活的重要途經(jīng)。

3.2 建立淤地壩水資源管理系統(tǒng)，推進(jìn)智慧水利建設(shè)

開展基于“三條紅線”的淤地壩水資源開發(fā)與管理保護(hù)研究，建立淤地壩水資源管理系統(tǒng)，以便準(zhǔn)確、有效地掌握黃土高原淤地壩水資源利用情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測水資源水情動(dòng)態(tài)的目的。建立淤地壩全范圍覆蓋的水資源管理系統(tǒng)，通過攝像頭、水位計(jì)、水尺等收集、分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端，整個(gè)過程完整、有效、高效，在一定程度上推進(jìn)了智慧水利建設(shè)。

3.3 加強(qiáng)雨水蓄集利用研究，提高雨水資源的利用效率

雨水蓄集工程是一種在水資源短缺地區(qū)能夠發(fā)揮特殊作用的小型水利工程，雖然目前黃土高原地區(qū)已修建了相應(yīng)的雨水蓄集工程來補(bǔ)充緊缺的抗旱水源，但在工程建設(shè)時(shí)，往往忽略了系統(tǒng)規(guī)劃，如未考慮綜合配套設(shè)施、地形狀況等。同時(shí)，由于雨水資源是水資源重要的組成部分，建立雨水資源評(píng)價(jià)體系具有重要的戰(zhàn)略意義，而雨水蓄集是一種人為干預(yù)的水資源處理技術(shù)，可能會(huì)對水循環(huán)造成負(fù)面影響，因此仍需加強(qiáng)對雨水蓄集利用方面的研究，進(jìn)一步提高雨水資源的利用效率。

3.4 建立淤地壩水資源利用的相關(guān)法律法規(guī)，加強(qiáng)水資源管理

基于對黃土高原地表水和地下水資源量以及生活、農(nóng)業(yè)需水量的評(píng)估，建立黃土高原小流域水權(quán)分配、水價(jià)改革等方面的法律法規(guī)體系，盡快完善小流域水權(quán)制度建設(shè)，為黃土高原淤地壩水資源規(guī)范利用提供有效的法律依據(jù)和政策保障。但由于目前研究不足，我國針對淤地壩水資源利用的管理缺少相關(guān)法律法規(guī)政策，不利于水資源利用科學(xué)化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及規(guī)范化發(fā)展。