黃土高原淤地壩風險形成機理與預(yù)警

李占斌，李 鵬，于坤霞，賈 路

（西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，710048，西安）

淤地壩是黃土高原水土保持與生態(tài)保護的主要溝道工程措施。在黃土高原多年水土流失治理過程中，形成了以小流域綜合治理為基礎(chǔ)，加強溝道建設(shè)，特別是以骨干淤地壩建設(shè)為支撐的成功經(jīng)驗。西部大開發(fā)等戰(zhàn)略的實施，促使黃土高原水土保持治理投資增大，淤地壩建設(shè)規(guī)模逐漸增加。2002 年《黃河近期重點治理開發(fā)規(guī)劃》確定了黃土高原水土保持生態(tài)建設(shè)的基本思路、布局、目標以及措施。2003 年淤地壩建設(shè)成為水利部三大“亮點”工程之一。大規(guī)模淤地壩建設(shè)以及其他生態(tài)措施明顯改善了黃土高原的生態(tài)環(huán)境，植被覆蓋度明顯增加，入黃泥沙量顯著減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)向好。由于現(xiàn)有淤地壩存在建設(shè)時間較早、建設(shè)質(zhì)量不高、病險率較高等問題，為黃土高原淤地壩在汛期的安全運行帶來很大風險。在黃河水沙大幅度減少的新形勢下，緊緊把握水沙關(guān)系這個“牛鼻子”，推動新時期淤地壩高質(zhì)量建設(shè)發(fā)展新局面，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。本研究通過文獻查閱和收集大量淤地壩統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在實地考察和試驗的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析黃土高原淤地壩建設(shè)的歷程及其作用和成效，揭示淤地壩風險形成機理，提出淤地壩風險評價方法和預(yù)警系統(tǒng)框架，為黃土高原淤地壩高效運行與建設(shè)發(fā)展提供重要科學建議。

一、研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.研究區(qū)概況

黃土高原地勢西高東低，高程變化范圍為81～4985 m，地勢起伏較大，溝道縱橫交錯，流域眾多。黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴重的區(qū)域之一，是黃河泥沙的主要來源區(qū)，黃土高原水土流失治理事關(guān)黃河流域長治久安和高質(zhì)量發(fā)展。黃土高原總面積64 萬km2，降水量較少，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，治理難度較大。為了對黃土高原水土流失治理進行合理的規(guī)劃和有效的措施布設(shè)，根據(jù)黃土高原地貌分區(qū)圖（圖1），黃土高原被劃分為沖積平原區(qū)、土石山區(qū)、干旱草原區(qū)、風沙區(qū)、高地草原區(qū)、黃土丘陵林區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土階地區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū)等9個區(qū)，其中黃土丘陵溝壑區(qū)又被細分為5個副區(qū)，在此基礎(chǔ)上進一步建立水土保持分區(qū)，實施分區(qū)治理策略。

2.數(shù)據(jù)來源

本文收集了2011 年全國水利普查數(shù)據(jù)、2008 年水利部淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)以及相關(guān)省市的骨干淤地壩調(diào)查數(shù)據(jù)；同時還收集了1980—2019 年黃土高原及其周邊79 個氣象站的逐日降水數(shù)據(jù)，1960—2020 年潼關(guān)水文站逐年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和1980 年、1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年、2018 年、2020 年等9期土地利用數(shù)據(jù)，空間分辨率為1000 m。通過將前一時期土地利用數(shù)據(jù)作為后一時期之前每年的土地利用數(shù)據(jù)，可以得到1980—2019 年逐年的土地利用數(shù)據(jù)。此外還從聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織官網(wǎng)收集了土壤數(shù)據(jù)。

二、分析與討論

1.黃土高原淤地壩建設(shè)歷程

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民在與水土流失災(zāi)害的長期斗爭中，實踐性創(chuàng)造出的一種水土保持高效措施。打壩淤地在黃河流域已歷時上百年，成為當?shù)厝嗣襁M行生產(chǎn)、生活和生態(tài)保護不可缺少的工程措施。新中國成立以來，黃土高原淤地壩建設(shè)歷經(jīng)4個階段，分別是20世紀50年代的試驗示范階段、20世紀60年代的全國推廣階段、20世紀70年代的建設(shè)高潮階段以及20世紀80—90年代的骨干工程壩系建設(shè)階段。目前，黃土高原已經(jīng)建成淤地壩超過11萬座，明顯改善了黃土高原的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)圖2 統(tǒng)計的1950—2014 年黃土高原逐年新建骨干淤地壩數(shù)量可以看出，20世紀70年代骨干淤地壩修建出現(xiàn)第一個高峰，最多時一年可修建近200座骨干淤地壩，第二個建設(shè)高峰出現(xiàn)在2008年，該時期淤地壩大量增加主要是由于2003 年水利部實施了三大水利“亮點工程”，淤地壩建設(shè)逐漸恢復(fù)，截至2014 年共修建骨干淤地壩5818 座。黃土高原骨干淤地壩建設(shè)主要分布在水蝕較為嚴重的黃土丘陵溝壑區(qū)，占黃土高原骨干淤地壩總數(shù)77.9%（圖3）。從流域角度看，骨干淤地壩主要集中建設(shè)在黃河流域河口到龍門區(qū)間皇甫川流域、清水川流域、孤山川流域、縣川河流域、窟野河流域、禿尾河流域、無定河流域、清澗河流域以及延河流域，這些流域大多為黃河粗泥沙來源區(qū)，是黃土高原入黃泥沙重要來源地。

圖2 黃土高原逐年新建骨干淤地壩數(shù)量

圖3 黃土高原骨干淤地壩空間分布

2.黃土高原淤地壩建設(shè)作用與成效

眾多研究和實踐證明，淤地壩在黃河流域減水減沙、農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善、滯洪減災(zāi)等方面發(fā)揮了重要作用，其中減少泥沙的效用最為明顯。淤地壩主要通過攔截洪水和抬升侵蝕基準面兩個作用發(fā)揮減水減沙功能。在淤地壩運行期間，溝壁坍塌和溝道擴展是壩地泥沙的主要來源，重力侵蝕和溝道侵蝕是主要侵蝕類型。冉大川等在河龍區(qū)間的研究發(fā)現(xiàn)，1970—1996年間淤地壩減洪減沙量分別占水土保持減洪減沙量的59.3%和64.7%，淤地壩建設(shè)成效明顯。只要河龍區(qū)間壩地配置比例在2%左右，就能發(fā)揮45%以上的減沙比例。同時劉曉燕等驗證了淤地壩攔沙量一般大于或等于相應(yīng)的入黃泥沙量，淤地壩淤滿后仍可發(fā)揮減沙作用，體現(xiàn)出淤地壩減沙減蝕的巨大效應(yīng)。王浩等指出黃土高原淤地壩在滯洪減沙、攔泥淤地、灌溉增產(chǎn)等方面效益顯著，通過新建淤地壩可實現(xiàn)更長時間的水沙平衡。黃河潼關(guān)水文站1960—2020 年的水沙變化明顯減少，輸沙量呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢。袁水龍等通過模型模擬發(fā)現(xiàn)，淤地壩的修建可以減少洪峰65.34%、減少洪量58.67%，明顯提高防洪能力。

此外，通過修建淤地壩有利于地下水轉(zhuǎn)換，增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯，促進退耕還林還草，壩地土壤肥沃，氮磷鉀等含量是坡耕地的1～5.2倍，產(chǎn)量是坡耕地的3.5倍。通過淤地壩蓄水可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)及果園高效節(jié)水灌溉、應(yīng)急抗旱等綜合利用。調(diào)查顯示甘肅環(huán)縣17座蓄水淤地壩共計蓄水388萬m3，參照該數(shù)據(jù)黃土高原5818座骨干淤地壩擁有13.27億m3的蓄水潛力，相當于13座大型水庫，具有巨大的社會經(jīng)濟效益和潛力。利用收集的降水、土壤和土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)SCS產(chǎn)流模型計算了5818個骨干淤地壩壩控面積內(nèi)1980—2019年的產(chǎn)流量，分析顯示在99%、95%、90%、75%和50%保證率下對應(yīng)的所有骨干淤地壩年總產(chǎn)流量分別為0.81億、1.00億、1.22億、1.87億和3.19億m3，其中陜西省榆林市和延安市在50%保證率下所有骨干淤地壩年產(chǎn)水量分別為0.70億和0.31億m3，通過有效發(fā)揮淤地壩蓄水能力，合理利用降水，可以緩解黃土高原干旱缺水問題。1950—2014年黃土高原逐年新建骨干淤地壩已淤積庫容如圖4所示，20世紀70年代修建的骨干淤地壩已淤積庫容最多，表明這一時期黃土高原土壤侵蝕嚴重，淤地壩在攔沙方面發(fā)揮明顯作用；2003年以后修建的骨干淤地壩已淤積庫容相對70年代較少，主要是由于該時期退耕還林還草明顯改善地區(qū)植被覆蓋狀況，坡面土壤侵蝕相對減少，淤地壩攔沙作用有所減弱，但在穩(wěn)定溝道和減少重力侵蝕方面仍然發(fā)揮主要作用。

圖4 黃土高原逐年新建骨干淤地壩已淤積庫容

3.黃土高原淤地壩風險的形成機理

淤地壩按照庫容大小一般分為骨干淤地壩（庫容50萬m3以上）、中型淤地壩（庫容10萬～50 萬m3）和小型淤地壩（庫容1 萬～10 萬m3），比傳統(tǒng)的水工大壩庫容相對較小。由于受技術(shù)和經(jīng)濟因素影響，以往淤地壩設(shè)計建設(shè)標準不高，不能過流，缺少泄洪洞，治理控制不嚴格，遇到暴雨年份容易損毀。此外，由于眾多淤地壩建設(shè)時間較早，特別是中小型淤地壩超齡服役，庫區(qū)淤滿，加上極端氣候變化，近年黃土高原淤地壩水毀現(xiàn)象頻發(fā)，病險問題日漸嚴重。1994 年陜北淤地壩水毀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當年7—8 月沖垮和部分損毀的淤地壩占總數(shù)的23%；2016 年8 月內(nèi)蒙古達拉特旗暴雨導(dǎo)致19座淤地壩潰決；2017年7月無定河大雨導(dǎo)致337座淤地壩損毀。陜西全省38 951座淤地壩中絕大部分修建于20 世紀60—70 年代，骨干淤地壩中存在安全隱患的占48.9%，中型壩中存在安全隱患的占54.7%。淤地壩損毀可能導(dǎo)致下游壩地莊稼被淹沒，洪水疊加，威脅人民生命財產(chǎn)安全。王丹等對寧夏典型流域淤地壩運行風險進行了系統(tǒng)評價，發(fā)現(xiàn)淤地壩運行風險主要來自4個方面：一是運行時間過長，滯洪庫容不足，遇到大暴雨時泄洪能力不足；二是壩系設(shè)計不合理；三是建設(shè)質(zhì)量低，壩體易損壞；四是缺乏有效管護。病險類型主要為壩體病險、防水建筑物病險和溢洪道病險，通過進一步對病險機理進行分析，發(fā)現(xiàn)造成病險的主要原因是壩體滲水開裂、臥管沉降或堵塞、原設(shè)計缺少溢洪道或溢洪道尺寸小等。

4.黃土高原淤地壩風險評價及預(yù)警

為了更好地發(fā)揮淤地壩的多重效用，減少人民財產(chǎn)損失，對淤地壩風險進行評價和預(yù)警是十分必要的。馬瑞等運用層次分析法構(gòu)建了甘肅省淤地壩工程潰壩風險評價模型，并指出該模型可以為汛期淤地壩工程風險評價提供實時預(yù)警數(shù)據(jù)。祖強等建立了極端降雨條件下小流域淤地壩壩系連潰風險評價模型，并指出增設(shè)溢洪道能夠有效減少風險。王丹等構(gòu)建了韭園溝流域淤地壩壩系布局評價模型，分析表明骨干淤地壩對壩系布局具有決定性影響。杭朋磊經(jīng)過系統(tǒng)研究和總結(jié)，指出眾多的風險評價方法都表明淤地壩風險評價主要是基于環(huán)境風險、工程風險、管理風險和經(jīng)濟風險等4 個方面的指標建立的，同時還繪制了淤地壩風險評價的基本流程圖，涉及水文分析、潰壩模擬、洪災(zāi)損失和風險評價4個重要環(huán)節(jié)。在建立淤地壩風險評價的基礎(chǔ)上，進行及時有效的預(yù)警顯得更為緊迫，對于保障人民生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。通過采用物聯(lián)網(wǎng)、5G+人工智能技術(shù)，整合淤地壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行高效的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，利用邊緣計算及任務(wù)調(diào)度策略，保證計算任務(wù)的時效性，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的淤地壩監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，可以為淤地壩監(jiān)測、基礎(chǔ)信息管理、安全評估、風險預(yù)警等提供技術(shù)支持。

5.黃土高原淤地壩高效運行與高質(zhì)量發(fā)展建議

黃土高原淤地壩建設(shè)正在經(jīng)歷從單一攔沙淤地，向全流域、全功能的高質(zhì)量建設(shè)階段轉(zhuǎn)變。在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的國家戰(zhàn)略下，淤地壩建設(shè)必須繼續(xù)服務(wù)國民經(jīng)濟建設(shè)，實現(xiàn)高效運行與高質(zhì)量發(fā)展。在黃河水沙變化的新情勢下，如何高效治理流域侵蝕產(chǎn)沙，提升流域抗侵蝕能力，保障壩系安全運行，實現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)“三生”用水協(xié)調(diào)和鄉(xiāng)村振興與低碳可持續(xù)發(fā)展，都是新時期淤地壩建設(shè)必須面臨的考驗?；诖耍柽M一步加強淤地壩建設(shè)，全面評估淤地壩作用，繼續(xù)增強對淤地壩攔沙滯洪、調(diào)峰消能、異地減蝕等機理的認識，建設(shè)現(xiàn)代化管理體系，提高建設(shè)質(zhì)量與風險管控水平，進一步提升淤地壩開發(fā)利用水平，樹立新的開發(fā)利用理念，結(jié)合鄉(xiāng)村振興和新能源利用服務(wù)“雙碳目標”。具體可從以下6個方面開展：一是增設(shè)溢洪道等淤地壩結(jié)構(gòu)，提升淤地壩汛期風險防控能力；二是開發(fā)蓄水型淤地壩，提高流域雨洪水資源利用率；三是構(gòu)建壩系流域水土資源協(xié)同發(fā)展模式；四是拓展淤地壩壩系提高流域水土資源承載能力的途徑；五是創(chuàng)新淤地壩運行與管護體制機制；六是引領(lǐng)淤地壩壩系產(chǎn)業(yè)與新能源綠色發(fā)展結(jié)合新方向。

三、結(jié) 語

本文以黃土高原淤地壩為研究對象，系統(tǒng)全面地闡述了黃土高原淤地壩建設(shè)歷程、作用與成效、風險形成機理及風險評價與預(yù)警，提出了黃土高原淤地壩高效運行與高質(zhì)量發(fā)展的建議。

黃土高原淤地壩建設(shè)歷時悠久，數(shù)量龐大，截至2014 年，共計建設(shè)骨干淤地壩5818 座，77.9%的骨干淤地壩主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)。淤地壩在黃河流域減水減沙、農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善、滯洪減災(zāi)等方面發(fā)揮了重要作用，其中減少泥沙的效用最為明顯。

淤地壩運行風險主要來自滯洪庫容不足、設(shè)計不合理、建設(shè)質(zhì)量低和缺乏有效管護等4 個方面。結(jié)合風險評價模型和5G 等信息技術(shù)建立淤地壩風險預(yù)警系統(tǒng)，可有效維護人民生命財產(chǎn)安全。

未來需進一步加強淤地壩建設(shè)，全面評估淤地壩作用，建設(shè)現(xiàn)代化管理體系，提高建設(shè)質(zhì)量與風險管控水平，進一步提升淤地壩開發(fā)利用程度，樹立新的開發(fā)利用理念，服務(wù)國家發(fā)展戰(zhàn)略。