基于水土资源高效利用的淤地坝建设潜力分析

高雅玉，田晋华，李嘉楠

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；3.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州730000）

建设淤地坝是黄土高原地区有效防治水土流失的重要措施,可有效改善人居环境、增加农民收入、改善生产生活条件、促进当地经济发展,具有巨大的社会、经济和生态效益。近年来淤地坝建设从单纯拦泥淤地向流域坝系综合高效利用、从单坝控制向坝系综合控制的方向发展［1-3］,但也存在以下突出问题：建设经费普遍较少,未布设防洪设施或仅有简易的卧管、土质溢洪道,造成防洪能力和标准偏低；缺乏统一的坝系规划,很难发挥坝系的作用,未能发挥应有的水土保持功效和作用；在干旱地区保证安全的前提下,未做到水土资源的高效利用。半干旱区坝系建设的主要目标是拦沙和淤地造田,但近年来小流域坡面水土流失治理成效显著,土壤流失量大幅减少,造成很多淤地坝达到淤积年限后仍然有很大一部分拦泥库容因未淤满而成为蓄洪水库。在极为缺水的陇东等地区,在保证淤地坝系防洪安全的情况下利用好这部分水资源,将为缓解水资源危机起到重要的作用。如何在发挥淤地坝控制水土流失、拦泥淤地等作用的同时,高效存蓄、利用水资源是值得深入研究的课题。为此,笔者选择陇东半干旱区淤地坝建设的典型流域——司家沟流域,开展了基于水土资源高效利用的淤地坝建设潜力分析。

1 流域及淤地坝系概况

1.1 流域概况

司家沟流域位于庆阳市西峰区泾河上游,流域面积为7.23 km2,属半干旱大陆性气候区,夏秋季雨水较多,暴雨多集中在7—8月,而春冬季多风且干燥,总体上属干旱缺水地区。耕地以黑垆土为主,微碱性,土壤肥沃、疏松,垂直渗透力强。主要农作物为小麦、玉米,苹果栽培处于最佳纬度区。地表水资源贫乏,自然条件严酷,农业生产困难［4］。将流域内土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体和裸地5类,其中：草地为主要土地利用类型,面积为4.34 km2,占土地总面积的60.0%；林地面积为2.00 km2,占比27.7%；裸地面积为0.75 km2,占比 10.4%；水体面积为 0.05 km2,占比0.7%；耕地面积为0.09 km2,占比1.2%。流域内草地主要分布在坡地上,林地主要分布在沟谷或地势较低的坡面,裸地主要分布在陡坡上,水体主要是流域内2座骨干坝蓄水形成的,耕地主要是梯田和坡耕地［5-6］。

1.2 淤地坝建设运行概况

司家沟流域内现有2座骨干坝,分别为东沟骨干坝（见图1)和西沟骨干坝（见图2),均于1996年11月竣工。东沟骨干坝设计淤积年限16 a,设计总库容50.20万m3,坝高22.3 m,坝控面积3.11 km2,设计拦泥库容22.20万m3,目前淤泥面距坝顶的高度为13.6 m,已淤积13.20万m3,虽已经超过设计淤积年限但仍未淤满,蓄水11.60万m3,防汛道路不畅通,坝体维护较好,但是没有溢洪道等泄洪设施,仅有放水卧管。西沟骨干坝设计淤积年限10 a,设计总库容81.00万m3,坝高21.3 m,坝控面积4.09 km2,设计拦泥库容29.00万m3,目前淤泥面距坝顶的高度为11.60 m,已淤积18.70万m3,虽已经超过设计淤积年限但也未淤满,蓄水12.40万m3,防汛道路不畅通,坝体维护较好,水土资源没有得到开发利用,由于没有溢洪道等泄洪设施、只有放水卧管,因此为了汛期防洪安全,基本属于空库运行状态。

图1 东沟骨干坝

图2 西沟骨干坝

对司家沟流域2座骨干坝的调研发现,该流域坝系建设与利用存在如下问题：2座骨干坝的水土资源均未得到充分高效利用,一座属于初步开发利用,一座属于未开发利用；淤地坝建设缺乏坝系整体规划,骨干坝达到设计淤积年限仍未淤满,沟道坝系尚未形成,其布局的合理性有待考证；淤地坝泄水设施简陋、不配套,不能满足坝体防汛要求,存在病险隐患；管理水平低,群众管护的自觉性较差；流域内水土流失治理程度与标准偏低,治理任务依然较重。

1.3 骨干坝防洪能力校核

淤地坝运用前期主要是滞洪拦沙,形成坝地后则依赖滞洪库容调节洪水,其最危险期是在坝地形成前按水库运用阶段,坝体的防洪能力涉及坝系的安全运行和水资源的调控,因此根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289—2003),参考《陕西省水土保持治沟骨干工程技术手册》,对司家沟流域2座骨干坝进行了防洪能力校核。2座骨干坝都属单坝无溢洪道的情况,一旦洪水漫坝即垮坝,对坝控面积内不同频率洪水总量与实际剩余库容比较,取接近且小于库容的洪量所对应洪水的重现期为现状防洪能力［7-9］。

防洪能力校核结果见表1。目前,东沟、西沟骨干坝剩余库容分别为37.00万、62.30万m3,现状防洪能力分别为10 a一遇（洪量为32.24万m3)、20 a一遇（洪量为45.59万m3)。按照现在的水土流失治理水平,在不加高坝体且不增建泄洪设施情况下,分别预测10、20 a后的防洪能力：此后10 a内东沟、西沟骨干坝的平均淤积速率分别取0.58万、0.77万m/a,10 a后东沟、西沟骨干坝剩余库容分别为31.20万、54.60万m3,防洪能力分别为5 a一遇、20 a一遇；10 a以后至20 a间,东沟、西沟骨干坝平均淤积速率分别取0.46万、0.51万m3/a,20 a后东沟、西沟骨干坝剩余库容分别为26.60万、49.50万m3,防洪能力分别为5 a一遇、20 a一遇。校核结果表明,未来20 a骨干坝仍难以淤满,拦蓄雨洪资源的潜力巨大,同时防洪安全问题凸显。

表1 防洪能力校核结果

2 坝系建设潜力分析方法

2.1 比例推算法确定淤地坝建坝潜力

小流域坝系由骨干坝和中小型淤地坝构成,不同地区由于淤地坝建设条件不同,因此中小型淤地坝与骨干坝配置比例也不同。根据黄土高原已建淤地坝状况调查,中小型淤地坝与骨干坝配置比例与所在区域的土壤侵蚀强度有关（见表2)。

表2 不同侵蚀强度区域中小型淤地坝与骨干坝配置比例

根据流域沟道情况,将骨干坝或骨干坝及其所控制集水区域内的若干中小型淤地坝称为单元坝系,由单元坝系数量可基本确定骨干坝数量,据此可分析淤地坝建设潜力［10］。

（1)单元坝系数量的初步拟定。可按式（1)初步拟定小流域内单元坝系数量：

式中：Ng为单元坝系数量,个；S为坝系工程拟控制面积,km2；S0为坝系工程已控制面积,km2；¯a为骨干坝平均单坝控制面积,km2/座。

（2)单元坝系数量调整。单元坝系属于子坝系,而子坝系的面积不可能恰好是单元坝系面积的整数倍,因此在将单元坝系分配到子坝系的过程中应按式（2)、式（3)进行数量上的调整：

式中：Ngi为第i条子坝系中的单元坝系数量,个；Si为第i条子坝系控制面积,km2；N′gi为经调整后第i条子坝系中单元坝系的数量,个。

（3)中小型淤地坝数量的拟定。根据小流域所处侵蚀类型区和现场查勘,按上述中小型淤地坝与骨干坝配置比例推算中小型淤地坝数量：

式中：C为中小型淤地坝与骨干坝配置比例（比值),可参考前述经验值；Nzx为中小型淤地坝数量,座；N′g为骨干坝数量,座。

2.2 目标推算法确定建坝规模

流域坝系工程建设目标、建设规模是坝系总体布局的前提与基础,应充分考虑流域自然条件、工程现状、经济状况、人口分布及建坝资源条件（尤其是骨干坝坝址区建坝条件)等,结合坝址区实地勘查,合理确定坝系建设目标和建设规模。淤地坝系工程建设目标主要有拦沙和淤地两类目标,目标推算法就是根据建设目标推算中小型淤地坝数量。在构建司家沟流域水土资源高效利用淤地坝系的过程中,通过对流域水土流失状况、工程建设现状、经济社会现状及发展趋势、当地对坝系建设的需求及工程建设资源等进行调研,选择设计水平年年末的新增年拦沙能力W、新增坝地面积A、水资源利用率μ等指标,推算建坝规模。

（1)拦沙目标。拦沙目标采用下式计算：

式中：W为坝系新增年拦沙能力,m3/a；M0为流域平均侵蚀模数,t/（km2·a)；γ为泥沙干密度,t/m3；为设计淤积年限内坝系工程累计新增拦沙量,m3；Y为设计淤积年限,一般取20～30 a。

（2)淤地目标。淤地目标即设计水平年流域内新增坝地面积,可采用下式计算：

式中：A为新增坝地面积,hm2；η为淤地折算系数,即已建淤地坝实地调查的淤地模数（单位淤地面积所需的拦泥量)与设计淤地模数之比,当调查统计资料来源于本流域或来源于地形条件十分相似的流域时,可取η＝1；ω为设计淤地模数,m3/hm2。

（3)水资源高效利用目标。干旱半干旱地区可利用水资源非常匮乏,因此在淤地坝规划中应考虑对雨洪水资源的拦蓄利用。水资源利用率可用下式计算：

式中：μ为水资源利用率,%；D1为淤地坝拦蓄利用的水资源量,万m3；D2为淤地坝拦蓄的水资源量,万m3。

根据拦沙目标、淤地目标和水资源高效利用目标,确定流域内淤地坝的建坝数量和建坝参数。

2.3 淤地坝数量的调整方法

两种推算方法所得结果存在差异,应对中小型淤地坝的数量作进一步的调整,并将中小型淤地坝分配到每个单元坝系中,即进行数量调整和结构调整。

（1)数量调整。以目标推算的结果为基数,对淤地坝的数量进行调整。在调整的过程中应遵循以下原则：①人口密集、用地需求较大的区域适当增加,反之适当减少；②水土流失强度大的区域适当增加,反之适当减少；③沟壑密度较大的区域适当增加,反之适当减少；④受地形、村庄、道路等影响,建坝条件较差的沟道适当核减；⑤林区或植被较好的区域可少建甚至不建中小型淤地坝。

（2)结构调整。在中小型淤地坝数量确定后,基本达到拦沙、淤地和座数上的平衡是可行的。中型淤地坝与小型淤地坝的拦泥库容和单坝淤地面积在数量上存在着较大的差异,增加中型淤地坝的座数比增加小型淤地坝的座数能取得更大的拦沙量和淤地面积［8,10］。

3 司家沟流域建坝潜力和规模分析

3.1 淤地坝建设潜力计算

（1)确定土壤侵蚀量。司家沟流域内2座骨干坝的坝控面积为7.20 km2,流域内土壤侵蚀模数为3 000 t/（km2·a),因此2座骨干坝控制流域面积的年均侵蚀量约为2.16万t。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289—2003),计算20 a内司家沟流域坝控面积的总侵蚀量为43.26万t。

（2)确定淤地坝单坝平均淤积量。采用类比法推算单坝平均拦泥量。据对陇东地区年均侵蚀模数为2 500～3 500 t/（km2·a)的小流域中的淤地坝进行调查,单坝淤积量为4.2万～5.4万t,鉴于司家沟流域内植被恢复较好,单坝淤积量取4.6万t。

（3)确定骨干坝与中小型淤地坝数量。按照规范,强烈侵蚀地区骨干坝单坝控制面积为3～8 km2,骨干坝与中小型淤地坝的配置比例为1∶4.5～1∶3.0,由于司家沟流域侵蚀模数较小,因此骨干坝与中小型淤地坝的配置比例取较小值1∶4。根据司家沟流域20 a侵蚀量为43.26万t和中小型淤地坝平均单坝淤积量为4.6万t,得出司家沟流域内应布设骨干坝和淤地坝的总数为10座（其中骨干坝2座、中小型淤地坝8座)。

3.2 坝系建设规模分析

（1)拦沙目标。依据水利部编制的《黄土高原地区水土保持淤地坝规划》确定的拦沙指标2 681 t/（km2·a),推算司家沟流域20 a的拦沙目标为38.65万t。根据流域内淤地坝的平均淤积量计算,应建9座淤地坝,骨干坝与中小型淤地坝的配置比例为1∶4,因此适合建骨干坝2座、中小型淤地坝7座。

（2)淤地目标。根据庆阳市“十三五”水利规划确定的粮食增产目标4.47万kg/a,按照4 500 kg/hm2的产量估算,司家沟流域内需要新增坝地面积9.94 hm2。中小型淤地坝的淤地面积约为1.42 hm2/座（相似流域内淤地坝单坝淤地面积平均值),因此新建7座中小型淤地坝可满足粮食增产要求,加上原有2座骨干坝,淤地坝总数为9座。

（3)水资源高效利用目标。半干旱地区水资源较为匮乏,良好水质的水资源更为珍贵,要低风险、经济和有效地将坝控流域面积的雨洪水资源存蓄、利用起来,在确保防洪安全的前提下,骨干坝控制区域的水资源利用率应达到30%,中小型淤地坝控制区域的水资源利用率应达到25%。

（4)坝系建设规模的确定。上述分析计算所得建坝潜力及不同建设目标对应的建坝规模统计见表3。综合分析认为：司家沟流域适宜建设2座骨干坝,应对原有的2座骨干坝配备泄洪设施、提高防洪标准；流域内中小型淤地坝建设潜力为8座,适宜建设7座。

表3 各种方法推算的司家沟流域坝系建设规模统计

4 结 语

半干旱区淤地坝建设的传统目标主要是拦沙和淤地造田。近年来流域水土流失综合治理成效显著,水土流失量减少,造成很多坝系达到设计淤积年限后仍然未淤满,具有拦蓄利用雨洪水资源的潜力。在确保防洪安全的前提下,充分高效利用淤地坝拦蓄利用雨洪水资源的潜力,对缓解半干旱区水资源危机有至关重要的作用。

利用比例推算法推算的司家沟流域建坝潜力为10座,其中骨干坝2座、中小型淤地坝8座；采用目标推算法确定适宜建坝规模为9座,其中骨干坝2座、中小型淤地坝7座。应对原有的2座骨干坝配备泄洪设施、提高防洪标准,使骨干坝控制区域的水资源利用率达到30%、中小型淤地坝控制区域的水资源利用率达到25%。