窟野河流域淤地壩和湖庫洪水調(diào)蓄功能價(jià)值評價(jià)

常斐楊 徐佳 王璽圳

［關(guān)鍵詞］ 洪水調(diào)蓄；功能價(jià)值；淤地壩；水庫；湖泊；窟野河流域

［摘 要］ 窟野河流域是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。淤地壩作為黃土高原水土流失治理的一項(xiàng)重要工程措施，其滯洪作用常被忽略。以窟野河流域?yàn)槔?，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值核算的理論和方法提出了淤地壩、水庫、湖泊洪水調(diào)蓄能力的量化方法，并運(yùn)用影子工程法計(jì)算淤地壩、水庫、湖泊洪水調(diào)蓄功能價(jià)值，探討將淤地壩納入生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能價(jià)值核算體系的必要性。結(jié)果表明：窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊可調(diào)蓄水總量為23 671.98萬m3，洪水調(diào)蓄功能總價(jià)值為120 212.50萬元，其中，淤地壩可調(diào)蓄水量為11 575.02萬m3，占可調(diào)蓄總水量的48.90%，洪水調(diào)蓄價(jià)值為46 300.08萬元，占洪水調(diào)蓄功能總價(jià)值的38.52%，淤地壩洪水調(diào)蓄能力和價(jià)值不可忽視；建立的淤地壩洪水調(diào)蓄功能價(jià)值評價(jià)方法簡單且易于應(yīng)用，將淤地壩納入生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能價(jià)值核算體系中，使該體系在黃土高原地區(qū)應(yīng)用更加完善、準(zhǔn)確，可為淤地壩壩系規(guī)劃、建設(shè)、投資及除險(xiǎn)加固工作提供參考。

［中圖分類號(hào)］ TV122；TV697.13? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.014

生態(tài)系統(tǒng)的洪水調(diào)蓄功能是指其具有蓄積洪水、削減洪峰、減輕洪水威脅的調(diào)節(jié)功能。目前，生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄能力主要通過湖泊可調(diào)蓄水量、水庫防洪庫容和沼澤洪水期滯水量等指標(biāo)表征。近年來，許多學(xué)者以湖泊可調(diào)蓄水量、水庫防洪庫容作為評估指標(biāo)，開展了大量關(guān)于湖泊、水庫洪水調(diào)蓄功能及防洪效益評估的研究，在減少洪水災(zāi)害、保障區(qū)域防洪安全等方面發(fā)揮了重要作用[1-4]。然而，黃土高原地區(qū)淤地壩的滯洪作用同樣值得關(guān)注。截至2016年，黃河流域潼關(guān)以上地區(qū)共建有淤地壩55 124座，以小流域?yàn)閱卧?，淤地壩通過梯級建設(shè)，大、中、小型壩相結(jié)合，層層攔蓄，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，具有較強(qiáng)的削峰、滯洪和“上攔下?！弊饔茫苡行У胤乐购樗嗌硨ο掠卧斐傻奈：Γ谒亮魇^(qū)起到重要的滯洪、攔沙、淤地作用[5]。近年來，大部分研究集中在淤地壩的攔沙作用[6]，而關(guān)于淤地壩滯洪作用的研究相對較少。本研究以黃河中游支流窟野河流域?yàn)槔_展淤地壩洪水調(diào)蓄功能價(jià)值評價(jià)，并與水庫、湖泊進(jìn)行對比，探討將淤地壩納入生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能價(jià)值核算體系的必要性。

1 研究區(qū)概況

窟野河是黃河一級支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝區(qū)巴定溝，流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗和陜西省府谷縣，于陜西省神木市沙峁頭村注入黃河，干流長242 km，流域面積8 706 km2。窟野河流域地勢西北高東南低，海拔自1 500 m降至740 m，屬黃土高原與荒漠地帶的接壤地區(qū)，氣候干燥，生態(tài)環(huán)境脆弱。流域內(nèi)年均氣溫約15 ℃，年均降水量415 mm，降水集中于6—9月，呈現(xiàn)東多西少、南多北少的空間分布特征。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所需數(shù)據(jù)包括2021年窟野河流域小流域劃分成果，見圖1，來源于黃河上中游管理局調(diào)研數(shù)據(jù)；淤地壩分布情況及庫容數(shù)據(jù)，來源于水利普查數(shù)據(jù)；水庫分布情況及庫容數(shù)據(jù)，來源于《黃河近年水沙銳減成因》；湖泊分布情況及面積數(shù)據(jù)，來源于2021年窟野河流域2 m分辨率遙感影像解譯成果。

2.2 研究方法

本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值核算的理論和方法，評價(jià)淤地壩、水庫、湖泊洪水調(diào)蓄能力，并運(yùn)用影子工程法，通過淤地壩和水庫單位庫容的工程造價(jià)，綜合分析窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊洪水調(diào)蓄功能價(jià)值。

2.2.1 淤地壩洪水調(diào)蓄能力

淤地壩的總庫容包括設(shè)計(jì)淤積庫容和滯洪庫容。本研究采用淤地壩滯洪庫容表征淤地壩的洪水調(diào)蓄能力，其計(jì)算公式為

Cd=Vd－Vs（1）

式中：Cd為淤地壩可調(diào)蓄水量，單位m3；Vd為淤地壩總庫容量，單位m3；Vs為淤地壩設(shè)計(jì)淤積庫容量，單位m3。

2.2.2 水庫洪水調(diào)蓄能力

防洪庫容是指防洪高水位至防洪限制水位之間的水庫容積，用于控制洪水、滿足水庫下游防洪保護(hù)對象的防洪要求。本研究以防洪庫容表征水庫的洪水調(diào)蓄能力，而防洪庫容數(shù)據(jù)往往難以獲取，需根據(jù)已有防洪庫容與總庫容之間的數(shù)量關(guān)系建立經(jīng)驗(yàn)方程，通過水庫總庫容估算其防洪庫容。饒恩明等[2]提出水庫防洪庫容與總庫容之間的經(jīng)驗(yàn)方程為

Cr=0.35×Vr（2）

式中：Cr為水庫可調(diào)蓄水量，單位m3；Vr為水庫總庫容量，單位m3。

2.2.3 湖泊洪水調(diào)蓄能力

湖泊洪水調(diào)蓄能力與湖泊面積、湖泊換水次數(shù)有關(guān)。根據(jù)《中國湖泊志》，窟野河流域地處蒙新高原區(qū)，其湖泊洪水調(diào)蓄能力計(jì)算公式[3]為

ln Cl=0.680ln A+5.653（3）

式中：Cl為湖泊可調(diào)蓄水量，單位m3；A為湖泊面積，單位m2。

2.2.4 洪水調(diào)蓄功能價(jià)值

洪水調(diào)蓄功能價(jià)值主要為淤地壩、水庫、湖泊在減輕洪水威脅方面所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?；谟白庸こ谭?，引入淤地壩和水庫單位庫容的工程造價(jià)，窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊的洪水調(diào)蓄功能價(jià)值計(jì)算公式為

Wf=Wd+Wr+Wl（4）

Wd=Cd×a（5）

Wr=Cr×b（6）

Wl=Cl×b（7）

式中：Wf為淤地壩、水庫、湖泊的洪水調(diào)蓄功能總價(jià)值，單位元；Wd、Wr、Wl分別為淤地壩、水庫、湖泊的洪水調(diào)蓄功能價(jià)值，單位元；a為淤地壩的單位庫容工程造價(jià)，單位元/m3，依據(jù)調(diào)查估算，窟野河流域淤地壩的單位庫容工程造價(jià)約為4元/m3；b為水庫的單位庫容工程造價(jià)，單位元/m3，依據(jù)調(diào)查估算，窟野河流域水庫的單位庫容工程造價(jià)約為6.11元/m3。

3 結(jié)果

3.1 窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊的分布特征

窟野河流域可劃分為13條小流域，流域面積共8 706.00 km2，其中：13號(hào)小流域面積最大，為1 753.78 km2；1號(hào)小流域面積最小，為376.02 km2。流域共建有大型淤地壩254座，各小流域的淤地壩數(shù)量較異較大，其中1號(hào)、5號(hào)、6號(hào)小流域淤地壩數(shù)量較多，分別為37、42、40座；除7號(hào)小流域無淤地壩外，4號(hào)、10號(hào)、12號(hào)小流域淤地壩數(shù)量較少，分別為5、3、3座。流域內(nèi)淤地壩總庫容量為25 502萬m3，其中1號(hào)、5號(hào)、6號(hào)小流域淤地壩總庫容量較大，分別為4 570、4 399、3 957萬m3，12號(hào)小流域淤地壩庫容量最小，僅為248萬m3?？咭昂恿饔蛴兄行退畮?座（烏蘭木倫水庫和常家溝水庫），水庫總庫容量為11 324萬m3，分別位于7號(hào)小流域和12號(hào)小流域，水庫庫容量分別為9 880和1 444萬m3?？咭昂恿饔蚝疵娣e45.96 km2，除7號(hào)小流域湖泊面積較大，為16.05 km2外，其余小流域的湖泊面積比較接近（見表1）。

3.2 窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊的洪水調(diào)蓄能力及價(jià)值

窟野河流域可調(diào)蓄水量共23 671.98萬m3（見表2），其中淤地壩、水庫、湖泊的可調(diào)蓄水量分別為11 575.02、3 963.40、8 133.56萬m3，分別占窟野河流域可調(diào)蓄水量的48.90%、16.74%、34.36%。洪水調(diào)蓄功能價(jià)值共120 212.50萬元，其中淤地壩、水庫、湖泊的洪水調(diào)蓄功能價(jià)值分別為46 300.08、24 216.37、49 696.05萬元，分別占窟野河流域洪水調(diào)蓄功能價(jià)值的38.52%、20.14%、41.34%。在13條小流域中，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、11號(hào)共7條小流域的洪水調(diào)蓄能力以淤地壩為主，7號(hào)、12號(hào)共2條小流域的洪水調(diào)蓄能力以水庫為主，4號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、13號(hào)共4條小流域的洪水調(diào)蓄能力以湖泊為主。

4 討論

4.1 淤地壩和水庫的空間分布差異大

在小流域規(guī)劃設(shè)計(jì)中，大中型水庫的控制范圍內(nèi)通常不修建或較少修建淤地壩，如窟野河流域建有水庫的7號(hào)和12號(hào)小流域，無淤地壩分布或僅建有3座淤地壩。在無大中型水庫的小流域中，淤地壩在攔泥、淤地、滯洪、蓄水等方面發(fā)揮了重要作用。自20世紀(jì)50年代起，黃土高原地區(qū)進(jìn)入了淤地壩建設(shè)示范試驗(yàn)階段。而后自20世紀(jì)80年代起，黃土高原地區(qū)開展了以大型淤地壩為骨架的壩系建設(shè)，共建成淤地壩11萬余座，至今仍有5萬余座淤地壩在攔水減沙、防洪減災(zāi)、增加耕地等方面發(fā)揮著重要作用[7]。從全國范圍來看，甘肅、陜西、內(nèi)蒙古等省（區(qū)）水庫數(shù)量較少，水庫庫容量較小，而這些省（區(qū)）正是淤地壩建設(shè)的集中區(qū)[8]。從區(qū)域尺度來看，黃土高原地區(qū)的水庫通常建在黃河干流及主要支流，優(yōu)先選擇寬闊平緩、水源豐富、地質(zhì)條件好的地區(qū)，保證水庫有充足的水源且地基穩(wěn)固，另選擇建在落差較大的河段以滿足發(fā)電需求。此外，由于水土流失會(huì)造成水庫泥沙淤積和水源污染，破壞航運(yùn)條件，因此水庫通常修建在水土流失輕微的區(qū)域[9]。然而，淤地壩通常修建在小流域的支毛溝中，可避免集水面積過大造成淤地壩損毀，同時(shí)為發(fā)揮攔泥淤地、減水減沙的作用，淤地壩通常修建在水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，如水土流失嚴(yán)重的黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩數(shù)量占黃土高原地區(qū)淤地壩總數(shù)的81.23%[10]。綜上所述，淤地壩和水庫在空間分布特征方面存在很大差異，二者無法相互替代。

4.2 淤地壩洪水調(diào)蓄功能價(jià)值不可忽視

窟野河流域7號(hào)小流域可調(diào)蓄水量最大，為5 339.27萬m3，占窟野河流域可調(diào)蓄水量的22.56%，其中水庫可調(diào)蓄水量占比為64.77%；12號(hào)小流域可調(diào)蓄水量為863.59萬m3，占窟野河流域可調(diào)蓄水量的3.65%，其中水庫可調(diào)蓄水量占比為58.52%?？梢钥闯?，在具有中型及以上水庫的小流域，其水庫的洪水調(diào)蓄能力發(fā)揮著巨大作用。然而水庫的控制面積有限，7號(hào)小流域的烏蘭木倫水庫控制面積為328 km2，12號(hào)小流域的常家溝水庫控制面積僅有44 km2，均小于其所在的小流域面積。而在其余11個(gè)小流域中，有7條小流域的淤地壩可調(diào)蓄水量占小流域可調(diào)蓄水量的40%以上。可以看出，淤地壩的洪水調(diào)蓄能力不可忽視。

窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊洪水調(diào)蓄功能總價(jià)值為120 212.50萬元。其中，湖泊洪水調(diào)蓄功能價(jià)值最高，其次是淤地壩，最后是水庫。湖泊作為地球必不可少的自然資源，其洪水調(diào)蓄功能在生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能中占據(jù)重要地位。在小流域中，由于水庫庫容較大，其洪水調(diào)蓄能力通常排在首位，但水庫造價(jià)較高、數(shù)量較少，在其控制面積以外的區(qū)域，洪水調(diào)蓄能力及價(jià)值無法顯現(xiàn)。然而，相比于研究較多的淤地壩攔沙作用，淤地壩的洪水調(diào)蓄能力通常被忽視，目前仍然有許多研究未將淤地壩洪水調(diào)蓄功能價(jià)值納入生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能價(jià)值核算體系中。劉蕾等[11]以黃河上游西柳溝淤地壩壩系為例，研究發(fā)現(xiàn)隨著淤地壩數(shù)量的增加，流域出口流量明顯減少，攔蓄水體約70%通過土壤下滲，能夠增加土壤含水量、補(bǔ)給地下水。徐小玲等[12]通過對辛店溝、韭園溝、裴家峁3條小流域的典型淤地壩水資源效應(yīng)研究，表明淤地壩的滯洪蓄水效益非常明顯。冉大川等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)在1970—1996年黃河中游地區(qū)淤地壩減洪量占水土保持措施減洪總量的59.30%，生態(tài)效益十分明顯。這些研究均表明淤地壩的滯洪減水效益與其減沙效益同樣重要。因此，作為淤地壩建設(shè)的集中區(qū)域，黃土高原地區(qū)淤地壩的洪水調(diào)蓄功能發(fā)揮了重要作用，在黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能價(jià)值核算中需要考慮淤地壩的洪水調(diào)蓄功能價(jià)值。

5 結(jié)束語

窟野河流域地處黃土高原和毛烏素沙地的過渡帶，是黃土高原地區(qū)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。淤地壩是黃土高原地區(qū)水土流失治理的一項(xiàng)重要工程措施。本研究以窟野河流域?yàn)槔?，?gòu)建的淤地壩洪水調(diào)蓄功能價(jià)值評價(jià)方法簡單且易于應(yīng)用，完善了生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)蓄功能價(jià)值核算體系，使其更加適用于黃土高原地區(qū)，體現(xiàn)了淤地壩在黃土高原水土流失治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中具有不可替代的作用。將淤地壩洪水調(diào)蓄功能貨幣化，也可為黃土高原淤地壩壩系規(guī)劃、建設(shè)、投資及除險(xiǎn)加固工作提供參考。

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