近10a来十大孔兑现状淤地坝拦沙作用分析

王丽云 马振刚 高云飞 乔楠 屈创 王晓星

摘要：十大孔兑流域水土流失严重，是黄河粗泥沙的重要来源区，但2000年以来该区入黄沙量锐减。利用2017年初的淤地坝详查数据，分析了十大孔兑现状淤地坝数量与时空分布，并计算了近10a淤地坝拦沙量，估算了未来拦沙潜力和剩余拦沙寿命。结果表明：截至2016年年底，十大孔兑共有淤地坝359座，其中骨干坝149座、中型坝117座、小型坝93座，建成时间集中于1995-2000年、2005-2010年两个时期，73.5%的淤地坝分布在毛不拉、西柳沟和罕台川；2007-2016年，十大孔兑淤地坝的实际拦沙量为2627.56万t。现有骨干坝拦沙潜力为11444.81万t，平均剩余拦沙寿命为68a；中型坝拦沙潜力为1782.61万t，平均剩余拦沙寿命为23a；小型坝拦沙潜力为482.94万t，平均剩余拦沙寿命为46a。

关键词：数量；空间分布；拦沙量；淤地坝；十大孔兑

中图分类号：P333 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.020

淤地坝是指在沟道中修筑的以拦泥、缓洪、淤地造田、发展生产为目的的水土保持工程设施[1]。按总库容可分为大、中、小三种类型，其中：大型淤地坝也称治沟骨干工程（以下简称骨干坝），总库容一般在50万m3以上；中型坝总库容一般为10万～50万m3；小型坝总库容一般为1万～10万m3。淤地坝对于抬高沟道侵蚀基准面、防治水土流失、减少入黄泥沙等具有重要作用[2]。

十大孔兑流域水土流失严重，是黄河粗泥沙的重要来源区[3]。2000年以来，该区入黄沙量锐减，其中西柳沟和毛不拉孔兑2010-2017年的入黄沙量较1960-2000年分别减少85%、97%。在此背景下，现状淤地坝的实际拦沙作用尤其引入瞩目[4]。基于实测数据，本文分析了现状淤地坝的数量及空间分布，计算了近10a的实际拦沙量，并估算了未来淤地坝的拦沙潜力和拦沙寿命，以期为阐明孔兑入黄沙量减少的原因提供技术支持。

1 研究区概况与基础数据

十大孔兑位于黄河流域内蒙古鄂尔多斯市北部，自西向东依次为毛不拉、卜尔色太沟、黑赖沟、西柳沟、罕台川、壕庆河、哈什拉川、木哈尔河、东柳沟、呼斯太河，流域涉及鄂尔多斯市杭锦旗、达拉特旗、东胜区和准格尔旗4个旗（区）[5]。十大孔兑区间长度约210km，流域总面积10767km2，水土流失面积8803km2，其中风水交错侵蚀区面积8363km2。十大孔兑上游属丘陵沟壑区，水土流失严重；中游为风沙区，风蚀沙化严重；下游为洪积、冲积平原，堤防老化失修。十大孔兑山洪频发，易形成沙坝，严重威胁着黄河内蒙古段防洪防凌安全[6]。

内蒙古鄂尔多斯市水保部门于2017年初对境内淤地坝进行了详细调查，截止时间为2016年12月31日，调查内容包括淤地坝的数量、建成时间、总库容和已淤积库容等，此次调查投入了大量的人力和物力，工作认真严谨，数据具有较强的可信度。基于该数据，本文对十大孔兑淤地坝的时空分布及其2007-2016年的实际拦沙量进行了分析。2现状规模与时空分布

截至2016年年底，十大孔兑共有淤地坝359座，总库容约16248万m3。其中：骨干坝149座，总库容约13541万m3；中型坝117座，总库容约2165万m3；小型坝93座，总库容约542万m3。

十大孔兑不同时期、不同类型淤地坝的建成数量见表1，历年建成的淤地坝数量见图1。十大孔兑骨干坝、中型坝、小型坝建成时间的分布趋势基本一致，集中在1995-2000年与2005-2010年，2011年以后以骨干坝为主，中型坝、小型坝建设较少。其中：骨干坝的23.5%建成于1995-2000年，45.6%建成于2005-2010年；中型坝的15.4%建成于1995-2000年，75.2%建成于2005-2010年；小型坝的20%建成于1995-2000年，80%建成于2005-2010年。1995-2000年淤地坝主要由世行贷款项目和国家下达计划修建；2003年后，淤地坝被作为水利部“亮点工程”，出现了淤地坝修建高潮；2010年4月，水利部和内蒙古自治区政府联合批复了《黄河内蒙古段十大孔兑治理规划》，进一步推进了淤地坝的建设。

十大孔兑现状淤地坝的空间分布情况见图2，可知73.5%的淤地坝集中分布在毛不拉、西柳沟和罕台川3条支流，其中毛不拉占18.7%、西柳沟占29.5%，罕台川占25.3%。在149座骨干坝中，21.7%分布于毛不拉，26.8%分布于西柳沟，24.2%分布于罕台川；在117座中型坝中，20.5%分布于毛不拉，26.5%分布于西柳沟，25.6%分布于罕台川；在93座小型坝中，37.6%分布于西柳沟，26.9%分布于罕台川，20.4%分布于呼斯太河。

3 2007-2016年拦沙量分析

有关学者在以往的研究中通常利用坝地面积推算淤地坝在某时段的拦沙总量或年均拦沙量，其原理：获取时段初和时段末的坝地面积，并计算与坝地面积相对应的淤积体积，淤积体积之差即为淤地坝在该时段内的拦沙总量[7-8]。该方法思路清晰，但各地沟道地形千差万别，故基于坝地面积推算淤积体积是其难点，而且研究区缺乏淤地坝在2007年初的坝地面积数据。为摸清十大孔兑淤地坝在2007-2016年的实际拦沙量，笔者探索采用了新的计算方法。

前文提到，水保部门现已摸清了十大孔兑每座淤地坝的建成时间和库容信息，并实测了每座淤地坝截至2016年年底的淤积总量。基于此，笔者将十大孔兑淤地坝按“建成时间”分成两组，即2006年及以前建成者（簡称旧坝）和2007年及以后建成者（简称新坝），然后分别分析其在2007-2016年的实际拦沙量。对于新坝，其实测的淤积总量显然即为2007-2016年的淤积量。统计表明，2007年以后建成的骨干坝、中型坝和小型坝分别有67座、62座、33座，分别占十大孔兑现状大、中、小型淤地坝总量的45%、53%、35%。如何识别旧坝在2007-2016年的实际淤积量是本研究的难点，原因是本次实测的各坝淤积量实际上是该淤地坝自建成到2016年年底的淤积总量，即包括了2006年及以前的淤积量。

经分析十大孔兑淤地坝的建成时间发现，旧坝中骨干坝、中型坝和小型坝分别为82座、55座、60座，而2006-2008年建成的骨干坝、中型坝和小型坝分别为35座、28座、35座。该结果为推算旧坝在近10a的实际拦沙量提供了重要途径：

（1）将2006-2008年建成的淤地坝在过去10a的“单坝年均淤积量”作为旧坝在同期的单坝年均淤积量，骨干坝、中型坝、小型坝分别为0.87万、0.51万、0.09万m3/a。由于作为样本的“2006-2008年淤地坝”数量几乎为旧坝数量的一半，因此该处理方式可行。

（2）在旧坝中识别出近10a仍能发挥拦沙作用的数量，称为“有效淤地坝”。然后，将该数量与样本淤地坝的“单坝年均淤积量”相乘，即可得到旧坝在近10a的年均总淤积量。

如何识别近10a仍能发挥拦沙作用的淤地坝，也是需要解决的关键问题。众所周知，淤地坝拦沙功能的实现主要取决于库容，当泥沙淤积达到可淤积库容的最大值后即失去拦沙能力。水利部于2009年开展了黄土高原淤地坝安全大检查，从检查结果中发现，各省（区）均存在较多淤地坝的“已淤库容”超过“设计拦泥库容”的现象，即淤地坝在淤积量达到设计拦泥库容后仍在发挥拦沙作用。因此，若根据设计资料直接将设计拦泥库容作为淤地坝拦沙功能失效的判断标准，则与现实情况存在偏差[9-10]。要准确评估现存淤地坝的拦沙作用，就必须进一步确定现状淤地坝拦沙功能失效的判断标准。本文采用高云飞等[9]在研究陕北黄河中游淤地坝拦沙功能时确定的黄土高原淤地坝拦沙功能失效判断标准，即将平均淤积比例（已淤库容/总库容）0.77、0.88分别作为现状骨干坝、中小型坝拦沙功能失效的判断标准。以此标准进行检验，在十大孔兑现状骨干坝、中型坝和小型坝中，极可能分别有1座、2座和5座已基本失去拦沙能力，该数量占总量的比例极小，说明十大孔兑流域的淤地坝总体处于“青壮年期”。

基于以上方法给出了十大孔兑现状淤地坝在2007-2016年的总淤积量和年均淤积量（见表2），其中淤积体容重按1.3t/m3计算。由表2可知，十大孔兑近10a拦沙总量为2627.56万t，其中：骨干坝拦沙1848.94万t，占拦沙总量的70.36%；中型坝拦沙672.54万t，占拦沙总量的25.60%；小型坝拦沙106.08万t，占拦沙总量的4.04%。在十大孔兑淤地坝近10a的拦沙量中，西柳沟、罕台川和毛不拉这3条孔兑的年均拦沙量分别为98.1万、62.3万、39.7万t/a，合计占十大孔兑拦沙量的76%。

从以上分析过程可见，由于占现状淤地坝数量近50%的新坝的拦沙量为实测结果，推算旧坝拦沙量所采用的样本淤地坝数量也几乎为旧坝总量的50%，因此表2给出的淤积量结果是基本可靠的。

4 未来淤地坝的拦沙潜力和拦沙寿命

淤地坝是黄土高原地区防治水土流失的关键措施，也是改善生态环境及农业生产、农村生活条件，发展农村经济的重要基础工程，在黄土高原地区具有极其重要的战略地位和不可替代的作用。按淤地坝建设时序，大体经历了试验示范、全面推广、大力发展、巩固提高、坝系建设5个阶段。估算现状淤地坝的拦沙潜力和拦沙寿命对淤地坝的规划实施有着重要作用。

按2007-2016年的淤积速率测算现有骨干坝、中型坝和小型坝的拦沙潜力和拦沙寿命，拦沙潜力利用可淤积库容与现状已淤积库容的差值计算。由淤地坝拦沙功能失效的判断标准可知，骨干坝可淤积库容为骨干坝总库容的77%，中小型坝可淤积库容为总库容的88%。淤地坝的剩余拦沙寿命自2017年开始，按2007-2016年淤地坝的平均淤积速率测算，即拦沙潜力与平均淤积速率的比值。

经估算，十大孔兑骨干坝剩余可淤积库容为8803.70万m3，拦沙潜力为11444.81万t，平均剩余拦沙寿命为68a；中型坝剩余可淤积库容为1371.24万m3，拦沙潜力为1782.61万t，平均剩余拦沙寿命为23a；小型淤地坝剩余可淤积库容为371.49万m3，拦沙潜力为482.94万t，平均剩余拦沙寿命为46a，见表3。

5 结论

（1）截至2016年年底，十大孔兑共有淤地坝359座，其中骨干坝149座、中型坝117座、小型坝93座，总库容约16248万m3。统计表明，十大孔兑骨干坝、中型坝、小型坝的集中建设期基本一致，集中建成于1995-2000年与2005-2010年，2011年以后以骨干坝为主，中型坝、小型坝建设较少。在空间分布上，十大孔兑流域淤地坝集中分布在毛不拉、西柳沟和罕台川，占淤地坝总数的73.5%。

（2）截至2016年年底，十大孔兑仍有拦沙功能的骨干坝有148座，中型坝有115座，小型坝有88座。近10a拦沙总量为2627.56万t，其中骨干坝、中型坝、小型坝的拦沙量分别为1848.94万、672.54万、106.08万t。

（3）自2017年起，十大孔兑流域骨干坝拦沙潜力为11444.81万t，平均剩余拦沙寿命为68a；中型坝拦沙潜力为1782.61万t，平均剩余拦沙寿命为23a；小型坝拦沙潜力为482.94万t，平均剩余拦沙寿命为46a。

参考文献：

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