近期黄河潼关以上地区淤地坝拦沙量初步分析

李景宗 刘立斌

摘要：进入21世纪以来，黄河泥沙显著减少，潼关水文站实测输沙量由1919-1959年的平均15.92亿t减少到2000-2012年的平均2.76亿t。黄河流域已建淤地坝58099座，分布在黄土高原的千沟万壑，具有显著的拦沙减蚀作用。依据第一次全国水利普查、水利部淤地坝大检查等基础数据，初步分析了2000-2012年黄河潼关以上地区淤地坝拦沙减蚀作用。结果表明：①2000-2012年黄河潼关以上淤地坝年均拦沙减蚀量为4.50亿t，其中年均拦沙量为3.75亿t、减蚀量为0.75亿t。同期潼关以上地区5520座骨干坝的年均拦沙减蚀量为2.05亿t，其中年均拦沙量为1.71亿t、减蚀量为0.34亿t；50935座中小型淤地坝的年均拦沙减蚀量为2.45亿t，其中年均拦沙量为2.04亿t、减蚀量为0.41亿t。②淤地坝拦沙减蚀作用对2000-2012年黄河泥沙减少的贡献率为34%。

关键词：水沙变化；拦沙减蚀；水利普查；淤地坝；发关以上；黄土高原；黄河

中图分类号：P333.4；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.001

黄河是举世闻名的多沙河流，水少沙多、水沙关系不协调是黄河区别于其他江河的基本特征，也是黄河复杂难治的症结所在。黄河水沙变化不仅关系到治黄方略的确定、流域水沙资源的配置与管理以及重大水利工程的布局，而且事关国家安全、经济安全、能源安全、粮食安全和生态安全。进入21世纪以来，黄河水沙发生了显著变化，尤其是黄河潼关水文站实测多年平均输沙量由1919-1959年的15.92亿t减少到2000-2012年的2.76亿t，减幅达82.7%[1]。影响黄河水沙变化的主要因素包括气候、水利工程、生态建设工程和经济社会发展等4类，其中生态建设工程包括水土流失综合治理、生态修复、退耕还林还草和生态移民等。在水土流失综合治理措施中，淤地坝具有显著的拦沙作用，是黄河泥沙减少的主要因素之一。笔者在第一次全国水利普查、水利部淤地坝大检查等基础数据的基础上，初步分析了2000-2012年黄河潼关以上地区淤地坝的拦沙情况，以期为科学认识黄河水沙变化提供参考依据。

1 淤地坝数量及其相关指标

新中国成立以来，黄河流域黄土高原地区一直是我国水土保持工作的重点地区。因淤地坝建设速度快、拦减人黄泥沙作用明显，故淤地坝建设一直是黄土高原水土保持工作的重中之重。尤其是21世纪初，作为黄土高原水土流失综合治理的亮点工程，淤地坝建设进入一个新的阶段。对于黄河流域的淤地坝数量，近20 a来，结合黄河流域两次规划工作及其他工作，对淤地坝的数量进行了多次统计，形成了以下4套数据。

（1）《黄河近期重点治理开发规划》数据。根据国务院批复的《黄河近期重点治理开发规划》（国函[2002]61号），截至2000年年底，黄河流域建成骨干坝1390座，中小型淤地坝11.2万座，合计113390座。

（2）《黄河流域综合规划》（2012-2030年）数据。按照国务院的统一部署，2007-2012年开展了黄河流域综合规划工作，黄委组织各省（区）对黄河流域的淤地坝进行了详细统计。截至2007年年底，黄河流域建成骨干坝5399座，中小型淤地坝84990座，合计90389座。国务院于2013年批复了《黄河流域综合规划》（2012-2030年）（国函[2013]34号）。

（3）水利部淤地坝大检查数据。2009年，水利部组织开展了全国淤地坝大检查，黄河流域有关省（区）详细统计了本地区截至2009年年底的骨干坝数量。在此基础上，黄委水土保持局根据各省（区）2010-2012年淤地坝建设情况，统计得到2012年年底黄河流域建成的骨干坝数量为6 154座。据统计，1970-1979年建成的骨干坝为1 275座，1980-1999年建成的骨干坝为1256座，2000-2011年建成的骨干坝为3056%，其中2006-2011年建成的骨干坝为1751座。

（4）第一次全国水利普查成果。根据第一次全国水利普查统计结果，截至2011年年底，黄河流域淤地坝总数为58099座，其中骨干坝为5655座、中小型淤地坝52444座。

综合分析以上各时期骨干坝统计数据，第一次全国水利普查数据与《黄河流域综合规划》（2012-2030年）、水利部淤地坝大检查的统计数据相差不大。对于中小型淤地坝统计数据，第一次全国水利普查数据、《黄河流域综合规划》（2012-2030年）数据、《黄河近期重点治理开发规划》数据之间的差别很大，见表1。

与黄河流域有关省（区）水土保持部门座谈得知，第一次全国水利普查成果较其他成果偏小的原因是地方有关部门统计时没有统计上报已淤满的中小型淤地坝数量。根据华北水利水电大学2014年完成的《黄土高原地区淤地坝工程建设项目后评价报告》，黄河流域2003-2010年建设中小型淤地坝6 687座。若以《黄河近期重点治理开发规划》2000年统计的淤地坝数量为基数，计入2001-2011年期间建设的淤地坝，则到2011年年底黄河流域已建成的中小型淤地坝接近12万座，第一次全国水利普查统计的中小型淤地坝数量（52444座）与之相比，减少了67556座。据此认为，在开展第一次全国水利普查时，黄河流域已淤满67556座中小型淤地坝。因此，笔者认为，第一次全国水利普查统计的52444座中小型淤地坝在2011年之前仍发挥着一定的拦沙减蚀作用。

为客观分析2000-2012年黄河潼关以上地区淤地坝的拦沙减蚀作用，本次以淤地坝统计数量相对较少的第一次全国水利普查成果为基础，参考水利部淤地坝大检查成果进行综合分析[1]。根据第一次全国水利普查成果，截至2011年底，黄河潼关以上淤地坝总数为56455座，其中骨干坝5520座、中小型淤地坝50935座；黄河流域骨干坝总控制流域面积3万km2，总库容57.01亿m3，已淤积库容23.47亿m3，约占总库容的41%，主要集中在陕西省，已淤积库容接近18亿m3；潼关以上骨干坝总控制流域面积 2.91万km2，总库容55.75亿m3，总淤积量约22.50億m3，按淤积物干容重1.35计算，淤积量为30.375亿t。

2 淤地坝拦沙减蚀机理

淤地坝对其上游控制流域范围土壤侵蚀及输沙的影响表现为：不仅直接拦截了来自上游沟道及坡面输送下来的大量泥沙，减少了可能进入下游的泥沙输移量，而且至为重要的是，随着淤地坝的淤积抬高，在其上游逐渐形成新的均衡淤积剖面，逐步抬高了其控制区域的局部侵蚀基准面，使淤地坝上游沟谷及其两侧沟坡的土体滑动面减小，土体抗滑稳定性增强（见图1），土壤侵蚀的势能逐步降低，侵蚀作用随之减弱，从而控制了沟头前进和沟岸崩塌扩张。这便是淤地坝拦沙减蚀的力学机理，也是淤地坝之所以在水土保持诸措施中对减少进入流域下游入黄泥沙能够起到极其显著作用的最根本原因。

坝地淤积泥沙淤埋沟床及其附近沟坡的结果一般可使近坝段的沟坡长度从40～60m缩短为20～40m，从而使原来侵蚀最为严重的沟谷和沟床发生重力侵蚀的概率大大降低。同时，修建淤地坝还能减缓地表径流。首先，淤地坝阻断了沟道纵向坡长及其连续性，使得沟道汇流要素——坡长和糙率均发生了变化；其次，淤地坝在运用后期，随着坝地形成，地势趋于平缓，沟道纵比降减小。因此，在同等降雨条件下，形成的汇流流速减小，水流挟沙力减小，从而造成洪水泥沙在坝地落淤。淤地坝对下游的影响是改变了下游沟道的水沙条件，特别是在淤地坝运行的初期，当大部分淤地坝还保留有淤积库容和防洪库容时，淤地坝削减洪峰的作用非常明显，减轻了径流对下游沟道的冲刷。总之，淤地坝对沟道及其所在小流域地貌演化的影响是系统性的，通过拦截泥沙，抬高侵蚀基准面；通过调整（降低）沟道流水的侵蚀能量，引起沟道比降的调整，进而减少侵蚀。

从淤地坝构建及其生产运行的发展阶段来看，对于淤积量尚未达到设计淤积（拦沙）库容的淤地坝，在淤地坝设计标准以内的洪水泥沙几乎全部被拦蓄（含减蚀作用）；对于淤积量已经超过设计淤积库容的淤地坝，防洪库容满足防洪保安要求，坝体尚具备加高条件的（地形地貌上一般均具备），出于进一步拦沙淤地造田的需要，设计标准以内的洪水泥沙，大部分依然会被拦蓄，同时发挥减蚀作用；对于已经完全淤满（无加高条件，且防洪库容已不满足设计保安要求）的淤地壩，其拦沙功能类似梯田，客观上还能起到一定的迟滞和拦蓄泥沙作用，此时淤地坝仅发挥减蚀作用。

3 淤地坝年均拦沙量初步分析

3.1 基于基本概念的淤地坝拦沙量算法分析

（1）依据基本概念，单座淤地坝的次暴雨可能拦沙量为

Vh，i=Vd，i （1）式中：Vh，i为某座淤地坝次暴雨拦沙量，t；Vd，i为某座淤地坝次暴雨实际淤积量，t。

（2）N座淤地坝次暴雨的可能拦沙量为式中：Vh，为N座淤地坝次暴雨的拦沙量，t；Vd，N为N座淤地坝次暴雨的实际淤积量，t。

（3）N座淤地坝某年可能的拦沙量为式中：Vh，N，y为N座淤地坝年拦沙量，t； Vd，N，y为N座淤地坝年实际淤积量，t；T为一年中的降雨产沙次数。

（4）M年内N座淤地坝年均可能的拦沙量为式中：Vh，M为N座淤地坝M年的年均拦沙量，t；M为拦沙年限。

需要说明的是，式（4）是基于N座淤地坝都是同年建成投入使用的情况。实际上，黄土高原各支流淤地坝建成并投入使用的时间不同，所以就某个小流域或支流而言，M只能按加权平均拦沙年限来概化计算，而∑Vd，N，y即是某个小流域或支流所有各单坝在拦沙年限内的累计淤积量，可以通过实测淤积高程，利用淤地坝的坝高一淤地面积一库容曲线求得。

3.2 骨干坝年均拦沙量计算

由于缺乏每座骨干坝的年拦沙量监测数据及淤积测量数据，因此不能直接计算骨干坝的年均拦沙量。第一次全国水利普查成果中统计了每座骨干坝的累计淤积量，但没有调查统计每座坝建成投入运用的时间，无法直接计算年均拦沙量。水利部淤地坝大检查统计数据中有每座坝的总库容、设计拦沙库容和建成投入运用的时间。因此，根据水利部淤地坝大检查统计的每座骨干坝的实际拦沙运用年限，计算各省（区）及主要支流淤地坝发挥拦沙作用的加权平均拦沙年限，再根据并利用第一次全国水利普查成果中各主要支流骨干坝累计淤积量除以上述平均拦沙年限，以此推求骨干坝的年均拦沙量。

依据第一次全国水利普查和水利部淤地坝大检查数据，计算出潼关以上各主要支流骨干坝的加权平均拦沙年限，结果表明黄河上中游主要支流骨干坝的平均拦沙年限为7～25a。根据第一次全国水利普查成果，统计各主要支流的已淤积库容，除以平均拦沙年限，乘以淤积物干容重，即可计算出各主要支流骨干坝的多年平均拦沙量。

根据第一次全国水利普查成果统计，截至2011年年底，潼关以上地区36条主要支流已建骨干坝4775座，控制流域面积24553km2，已淤积库容为20.21亿m3（淤积物干容重采用1.35t/m3，合27.28亿t）。按上述计算方法求得潼关以上36条支流骨干坝年均拦沙量为1.48亿t，平均每座坝年均拦沙量为3.1万t，见表2（头龙区间指头道拐一龙门区间，龙潼区间指龙门—潼关区间）。

截至2011年年底，潼关以上地区共建成骨干坝5520座，按照骨干坝数量比例推算，潼关以上地区骨干坝多年平均拦沙量为1.71亿t，可视为2000-2012年骨干坝的年均拦沙量。

3.3 中小型淤地坝年均拦沙量计算

采用中小型淤地坝的年均拦沙模数乘以中小型淤地坝的控制流域面积，估算各主要支流中小型淤地坝的年均拦沙量。由于缺乏中小型淤地坝的淤积量和建设时间资料，因此本文参考骨干坝的相关资料估算中小型淤地坝的年均拦沙模数。根据水利部淤地坝大检查数据和第一次全国水利普查数据，统计典型支流2000-2004年建成的骨干坝截至2011年的年均拦沙量，除以骨干坝的控制面积，得出各典型支流骨干坝控制范围内的年均拦沙模数，以此作为各主要支流中小型坝的年均拦沙模数。

根据水利部淤地坝大检查资料、2003-2008年的200多条小流域坝系可行性研究资料及以往调查成果分析，推算中小型淤地坝的单坝控制面积为0.73～0.97km2，本次分析按平均0.8km2计算。

根据黄委水土保持局掌握的相关资料统计，2000年后建成的中小型淤地坝约0.7万座，1980-2000年建成的中小型淤地坝约0.4万座，其余约4.14万座中小型淤地坝均在1980年前建成。据调查统计分析，1980年前建成的中小型淤地坝尚有50%左右仍发挥拦沙作用，1980年以后建成的中小型淤地坝有90%左右发挥拦沙作用，由此推算2000-2012年中小型淤地坝发挥拦沙作用的比例约为60%。

经计算，2000-2012年潼关以上地区36条典型支流建有38081座中小型淤地坝，考虑60%发挥拦沙作用，其年均拦沙量为2.05亿t。截至2011年年底，潼关以上地区共建成中小型淤地坝50935座，按照中小型淤地坝数量比例推算，考虑60%发挥拦沙作用，潼关以上地区中小型淤地坝年均拦沙量约为2.74亿t，可视为2000-2012年中小型淤地坝的年均拦沙量，见表3。

3.4 淤地坝减蚀作用初步分析

淤地壩减蚀作用体现在淤地坝建成或淤满后，在淤地坝控制面积或淤积物覆盖范围内，沟床下切、沟坡崩塌、滑塌及泻溜得到一定程度遏制或消失。淤地坝减蚀作用最明显的是在淤泥面以下部分，原来水土流失最严重的沟谷和沟床，建坝后被泥沙淤埋，从此不再发生土壤侵蚀；淤泥面以上一定范围也由过去的侵蚀型转变为淤积型或平衡型，也大大减少了侵蚀。淤地坝的减蚀作用在淤地坝建成后就已产生，淤满后在没有垮坝的情况下减蚀作用将会持续发挥，减蚀量一般与沟壑密度、沟道比降及沟谷侵蚀模数等因素有关，其数量包括被坝内泥沙淤积物覆盖下的原沟谷侵蚀量和淤泥面以上沟谷侵蚀的减少量。目前，后一部分数据因实测资料极少，故很难确定。

由于缺乏系统的小流域坝系原型观测资料，因此目前淤地坝减蚀作用的定量分析方法尚不成熟。为简化计算，笔者根据有关研究成果，按淤地坝拦沙量乘以减蚀百分数计算淤地坝的减蚀量。刘勇等[2]根据泾河南小河沟小流域1961-1990年的实测资料进行了淤地坝减蚀作用分析，结果表明受局部沟段坝地固沟作用的影响，南小河沟小流域的沟蚀量减轻了16.2%；冉大川等[3]在以往有关研究成果的基础上，经过对有关资料的进一步整理和回归分析，得出南小河沟小流域1970-2004年治沟骨干工程的总减蚀量占其总拦沙量的20.9%；张永轩等对无定河二级支流王茂沟小流域淤地坝减蚀作用进行了分析，发现减蚀量占拦沙量的19.5%；唐克丽等[4]根据1959-1989年的资料，对无定河赵石窑以上坝地的减蚀作用进行了分析，结果表明赵石窑以上坝库年均减蚀量占赵石窑水文站同期多年平均输沙量的20.8%。综合以上有关黄河中游黄土高原地区不同尺度流域淤地坝减蚀作用分析的结果，本文按减蚀量占年均拦沙量的20%计算淤地坝的年均减蚀量。

截至2011年年底，黄河潼关以上地区淤地坝总数为56455座，根据上述分析估算，2000-2012年黄河潼关以上5520座骨干坝年均拦沙量为1.71亿t；50935座中小型淤地坝考虑60%发挥作用条件下的年均拦沙量为2.04亿t。按照淤地坝拦沙量的20%计算减蚀量，则2000-2012年潼关以上地区淤地坝年均减蚀量为0.75亿t，其中骨干坝年均减蚀量为0.34亿t、中小型淤地坝年均减蚀量为0.41亿t。计入减蚀量，2000-2012年潼关以上地区淤地坝年均拦沙减蚀总量为4.50亿t。

4 结论和认识

（1）淤地坝建设成效显著。经过几十年坚持不懈的努力，黄河流域黄土高原地区建设了10余万座淤地坝。截至2011年，仍有58 099座淤地坝发挥着一定的拦沙减蚀作用，其中潼关以上地区仍有56455座淤地坝发挥着一定的拦沙减蚀作用。

（2）淤地坝拦沙减蚀作用明显。综合第一次全国水利普查数据和水利部淤地坝大检查统计数据及其他有关资料初步分析，2000-2012年黄河潼关以上淤地坝年均拦沙减蚀量为 4.50亿t，其中年均拦沙量为3.75亿t，减蚀量为0.75亿t。2000-2012年潼关以上地区5520座骨干坝的年均拦沙减蚀量为2.05亿t，其中年均拦沙量为1.71亿t、减蚀量为0.34亿t；潼关以上地区50935座中小型淤地坝的年均拦沙减蚀量为2.45亿t，其中年均拦沙量为2.04亿t、减蚀量为0.41亿to

（3）淤地坝拦沙减蚀作用是近期黄河泥沙减少的主要原因之一。2000-2012年黄河潼关站实测年均输沙量为2.76亿t，与1919年一1959年实测年均输沙量（15.92亿t）相比，年均减少13.16亿t。初步分析2000-2012年淤地坝年均拦沙减蚀量为4.50亿t，对该时段黄河泥沙减少的贡献率为34%。

参考文献：

[1]水利部黄河水利委员会.黄河水沙变化研究[R].郑州：水利部黄河水利委员会，2015：20-21.

[2]刘勇，贾西安，杜守君.南小河沟流域治沟骨干工程的固沟保土作用[J].中国水土保持，1992（12）：42-44.

[3]冉大川，刘斌，王宏，等.黄河中游典型支流水土保持措施减洪减沙作用研究[M].郑州：黄河水利出版社，2006：70-72.

[4]唐克丽，熊贵枢，梁季阳，等.黄河流域的侵蚀与径流泥沙变化[M].北京：中国科学技术出版社，1993：195-209.