基于壩系相對穩(wěn)定理論的韭園溝小流域高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩壩系建設(shè)研究

［摘要］ 高質(zhì)量淤地壩建設(shè)是黃土高原水土保持高質(zhì)量發(fā)展的重要工作內(nèi)容之一，也是貫徹落實(shí)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的重要工作之一。介紹了1953年至今綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站淤地壩試驗(yàn)和建設(shè)歷程，以及壩系相對穩(wěn)定理論的概念、內(nèi)涵和壩系相對穩(wěn)定系數(shù)的確定情況。以綏德站水土保持試驗(yàn)示范小流域——韭園溝小流域?yàn)槔?，進(jìn)行壩系布局、淤地壩工程結(jié)構(gòu)和壩系相對穩(wěn)定分析，論證了要實(shí)現(xiàn)淤地壩高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)壩系相對穩(wěn)定是關(guān)鍵。

［中圖分類號］ S157[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ADOI：10.3969j.issn.1000-0941.2024.08.001

［引用格式］ 劉立峰，李小兵，黨維勤，等.基于壩系相對穩(wěn)定理論的韭園溝小流域高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩壩系建設(shè)研究[J].中國水土保持，2024（8）：1-7.

2019年9月18日，習(xí)近平總書記在鄭州主持召開黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會，指出黃土高原有條件的地方要大力建設(shè)淤地壩。2021年10月8日《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》印發(fā)，進(jìn)一步明確了要大力建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩。為貫徹落實(shí)《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》，加強(qiáng)對淤地壩建設(shè)管理的規(guī)范指導(dǎo)，黃河水利委員會發(fā)布了《高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)管理指南》，明確了“高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩是適應(yīng)黃河生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展需要，在黃土高原溝道重力侵蝕和水土流失嚴(yán)重區(qū)域，以小流域?yàn)閱卧?，按照整體規(guī)劃、科學(xué)布局、因地制宜、合理配置的原則，建成工程安全可靠、配套設(shè)施齊全、整體環(huán)境美觀、運(yùn)行管護(hù)到位、綜合效益顯著的高質(zhì)量溝道治理工程”?！陡邩?biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)管理指南》中高質(zhì)量溝道治理工程建設(shè)的“四大原則”和“五大目標(biāo)”都要依靠壩系相對穩(wěn)定理論才能實(shí)現(xiàn)，這說明要實(shí)現(xiàn)淤地壩高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)壩系相對穩(wěn)定是關(guān)鍵[1-2]。長期以來，黃土高原攔沙壩、淤地壩建設(shè)和病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固中沒有考慮小流域壩系系統(tǒng)治理，即小流域壩系相對穩(wěn)定，尤其是非水利行業(yè)新建淤地壩，僅從單壩角度開展設(shè)計(jì)，這樣不僅規(guī)劃不合理、布局不穩(wěn)定、建設(shè)不適宜、配置不科學(xué)，而且壩體安全運(yùn)行可能存在隱患，加之配套設(shè)施不齊全，小流域洪水泥沙得不到全面控制，無法保證一定頻率暴雨洪水條件下壩地糧食的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，要開展淤地壩及壩系高質(zhì)量發(fā)展相對穩(wěn)定模式的研究和應(yīng)用，就要考慮小流域內(nèi)大、中、小型淤地壩整體建設(shè)，小流域上下游、干支溝淤地壩建設(shè)時序，一定頻率暴雨洪水條件下淤地壩工程安全和壩地保收的關(guān)系，以及壩系對洪水泥沙的控制作用等，這樣既有助于小流域壩系安全、作物保收和泥沙控制，又符合系統(tǒng)治理的理念[2-3]。這種相對穩(wěn)定的壩系模式就是以小流域?yàn)閱卧?，以壩系相對穩(wěn)定理論為指導(dǎo)，從系統(tǒng)治理、綜合治理和源頭治理的角度出發(fā)，科學(xué)推進(jìn)攔沙壩、淤地壩建設(shè)和病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固，尤其是淤地壩建設(shè)要以小流域作為立足點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)[4-5]。首先，對于新建淤地壩的溝道，要對小流域進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，上下游、干支溝系統(tǒng)優(yōu)化，大、中、小型淤地壩科學(xué)布設(shè)，比如：什么地方宜建大型壩，什么地方宜建中型壩，什么地方宜建小型壩；哪些地方建控制性大型壩，哪些地方建生產(chǎn)壩；單壩從“三大件”到“兩大件”再到“一大件”，要科學(xué)考慮、系統(tǒng)布局、源頭控制。其次，對于存在病險(xiǎn)淤地壩的溝道，哪座壩需要銷號、哪座壩需要轉(zhuǎn)型、哪座壩需要除險(xiǎn)加固、哪座壩需要提升改造，都應(yīng)從小流域尺度來統(tǒng)籌規(guī)劃，并配套相關(guān)措施進(jìn)行綜合治理。最后，通過壩系相對穩(wěn)定分析評價(jià)，確定大、中、小型淤地壩數(shù)量及其配置，實(shí)現(xiàn)在一定產(chǎn)洪產(chǎn)沙條件下流域內(nèi)來水來沙和用水用沙的平衡，直至整個小流域壩系的相對穩(wěn)定、健康運(yùn)行和高質(zhì)量溝道治理，從而推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的良性發(fā)展。

1淤地壩試驗(yàn)和建設(shè)歷程在我國淤地壩的發(fā)展史上，黃河水利委員會天水、西峰、綏德3個水土保持科學(xué)試驗(yàn)站發(fā)揮了重要的試驗(yàn)示范作用，特別是1952年成立的綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站（以下簡稱“綏德站”），受陜西省子洲縣坡面滑坡形成黃土坬天然聚湫啟發(fā)，在總結(jié)群眾經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上率先開展了溝道工程措施的試驗(yàn)研究，其淤地壩試驗(yàn)和建設(shè)歷程大致分為5個階段。

1.1初步試驗(yàn)和建設(shè)階段1953—1977年，綏德站在韭園溝開展了淤地壩的組成結(jié)構(gòu)、修筑技術(shù)、洪水驗(yàn)算、壩地生產(chǎn)利用和整治等試驗(yàn)研究，初步提出了壩系的概念，尤其是水墜法筑壩技術(shù)的成功試驗(yàn)和應(yīng)用，既節(jié)約了建設(shè)資金又提高了施工質(zhì)量。通過大量研究，綏德站加快了淤地壩設(shè)計(jì)進(jìn)程，改進(jìn)了施工技術(shù)，在黨和國家的重視及支持下，大量淤地壩陸續(xù)建成，并實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的選址、設(shè)計(jì)和施工。這個階段淤地壩建設(shè)特點(diǎn)是“小多成群”，即在小流域內(nèi)建設(shè)大量的中小型淤地壩，實(shí)現(xiàn)了溝壑川臺化[6-7]。

1.2骨干壩及壩系建設(shè)階段1977—1978年榆林地區(qū)及其周邊接連遭遇特大暴雨襲擊，不少淤地壩遭到破壞。通過調(diào)研，黃河水利委員會黃河上中游管理局（以下簡稱“中游局”）、綏德站等單位提出要在壩系中興建治溝骨干工程——骨干壩。骨干壩的建設(shè)能有效提高整個小流域壩系的防洪能力，骨干壩建成后暴雨洪水造成淤地壩損毀進(jìn)而致使整條壩系串葫蘆水毀的現(xiàn)象很少發(fā)生。因此，在1977—1990年骨干壩及壩系建設(shè)階段形成了“小多成群、骨干控制、上攔下保、綜合利用”的淤地壩建設(shè)方針。

1.3壩系相對穩(wěn)定初步研究階段1990—2003年，中游局和綏德站開始了淤地壩壩系相對穩(wěn)定相關(guān)試驗(yàn)研究，以小流域?yàn)閱卧?，通過實(shí)施山水林田路綜合治理，探索壩系相對穩(wěn)定、水土資源合理利用、綜合防護(hù)體系建設(shè)等，從而有助于小流域壩系最大限度地發(fā)揮調(diào)洪、攔泥、淤地和改善當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)、生活條件的作用。

1.4壩系相對穩(wěn)定建設(shè)階段2003—2019年進(jìn)入了淤地壩相對穩(wěn)定建設(shè)階段。期間，在水利部啟動實(shí)施的小流域壩系試點(diǎn)工程中，壩系相對穩(wěn)定理論發(fā)揮了重要作用。作為重點(diǎn)研究單位，綏德站和相關(guān)單位開展了淤地壩安全和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究，主要涉及淤地壩結(jié)構(gòu)組成、筑壩新材料等方面，為淤地壩安全運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

1.5高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)階段2019年至今，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)展座談會上的講話精神及黃河水利委員會《高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)管理指南》提出的高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)要求等，都為新階段高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)指明了方向。這個階段，高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)已不是簡單的單個淤地壩高質(zhì)量建設(shè)，而是壩系相對穩(wěn)定理論指導(dǎo)下的高標(biāo)準(zhǔn)壩系建設(shè)。

2壩系相對穩(wěn)定理論

2.1壩系相對穩(wěn)定的概念壩系是指小流域溝道中由大型壩、生產(chǎn)壩、塘壩和蓄水池等“小多成群”的溝道工程所組成的相互配合的溝道工程系統(tǒng)。壩系相對穩(wěn)定就是小流域溝道壩系工程建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模，通過大型壩、生產(chǎn)壩、塘壩和蓄水池等的聯(lián)合防洪、攔泥和增地， 劉立峰等：基于壩系相對穩(wěn)定理論的韭園溝小流域高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩壩系建設(shè)研究實(shí)現(xiàn)小流域水土資源充分利用，在較大暴雨洪水（200 a一遇）情形下，壩系中的大型淤地壩能夠安全運(yùn)行，在較小暴雨洪水（10 a一遇）情形下，生產(chǎn)壩壩地作物保收，壩系整體能夠?qū)崿F(xiàn)安全和水土資源高效利用。一般將小流域溝道壩系中淤積土地的面積與壩系整體控制面積的比值稱為壩系相對穩(wěn)定系數(shù)。壩系相對穩(wěn)定系數(shù)與溝道壩系小流域10 a一遇洪水的洪量模數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)密切相關(guān)。

2.2壩系相對穩(wěn)定的內(nèi)涵壩系相對穩(wěn)定需滿足以下3個條件：1）壩系防洪安全條件。壩系的防洪安全是由壩系中的大型淤地壩所決定的。大型淤地壩工程的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為：1型大型淤地壩校核洪水重現(xiàn)期為300～500 a，2型大型淤地壩校核洪水重現(xiàn)期為200～300 a。因此，壩系的防洪安全條件為洪水重現(xiàn)期低于200 a。校核洪水重現(xiàn)期與壩系控制面積和淤積面積沒有相關(guān)性，因此壩系的防洪安全條件與壩系相對穩(wěn)定系數(shù)無關(guān)。2）壩系壩地保收條件。壩系壩地保收條件是壩系壩地在洪水重現(xiàn)期為10 a的情形下，保證小流域內(nèi)壩地作物正常生長、不被洪水淹死的最低條件，即當(dāng)小流域壩系內(nèi)大型壩達(dá)到設(shè)計(jì)最大淤積高度后，在洪水重現(xiàn)期低于10 a時，小流域內(nèi)壩地洪水深度要小于高稈作物最大耐淹深度（70 cm），同時壩內(nèi)清水可經(jīng)過放水建筑物在3 d內(nèi)排完，作物產(chǎn)量仍可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。壩系壩地保收條件與壩地面積密切相關(guān)，因此與壩系相對穩(wěn)定系數(shù)相關(guān)程度較高。3）壩系控制洪水泥沙的條件。小流域壩系中的大型淤地壩能有效控制小流域內(nèi)的洪水泥沙。如果發(fā)生一般性洪水，那么淤地壩攔蓄的洪水中的泥沙可沉積到壩地內(nèi)，澄清后的清水可通過放水建筑物排出；如果發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，那么洪水將被攔截在大型淤地壩內(nèi)，實(shí)現(xiàn)泥沙不出溝。可見，相對穩(wěn)定理論構(gòu)建的基礎(chǔ)就是壩系具備控制洪水泥沙的條件，如果壩系內(nèi)大型淤地壩喪失了控制小流域內(nèi)洪水泥沙的能力，那么這個壩系就不是相對穩(wěn)定壩系，也不能利用相對穩(wěn)定理論對其進(jìn)行分析評價(jià)。

2.3不同類型區(qū)壩系相對穩(wěn)定系數(shù)的確定通過對黃土高原地區(qū)100多條小流域壩系的統(tǒng)計(jì)分析，得到不同類型區(qū)壩系相對穩(wěn)定系數(shù)的取值范圍。1）土壤侵蝕模數(shù)5 000～＜8 000 t（km2·a）的強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域。在黃土高原地區(qū)，該區(qū)土壤侵蝕模數(shù)相對較小，一般年淤積厚度小于30 cm，因此壩系相對穩(wěn)定系數(shù)由洪量模數(shù)決定。根據(jù)區(qū)域內(nèi)多條壩系分析數(shù)據(jù)，壩系相對穩(wěn)定系數(shù)為140～118。2）土壤侵蝕模數(shù)8 000～＜15 000 t（km2·a）的極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域。在黃土高原地區(qū)，當(dāng)侵蝕模數(shù)小于13 000 t（km2·a）時，一般情況下壩系相對穩(wěn)定系數(shù)由洪量模數(shù)決定；當(dāng)侵蝕模數(shù)大于13 000 t（km2·a）時，一般情況下壩系相對穩(wěn)定系數(shù)由土壤侵蝕模數(shù)決定。根據(jù)區(qū)域內(nèi)多條壩系分析數(shù)據(jù)，壩系相對穩(wěn)定系數(shù)為139～115。3）土壤侵蝕模數(shù)≥15 000 t（km2·a）的劇烈侵蝕區(qū)域。該區(qū)壩系相對穩(wěn)定系數(shù)主要由土壤侵蝕模數(shù)決定。根據(jù)區(qū)域內(nèi)多條壩系分析數(shù)據(jù)，壩系相對穩(wěn)定系數(shù)為126～110。

3韭園溝小流域壩系相對穩(wěn)定理論的應(yīng)用實(shí)例韭園溝小流域地處陜西省綏德縣縣城北5 km處，流域面積70.7 km2。韭園溝是無定河中游左岸的一級支溝，主溝道長18 km，有200 m以上的支溝337條，溝道平均比降1.2%，溝壑密度5.34 kmkm2。流域海拔820～1 180 m，地形破碎，溝壑縱橫，梁峁起伏，土壤疏松，土地貧瘠，植被較少，是黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)的典型代表，也是黃河粗泥沙集中來源區(qū)之一。該流域?qū)侔敫珊荡箨懶詺夂騾^(qū)，根據(jù)綏德站多年觀測數(shù)據(jù)，多年平均氣溫8.3 ℃，多年平均降水量486 mm，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻，7—9月降水量占多年平均降水量的70.2%，且多為暴雨或特大暴雨，有時一兩次暴雨的產(chǎn)沙量就占全年產(chǎn)沙量的70%以上，多年平均侵蝕模數(shù)為1.8萬t（km2·a），屬劇烈侵蝕區(qū)。自1952年開始，綏德站把韭園溝作為水土保持試驗(yàn)示范小流域，開展綜合治理和水土保持工程、植物、耕作措施試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究淤地壩筑壩技術(shù)和示范推廣，之后逐步形成了“小多成群、大型控制、配置比例科學(xué)合理”的相對穩(wěn)定的小流域壩系。20世紀(jì)80年代之前韭園溝小流域淤地壩建設(shè)以群眾集資建設(shè)為主，80年代以后國家投資逐步加大，經(jīng)過70多a的治理，水土流失治理率達(dá)到75%，植被覆蓋率達(dá)到80%以上，共建設(shè)淤地壩253座，到2016年還有淤地壩211座，壩地面積達(dá)333.3 hm2以上，減沙效益十分顯著，也大大改善了當(dāng)?shù)厝罕姷纳a(chǎn)生活條件。韭園溝小流域建壩初期減沙效益就非常顯著，1956年7月26日《人民日報(bào)》就在頭版發(fā)表了《韭園溝不再向黃河送泥沙》的文章。本研究以2016年韭園溝小流域溝道壩系相關(guān)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，受本底數(shù)據(jù)和后期補(bǔ)充調(diào)查的影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)為1952年、1999年、2023年等年份的，未標(biāo)明時間的均為2016年數(shù)據(jù)。

3.1壩系布局根據(jù)1999年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（見表1），韭園溝小流域溝道壩系總庫容4 144.77萬m3，已攔泥庫容2 362.50萬m3，剩余庫容1 782.27萬m3，可淤地408.81 hm2，已淤地286.77 hm2，已利用228.68 hm2，平均利用率79.74%，可灌溉土地126.26 hm2，攔泥量8.24萬m3hm2，庫容淤積率57.00%。211座淤地壩中，大型淤地壩27座，占總壩數(shù)的12.80%，平均單壩控制面積2.60 km2；中型壩40座，占總壩數(shù)的18.96%，平均單壩控制面積0.93 km2；小型壩144座，占總壩數(shù)的68.25%，平均單壩控制面積0.18 km2。韭園溝小流域壩系相對穩(wěn)定系數(shù)為124，達(dá)到相對穩(wěn)定。韭園溝小流域淤地壩壩系布局見圖1。

3.1.1各級溝道內(nèi)淤地壩分布及配置情況韭園溝小流域的211座淤地壩中，大、中、小型壩的比例為1∶1.5∶5.3，布壩密度為2.98座km2。在各級溝道中的分布與配置為：Ⅰ級溝道布壩116座，占總壩數(shù)的54.98%，其中小型壩111座（占Ⅰ級溝道中總壩數(shù)的95.69%）、中型壩5座（占Ⅰ級溝道中總壩數(shù)的4.31%），即Ⅰ級溝道以小型壩為主；Ⅱ級溝道布壩69座，占總壩數(shù)的32.70%，其中中型壩25座（占Ⅱ級溝道中總壩數(shù)的36.23%）、小型壩31座（占Ⅱ級溝道中總壩數(shù)的44.93%）、大型壩13座（占Ⅱ級溝道中總壩數(shù)的18.84%），即Ⅱ級溝道以中小型壩為主；Ⅲ級溝道布壩21座，占總壩數(shù)的9.95%，其中大型壩9座（占Ⅲ級溝道中總壩數(shù)的42.86%）、中型壩10座（占Ⅲ級溝道中總壩數(shù)的47.62%）、小型壩2座（占Ⅲ級溝道中總壩數(shù)的9.52%），即Ⅲ級溝道以大中型壩為主；Ⅳ級溝道布壩5座，占總壩數(shù)的2.37%，均為大型壩。韭園溝小流域各級溝道大、中、小型淤地壩分布及配置情況見表2。

3.1.2淤地壩工程結(jié)構(gòu)對韭園溝小流域壩系進(jìn)行調(diào)查，壩系中不同類型淤地壩工程結(jié)構(gòu)不同，具體情況為：①大型淤地壩具備壩體、放水建筑物、溢洪道（簡稱“三大件”）的較少，在27座大型淤地壩中，有“三大件”的12座，占44.44%，有壩體、溢洪道或者壩體、放水建筑物（簡稱“兩大件”）的15座，占55.56%。②中型淤地壩一般不設(shè)置溢洪道，在40座中型壩中，有“三大件”的10座，占25.00%，有“兩大件”的26座，占65.00%，有壩體（簡稱“一大件”）的4座，占10.00%。③小型淤地壩大多數(shù)為“一大件”，在144座小型壩中，有“兩大件”的16座，占11.11%，有“一大件”的128座，占88.89%。韭園溝小流域淤地壩工程結(jié)構(gòu)情況見表3。

3.2壩系生產(chǎn)運(yùn)行模式韭園溝小流域壩系經(jīng)過70多a的建設(shè)和運(yùn)行，目前已形成4種生產(chǎn)運(yùn)行模式。1）支溝攔淤、干溝生產(chǎn)模式。比如，韭園溝大壩控制流域面積8.787 km2，結(jié)構(gòu)組成為“三大件”，現(xiàn)已基本淤滿，難以發(fā)揮攔泥作用。因此，利用其左右岸支溝水堰溝、馬家溝、王家溝等中型壩攔截該區(qū)段的洪水泥沙，減少韭園溝大壩上游的來洪來沙，提高其生產(chǎn)能力。2）洪清分治、發(fā)展灌溉模式。比如，劉家坪大壩處于未淤滿運(yùn)行階段，其主要作用為蓄水?dāng)r沙，為韭園溝大壩壩地提供灌溉用水，發(fā)揮著蓄、灌、攔的作用。因此，其上游和左右岸支溝的大型壩應(yīng)盡量采用攔洪排清的利用方式，使洪水泥沙在支溝中得到就地控制和消化，最大限度減少入庫泥沙，延長壩體使用壽命，確保下游灌溉用水，采取洪清分治模式。3）輪蓄輪種、合理利用水沙資源模式。比如，二郎岔1#壩上游無較大支溝匯入，主溝上游布置有柳樹溝、雒家溝壩，因此洪水泥沙均由主溝工程控制，可以充分利用水沙資源發(fā)展生產(chǎn)。這3座大型淤地壩工程從下游到上游依次建成，在利用方面可采用上攔下種、上種下攔的輪蓄輪種的生產(chǎn)運(yùn)行模式。4）以支溝為單元的防、淤、種模式。比如，林家鹼、高舍溝、西雁溝、王茂溝、李家寨、折家溝等支溝形成單元壩系，在其溝口和中上游均布設(shè)有大型壩，以控制洪水泥沙，能保證中、小型壩安全生產(chǎn)，因此建議采用防種結(jié)合、淤種結(jié)合、蓄種相間，全攔全蓄，上攔下保，使洪水泥沙基本不出溝，以支溝為單元的防、淤、種模式。以上4種模式有其獨(dú)立性，也可結(jié)合使用。4種生產(chǎn)運(yùn)行模式的綜合應(yīng)用可有效化解韭園溝小流域的洪水和泥沙問題，充分發(fā)揮壩系的整體防護(hù)功能，最大限度地控制和利用雨洪資源，既能解決壩系防洪、攔泥和生產(chǎn)之間的矛盾，又有助于形成壩系良性、可持續(xù)發(fā)展的格局。

3.3壩系相對穩(wěn)定分析壩系相對穩(wěn)定系數(shù)是針對某一條小流域的壩系而言的，其計(jì)算公式中小流域壩系內(nèi)的最小淤地面積取兩種計(jì)算方法的較大者，計(jì)算公式為S1=F×M（δ1×γ）（1）S2=WPδ2（2）Bc=0.01SmaxF（3）式中：S1為根據(jù)流域面積計(jì)算的小流域壩系內(nèi)的最小淤地面積，單位hm2；F為壩系控制的流域面積，單位km2；M為小流域年土壤侵蝕模數(shù)，單位萬tkm2；δ1為允許每年淤積泥沙厚度，單位m；γ為泥沙密度，單位tm3；S2為根據(jù)洪水總量計(jì)算的小流域壩系內(nèi)的最小淤地面積，單位hm2；WP為洪水設(shè)計(jì)頻率為P時的洪水總量，單位萬m3；δ2為壩地允許的積水深度，單位m；Bc為壩系相對穩(wěn)定系數(shù)；Smax為S1和S2的較大者，單位hm2。根據(jù)研究，陜北地區(qū)壩系相對穩(wěn)定系數(shù)的臨界值為0.04～0.05，即壩地面積與流域面積之比為125～120。根據(jù)以上公式對韭園溝流域內(nèi)壩系進(jìn)行分析研究，按大型壩200 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)、中型壩50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其相對穩(wěn)定系數(shù)，14個支溝單元壩系相對穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果見表4。

根據(jù)壩系相對穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果，韭園溝小流域內(nèi)27座大型壩在200 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下均可達(dá)到相對穩(wěn)定，40座中型壩中25座在50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下可達(dá)到相對穩(wěn)定；15個單元壩系中有4個達(dá)到相對穩(wěn)定，有11個接近相對穩(wěn)定；韭園溝小流域壩系整體相對穩(wěn)定系數(shù)為124，也達(dá)到相對穩(wěn)定。小流域壩系相對穩(wěn)定是當(dāng)前水土保持高質(zhì)量發(fā)展對淤地壩高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是黃土高原小流域溝道壩系治理的必然結(jié)果。在當(dāng)前黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的要求下，作為黃土丘陵溝壑區(qū)的典型和代表性壩系，韭園溝小流域正在逐漸實(shí)現(xiàn)壩系更加穩(wěn)定。同時，通過實(shí)施黃土高原水土保持高質(zhì)量發(fā)展，未來黃土丘陵溝壑區(qū)將有更多的小流域?qū)崿F(xiàn)壩系相對穩(wěn)定的目標(biāo)。

3.4淤地壩壩系高質(zhì)量發(fā)展

3.4.1安全可靠目前韭園溝小流域壩系分布較為合理，從各級溝道建壩庫容看，Ⅲ級溝道庫容最大，溝道數(shù)量多，且多為中型壩，其次是Ⅳ級溝道、Ⅱ級溝道，多為小型壩，Ⅰ級溝道庫容最小。流域布壩密度為2.98座km2，其中小型壩布壩密度為2.04座km2。由此可見，韭園溝淤地壩壩系布局較為均衡。在2017年7月26日綏德發(fā)生特大暴雨的情況下（韭園溝次降水量達(dá)156.1 mm），不僅壩系安全，而且溝內(nèi)群眾生活生產(chǎn)沒有受到明顯影響，壩地玉米長勢良好，保持了穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

3.4.2配套齊全韭園溝小流域壩系內(nèi)27座大型壩和40座中型壩都能起到攔蓄洪水和泥沙的作用，壩體、溢洪道和放水建筑物基本完好，剩余庫容均能滿足設(shè)計(jì)洪水的要求。

3.4.3效益顯著

1）削峰滯洪效益。韭園溝小流域從1953年開展淤地壩試驗(yàn)研究和建設(shè)工作以來，隨著時間推移，壩系內(nèi)壩地面積逐年增加，截至目前已能夠全面控制小流域內(nèi)的洪水和泥沙，攔沙效益非常顯著。治理前流域內(nèi)侵蝕模數(shù)為18 120 t（km2·a），根據(jù)韭園溝徑流站實(shí)測數(shù)據(jù)，2020年侵蝕模數(shù)為2 060 t（km2·a），相比治理前減少了88.63%。綏德站于1953年在韭園溝溝口布設(shè)了徑流泥沙觀測站，通過長期觀測獲得了長序列的水土流失觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)1977年“8·5”與2017年“7·26”兩場暴雨觀測數(shù)據(jù)（兩場降雨次降水量分別為146.0、156.1 mm），后者比前者次降水量增加了約10 mm，但是次洪水總量卻從853.0萬m3減少到128.9萬m3，減少了84.9%，輸沙量也從764.2萬t減少到13.4萬t，減少了98.2%。與韭園溝小流域相鄰的裴家峁溝小流域，主溝道內(nèi)幾乎沒有建設(shè)淤地壩，流域面積為韭園溝的一半多，淤地壩僅有18座，在2017年“7·26”暴雨中受災(zāi)嚴(yán)重。據(jù)實(shí)測資料，“7·26”暴雨中韭園溝小流域和裴家峁溝小流域降水量接近，但裴家峁溝小流域洪峰流量約為韭園溝小流域的3.5倍，次輸沙模數(shù)約為韭園溝小流域的4.0倍，見表5[8]。

2）經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)2023年韭園溝鄉(xiāng)調(diào)查資料，當(dāng)?shù)貕蔚?、水平梯田、坡耕地糧食單產(chǎn)分別為7 125、4 125、2 250 kghm2，壩地單產(chǎn)分別是水平梯田、坡耕地的1.73和3.17倍。2023年韭園溝小流域壩地已淤面積達(dá)309 hm2，可利用面積達(dá)240.16 hm2，如果按壩地單產(chǎn)計(jì)算，那么韭園溝小流域壩地可年產(chǎn)糧食171.11萬kg，相當(dāng)于760.49 hm2坡耕地的糧食產(chǎn)量。2023年韭園溝小流域平均單產(chǎn)3 120 kghm2、糧食總產(chǎn)量689.39萬kg，較1952年的210 kghm2、98萬kg，分別增長了1 386%和603%；2023年人均糧食產(chǎn)量562 kg、人均農(nóng)業(yè)純收入2 000元，分別較1952年的199.5 kg、114.3元增長了182%和1 650%。3）生態(tài)效益。首先，溝道長流水水量增加。通過實(shí)施小流域綜合治理，尤其是淤地壩攔蓄了大量雨水資源，減緩了洪水流速，補(bǔ)充了地下水資源，溝道長流水水量隨著小流域治理程度提高而逐年增加。根據(jù)韭園溝徑流站觀測數(shù)據(jù)，1954—1964年、1965—1974年、1975—1988年、1989—1998年溝口平均流量分別為0.028、0.036、0.065、0.078 m3s，平均流量逐漸增大，2023年溝口長流水流量為0.2～0.3 m3s。其次，土地利用結(jié)構(gòu)更加合理。1952年韭園溝小流域有農(nóng)耕地面積4 676 hm2，到2023年減少到2 209.6 hm2，減少了52.7%；林草地面積由1952年的150.3 hm2增加到2023年的2 940 hm2，增加了1 856.1%；農(nóng)、林、牧用地比例由1952年的104.8∶2.4∶1.0調(diào)整到2023年的4.5∶5.68∶1.0，土地利用結(jié)構(gòu)趨向合理。4）社會效益。韭園溝小流域以壩系建設(shè)為重點(diǎn)，隨著時間推移，壩地面積不斷增加，而且壩地土肥、墑好，適宜多種作物生長，已成為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基本農(nóng)田。據(jù)調(diào)查，1952—2023年韭園溝小流域農(nóng)耕地面積減少了52.7%，但糧食產(chǎn)量卻增加了6倍多，這不僅與農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步有關(guān)，更與壩地、梯田等高質(zhì)量基本農(nóng)田面積不斷增加有關(guān)。同時，原有農(nóng)耕地逐漸退耕還林還草，進(jìn)一步促進(jìn)了黃土高原增綠、增收、增富[9-10]。由此看來，建設(shè)相對穩(wěn)定的壩系是黃土高原鄉(xiāng)村振興的重要措施。綜上，韭園溝以小流域?yàn)閱卧凑照w規(guī)劃、科學(xué)布局、因地制宜、合理配置的原則，初步建成了工程安全可靠、配套設(shè)施齊全、整體環(huán)境美觀、運(yùn)行管護(hù)到位、綜合效益顯著的高質(zhì)量溝道治理工程。這也證實(shí)了壩系相對穩(wěn)定是淤地壩高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)束語

1）壩系相對穩(wěn)定理論是統(tǒng)籌發(fā)展和安全、體現(xiàn)習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路的科學(xué)理論。采用該理論建設(shè)的小流域壩系，能夠有效利用水沙資源，協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，使其達(dá)到相對平衡。在非汛期保證工程安全的前提下適當(dāng)蓄水，可解決當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活和生態(tài)用水，實(shí)現(xiàn)水資源時空均衡和有效利用；汛期聯(lián)合運(yùn)用、滯洪削峰，可保障下游群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和壩地生產(chǎn)安全；攔泥淤地，逐步實(shí)現(xiàn)溝道川臺化，減輕重力和水力侵蝕，有助于進(jìn)一步降低洪澇災(zāi)害發(fā)生概率和危害，同時長效利用壩地發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)退耕還林還草和生態(tài)環(huán)境改善，形成良性循環(huán)，充分體現(xiàn)了“空間均衡”“系統(tǒng)治理”理念。2）壩系相對穩(wěn)定是淤地壩高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。淤地壩壩系布局是決定壩系能否安全運(yùn)行和高效利用的重要因素，而相對穩(wěn)定的壩系是按照壩系相對穩(wěn)定理論進(jìn)行整體規(guī)劃、科學(xué)布局、合理配置的壩系工程。從頂層設(shè)計(jì)方面根本性化解壩系防洪、攔泥和生產(chǎn)三者之間的矛盾，構(gòu)建起工程安全、生產(chǎn)高效、泥不出溝的良好格局，在經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益等方面對比單壩及一般壩系工程優(yōu)勢明顯，這是高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩建設(shè)的應(yīng)有之義，也是淤地壩高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。3）建設(shè)相對穩(wěn)定的壩系是黃土高原地區(qū)發(fā)展壩系農(nóng)業(yè)、推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的有效途徑。相對穩(wěn)定的壩系壩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率高的根本原因是借助自然力量將大面積上的水沙集中在小面積使用，從而克服了水分、養(yǎng)分短缺對農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制，充分發(fā)揮了黃土高原地區(qū)良好的光、熱條件。同時，通過壩系聯(lián)合調(diào)蓄滯洪，有效減輕了黃土高原地區(qū)短時強(qiáng)降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的不利影響，一定程度上將洪水變成了引洪漫地、增加土地肥力、改善土壤條件的有利資源，保證了壩系農(nóng)業(yè)旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，是黃土高原地區(qū)發(fā)展高質(zhì)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、鞏固脫貧攻堅(jiān)成果、推進(jìn)鄉(xiāng)村振興和保障糧食安全的有效途徑。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 黨維勤，李小兵，郝魯東，等.綏德站建站70年對水土保持試驗(yàn)研究的啟示及未來研究方向分析[J].中國水土保持，2022（10）：5-9.

[2] 黨恬敏，黨維勤，李小兵，等.新時期淤地壩及其壩系高質(zhì)量發(fā)展的新路徑[J].水利發(fā)展研究，2022，22（2）：58-65.

[3] 黨維勤，崔樂樂，郝魯東，等.黃土高原辛店溝水保示范園探索[J].中國水利，2021（16）：40-42，47.

[4] 黨恬敏，王超，李小兵，等.黃土高原老舊淤地壩提升改造投資分析研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2024（2）：92-98，102.

[5] 陳祖煜.黃土高原壩田綠色走廊建設(shè)的構(gòu)思與實(shí)踐[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2022（9）：1-5，126.

[6] 黨維勤，黨恬敏，高璐媛，等.黃土高原淤地壩及其壩系試驗(yàn)研究進(jìn)展[J].人民黃河，2020，42（9）：141-145，160.

[7] 黨維勤.加強(qiáng)黃土高原基層水土保持研究工作的建議與思考[J].中國水利，2019（21）：6-8.

[8] 黨維勤，郝魯東，高健健，等.基于“7·26”暴雨洪水災(zāi)害的淤地壩作用分析與思考[J].中國水利，2019（8）：52-55.

[9] 黨維勤，連增蛇，劉曉軍，等.粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程存在問題及對策[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2009（3）：39-41.

[10] 黨維勤，鄭寶明，肖學(xué)謙，等.水土保持工程施工階段的設(shè)計(jì)變更[J].中國水利，2007（22）：43-44.

收稿日期： 2024-03-15

基金項(xiàng)目： 水利部重大科技項(xiàng)目（SKS-2022092）；陜西省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)（SXLK2021-0206）；黃河水利委員會綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站科技項(xiàng)目（hsk2019-A-01）

第一作者： 劉立峰（1978—），男，陜西米脂人，高級工程師，學(xué)士，站長，主要從事水土保持試驗(yàn)研究和示范推廣。

通信作者： 黨維勤（1966—）男，陜西綏德人，教授級高級工程師，碩士，主要從事水土保持試驗(yàn)研究工作。

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（責(zé)任編輯李楊楊）