近年无定河流域淤地坝拦沙作用研究

韩向楠 谢世友 高云飞

摘要：为掌握无定河流域近年淤地坝的拦沙作用，运用最新的统计资料和实测数据，分析了无定河流域截至2017年淤地坝的数量、时空分布及2011-2017年发挥拦沙作用的淤地坝数量，在此基础上计算了2011-2017年无定河流域淤地坝的拦沙量。结果表明：截至2017年，无定河流域淤地坝共11602座，其中骨干坝1155座、中型坝3747座、小型坝6700座，主要分布在中下游的黄土丘陵沟壑区;截至2011年，无定河约72%的淤地坝已失去拦沙功能，发挥拦沙作用的骨干坝、中型壩、小型坝分别为658座、1756座、810座;2011-2017年，无定河流域淤地坝年均拦沙4134.23万t，其中骨干坝拦沙量占51.32%。

关键词：淤地坝;拦沙量;水土保持;无定河流域;黄土高原

中图分类号：S157.2;TV882.1 文献标志码：A

黄河是著名的多沙河流，泥沙主要来源于中游的多沙粗沙区，无定河是多沙粗沙区支流之一。1970年以前，无定河流域的水沙过程受人类活动的影响较小，年均输沙量为2.168亿t，占同期潼关水文站输沙量的13.33%。2000年以来，无定河的输沙量呈显著减少趋势。据有关研究[1-3]，黄河输沙量减少的关键因素是人类活动，人类活动主要表现为一系列水利水保措施，包括造林、种草、建设梯田、修筑淤地坝等。黄土丘陵沟壑区的泥沙主要来源于沟道[4]，其产沙量约占流域产沙量的60%O，而淤地坝是减少沟道产沙的重要水土保持措施。淤地坝是指在小流域沟道中修建的以滞洪拦泥和淤地造田为目的的水土保持工程，通常按总库容的大小对其进行分类：总库容大于50万m³的淤地坝称为骨干坝（治沟骨干工程、大型淤地坝），总库容为10万～50万m³的淤地坝称为中型淤地坝，总库容为1万～10万m³的淤地坝称为小型淤地坝。据第一次全国水利普查[5]，截至2011年黄土高原共有58466座淤地坝，其中骨干坝5 655座、中小型坝5.2万座。此前，有关学者针对淤地坝的拦沙减蚀机理[6-7]、时空分布情况[8]、拦沙量与减蚀量的计算方法[9-11]、历年减沙量调查[1-2，12-15]、拦沙效应的时间变化[16]、淤满标准与判定[17]等开展了大量研究，但仍存在一些亟待回答的问题，如现有多少淤地坝已失去拦沙能力、近年淤地坝到底拦了多少泥沙？本研究利用最新统计数据和实测数据，在分析无定河流域现状淤地坝时空分布特征的基础上，计算了2011-2017年无定河流域淤地坝的逐年拦沙量，以期为黄土高原水土流失治理提供科学参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

无定河位于毛乌素沙地南部、黄土高原北部，发源于陕西省定边县的白于山，流经内蒙古乌审旗、鄂托克前旗及陕西省靖边、横山、榆阳、米脂、绥德、子洲等县（区），于清涧县汇入黄河，干流全长491km，流域面积30261km²。流域内降雨多集中在6-9月，且多暴雨，在空间分布上比较均匀，由北向南略有增加。地处干旱半干旱气候的过渡地区，受西北季风和毛乌素沙地东移影响，无定河上游为风沙区，以风力侵蚀为主，侵蚀模数较小;中下游为黄土丘陵沟壑区第一副区，黄土层深厚，受流水侵蚀影响，沟壑发育，侵蚀剧烈。全流域水土流失面积达23137km²，占流域总面积的76.5%，多年平均侵蚀模数在10000t（km²·a）以上[12]。

1.2 数据来源

（1）黄土高原淤地坝安全大检查数据。2009年水利部在黄土高原开展淤地坝安全大检查，详尽地统计了各省（区）截至2009年每座骨干坝和中型坝信息，内容包括淤地坝所在的行政区、建坝时间、坝高、控制面积、总库容、已淤积库容、经纬度等。

（2）第一次全国水利普查数据。由水利部组织开展的第一次全国水利普查，得到了截至2011年年底每座骨干坝的坝高、控制面积、总库容、已淤积库容、经纬度等信息，以及按县级行政区统计的中小坝数量。

（3）2011年后各省（区）淤地坝的年报数据，包括每座坝的控制面积、总库容、坝高、经纬度等。

（4）2000-2010年国家计划下达各省（区）的淤地坝建设数量和黄土高原水土保持世界银行贷款项目修建的淤地坝数量等信息。

（5）20世纪90年代陕北淤地坝普查数据，包括延安市和榆林市各县的骨干坝和中小坝的建坝时间、控制面积、总库容、已淤积库容等信息。2无定河流域淤地坝的时空分布

基于水利普查数据、淤地坝安全大检查数据及2011年后各省（区）淤地坝的年报数据，按年代统计无定河骨干坝和中型坝的建坝数量，见表1。

截至2017年，无定河流域共建成骨干坝1 155座，总库容135 507.01万3m，控制面积5 424.08km²：建成中型坝3747座，总库容90 681.89万m³，控制面积4 844.77 k扩。由表1可知：骨干坝建设高峰期为20世纪70年代和2000-2009年，共建成743座骨干坝，占现状骨干坝总数的64%;中型坝建坝高峰期为20世纪60-70年代，共建成2 859座，占现状中型坝总数的76%。

小型坝数据匮乏，缺少单坝控制面积、总库容、坝高等详细信息，目前仅掌握大致的数量。由水利普查数据和2011-2017年各省（区）年报数据可知，截至2017年无定河流域共建成6 700座小型淤地坝。20世纪60-70年代为建坝高峰期，80年代后建坝数量逐渐减少，建坝历程与中型坝类似，但在时间分布上比中型坝更为集中。根据国家计划下达情况和黄土高原水土保持世界银行贷款项目淤地坝建设数据统计，无定河流域1990年后建成的小型坝为810座，1990年及以前建成的小型坝为5 890座。

综上，截至2017年，无定河流域共建成淤地坝11 602座，中型以上淤地坝总库容为22.62亿m³，总控制面积为10268.85km²。无定河大部分淤地坝修建于80年代以前，62%的骨干坝和82%的中型坝建于80年代前，88%的小型坝建于90年代前。

根据现状骨干坝和中型坝的经纬度，分别点绘其空间分布图，见图1（a）、（b）;小型坝由于数据匮乏，因此现只收集到各县（区）的小型坝总数量，按县绘制其空间分布图，见图1（c）。无定河流域的淤地壩主要集中在中下游的黄土丘陵沟壑区第一副区，其中横山、绥德、子洲三县的淤地坝数量最多，分别占无定河流域淤地坝总数的21%、20%和17%;无论是骨干坝、中型坝还是小型坝，在上游风沙区分布都极少，据现有数据统计，该区域淤地坝不到10座。

3 无定河近年拦沙量计算

3.1 拦沙指标

为计算拦沙量，引入年均拦沙指标，将其定义为淤地坝单位控制面积的淤积量，用M表示，单位为万m³/（km²·a）。控制面积可由水利普查数据和淤地坝安全大检查数据得到，淤积量数据通过野外实测获得。实测样本的选择从以下两方面考虑：其一，在建坝时间的选取上，为反映2011-2017年的淤积情况，理论上应当选择2011-2017年新建的淤地坝，但由于2010年后黄土高原地区修建的淤地坝很少，因此为保证样本数量，选择2007年以后新建的淤地坝，并假定2007-2011年年均产沙强度与2011-2017年相同;其二，在空间的选取上，为使选择的样本具有代表性，能准确反映全流域的淤积情况，采取等密度抽样。最终选取了100座2007年后建成的淤地坝，包括骨干坝、中型坝及小型坝，实测淤地坝位置分布见图2。于2017年实测了这100座淤地坝的已淤积库容，结合控制面积，计算得到2011-2017年无定河流域年均拦沙指标为0.507万m³/（km²·2）。

3.2 淤地坝拦沙能力失效的判断方法

高云飞等[17]对淤地坝拦沙能力失效的判断标准进行了深入研究，结果表明，对于骨干坝和中小坝，淤积比（已淤积库容与总库容之比）随建坝年份的变化曲线均存在明显的拐点，淤地坝淤积比在某个值上下波动，随后淤积比逐渐下降，说明淤地坝的拦沙能力在该淤积比（阈值）处发生变化。淤积比小于该阈值则淤地坝具有拦沙能力，反之则失去拦沙能力。采用不同数据源分析，得到一致的结论，故本研究把淤积比作为淤地坝是否具有拦沙作用的判断依据。

基于2011年水利普查的骨干坝数据，点绘研究区淤积比与建坝年份的关系，见图3（a），二者关系的拐点出现在1980年左右，1980年前淤积比基本在0.80上下波动，1980年后淤积比呈下降趋势。基于2009年淤地坝安全大检查数据点绘的研究区骨干坝淤积比与建坝年份的关系见图3（b），也可看出1980年前淤积比基本稳定在0.80左右，1980年后淤积比下降。由两个数据源得到的淤积比随建坝年份的变化趋势相同，因此把淤积比0.80作为研究区骨干坝拦沙失效的判断依据。

按照相同的思路，利用淤地坝安全大检查的中型坝数据，点绘的研究区中型坝淤积比与建坝年份的关系见图3（c），可以看出，截至2009年，1985年前修建的中型坝淤积比大约稳定在0.84。利用20世纪90年代陕北淤地坝普查的中型坝数据点绘的淤积比与建坝年份的关系见图3（d），可以看出，截至1990年，1975年前的中型坝淤积比也基本稳定在0.84附近。因此，以淤积比0.84为研究区中型坝拦沙失效的判断依据。

3.3 2011-2017年具有拦沙能力的淤地坝数量

根据2011年水利普查的骨干坝数据，截至2011年骨干坝已淤积库容91107.30万m³，占总库容的67.23%。以淤积比0.80为标准判断骨干坝是否具有拦沙能力，在无定河现有的1155座骨干坝中仍具有拦沙能力的为658座，见表2。

根据2009年淤地坝安全大检查数据，截至2009年无定河中型坝已淤积库容72902.84万m³，占总库容的80.39%。以淤积比0.84为标准进行判断，现有的3747座中型坝中还有拦沙能力的为1756座。

小型坝数据匮乏，无法获取详细的淤积信息，鉴于小型坝与中型坝建坝历程相似，故根据同期中型坝淤积情况粗略地估计小型坝的淤积情况。由淤地坝安全大检查数据可知，中型坝平均库容为24.5万m³，20世纪90年代前建成的中型坝截至2009年已淤积库容占总库容的84%。陕北地区小型坝平均库容约为3.4万m³，总库容远小于中型坝，可认为90年代前建成的小型坝现已淤满。此外，根据淤地坝的设计规范，小型坝的设计拦沙寿命一般为3～5a，90年代之前修建的小型坝截至2011年已运行时间超过21a，可认为90年代前建成的小型坝已失去拦沙能力。因此，在2011-2017年发挥拦沙作用的小型坝为90年代后建成的小型坝，共810座。

综上，在无定河现有的11602座淤地坝中，现发挥拦沙功能的有3224座，已失去拦沙功能的淤地坝占总数的72%。

3.4 拦沙量的计算

淤地坝拦沙量计算公式为

V=FMμ（1）式中：V为计算时段内淤地坝的年均拦沙量，万t;F为具有拦沙能力激地坝的总控制面积，km²;M为年均拦沙指标，万m³/（km²·2）;料为泥沙容重，取1.35t/m³。

基于无定河流域2011-2017年具有拦沙能力的骨干坝、中型坝和小型坝的控制面积，实测的年均拦沙指标为0.507万m³/（km²·2），按式（1）计算淤地坝的年均拦沙量为4134.23万t，其中骨干坝年均拦沙2121.74万t、中型坝年均拦沙1635.49万t、小型坝年均拦沙377.00万t（见表2）。骨干坝是拦沙的主力军，拦沙量占淤地坝总拦沙量的51.32%。

4 结论

（1）截至2017年无定河流域淤地坝共计11602座，其中骨干坝1155座、中型坝3747座、小型坝6700座，大部分淤地坝建于1980年之前，20世纪70年代建成淤地坝最多。在空间分布上，无定河流域淤地坝主要分布在中下游黄土丘陵沟壑区第一副区，上游风沙区分布极少。

（2）截至2011年，无定河流域骨干坝和中型坝已淤积库容分别占其总库容的67.23%和80.39%，发挥拦沙功能的骨干坝、中型坝、小型坝分别为658座、1756座、810座，72%的淤地坝已失去拦沙功能。

（3） 2011-2017年，淤地坝年均拦沙4134.23万t，其中骨干坝拦沙最多，约占淤地坝总拦沙量的51.32%。

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