窟野河流域淤地坝和湖库洪水调蓄功能价值评价

常斐杨 徐佳 王玺圳

［关键词］ 洪水调蓄；功能价值；淤地坝；水库；湖泊；窟野河流域

［摘 要］ 窟野河流域是黄土高原水土流失最严重的区域之一。淤地坝作为黄土高原水土流失治理的一项重要工程措施，其滞洪作用常被忽略。以窟野河流域为例，基于生态系统服务功能价值核算的理论和方法提出了淤地坝、水库、湖泊洪水调蓄能力的量化方法，并运用影子工程法计算淤地坝、水库、湖泊洪水调蓄功能价值，探讨将淤地坝纳入生态系统洪水调蓄功能价值核算体系的必要性。结果表明：窟野河流域淤地坝、水库、湖泊可调蓄水总量为23 671.98万m3，洪水调蓄功能总价值为120 212.50万元，其中，淤地坝可调蓄水量为11 575.02万m3，占可调蓄总水量的48.90%，洪水调蓄价值为46 300.08万元，占洪水调蓄功能总价值的38.52%，淤地坝洪水调蓄能力和价值不可忽视；建立的淤地坝洪水调蓄功能价值评价方法简单且易于应用，将淤地坝纳入生态系统洪水调蓄功能价值核算体系中，使该体系在黄土高原地区应用更加完善、准确，可为淤地坝坝系规划、建设、投资及除险加固工作提供参考。

［中图分类号］ TV122；TV697.13  ［文献标识码］ A  DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.014

生态系统的洪水调蓄功能是指其具有蓄积洪水、削减洪峰、减轻洪水威胁的调节功能。目前，生态系统洪水调蓄能力主要通过湖泊可调蓄水量、水库防洪库容和沼泽洪水期滞水量等指标表征。近年来，许多学者以湖泊可调蓄水量、水库防洪库容作为评估指标，开展了大量关于湖泊、水库洪水调蓄功能及防洪效益评估的研究，在减少洪水灾害、保障区域防洪安全等方面发挥了重要作用[1-4]。然而，黄土高原地区淤地坝的滞洪作用同样值得关注。截至2016年，黄河流域潼关以上地区共建有淤地坝55 124座，以小流域为单元，淤地坝通过梯级建设，大、中、小型坝相结合，层层拦蓄，将高含沙洪水一部分转化为地下水，一部分转化为清水，通过泄水建筑物排放到下游沟道，具有较强的削峰、滞洪和“上拦下保”作用，能有效地防止洪水泥沙对下游造成的危害，在水土流失区起到重要的滞洪、拦沙、淤地作用[5]。近年来，大部分研究集中在淤地坝的拦沙作用[6]，而关于淤地坝滞洪作用的研究相对较少。本研究以黄河中游支流窟野河流域为例，开展淤地坝洪水调蓄功能价值评价，并与水库、湖泊进行对比，探讨将淤地坝纳入生态系统洪水调蓄功能价值核算体系的必要性。

1 研究区概况

窟野河是黄河一级支流，发源于内蒙古自治区东胜区巴定沟，流经内蒙古自治区伊金霍洛旗和陕西省府谷县，于陕西省神木市沙峁头村注入黄河，干流长242 km，流域面积8 706 km2。窟野河流域地势西北高东南低，海拔自1 500 m降至740 m，属黄土高原与荒漠地带的接壤地区，气候干燥，生态环境脆弱。流域内年均气温约15 ℃，年均降水量415 mm，降水集中于6—9月，呈现东多西少、南多北少的空间分布特征。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

本研究所需数据包括2021年窟野河流域小流域划分成果，见图1，来源于黄河上中游管理局调研数据；淤地坝分布情况及库容数据，来源于水利普查数据；水库分布情况及库容数据，来源于《黄河近年水沙锐减成因》；湖泊分布情况及面积数据，来源于2021年窟野河流域2 m分辨率遥感影像解译成果。

2.2 研究方法

本研究基于生态系统服务功能价值核算的理论和方法，评价淤地坝、水库、湖泊洪水调蓄能力，并运用影子工程法，通过淤地坝和水库单位库容的工程造价，综合分析窟野河流域淤地坝、水库、湖泊洪水调蓄功能价值。

2.2.1 淤地坝洪水调蓄能力

淤地坝的总库容包括设计淤积库容和滞洪库容。本研究采用淤地坝滞洪库容表征淤地坝的洪水调蓄能力，其计算公式为

Cd=Vd－Vs（1）

式中：Cd为淤地坝可调蓄水量，单位m3；Vd为淤地坝总库容量，单位m3；Vs为淤地坝设计淤积库容量，单位m3。

2.2.2 水库洪水调蓄能力

防洪库容是指防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积，用于控制洪水、满足水库下游防洪保护对象的防洪要求。本研究以防洪库容表征水库的洪水调蓄能力，而防洪库容数据往往难以获取，需根据已有防洪库容与总库容之间的数量关系建立经验方程，通过水库总库容估算其防洪库容。饶恩明等[2]提出水库防洪库容与总库容之间的经验方程为

Cr=0.35×Vr（2）

式中：Cr为水库可调蓄水量，单位m3；Vr为水库总库容量，单位m3。

2.2.3 湖泊洪水调蓄能力

湖泊洪水调蓄能力与湖泊面积、湖泊换水次数有关。根据《中国湖泊志》，窟野河流域地处蒙新高原区，其湖泊洪水调蓄能力计算公式[3]为

ln Cl=0.680ln A+5.653（3）

式中：Cl为湖泊可调蓄水量，单位m3；A为湖泊面积，单位m2。

2.2.4 洪水调蓄功能价值

洪水调蓄功能价值主要为淤地坝、水库、湖泊在减轻洪水威胁方面所创造的经济价值。基于影子工程法，引入淤地坝和水库单位库容的工程造价，窟野河流域淤地坝、水库、湖泊的洪水调蓄功能价值计算公式为

Wf=Wd+Wr+Wl（4）

Wd=Cd×a（5）

Wr=Cr×b（6）

Wl=Cl×b（7）

式中：Wf为淤地坝、水库、湖泊的洪水调蓄功能总价值，单位元；Wd、Wr、Wl分别为淤地坝、水库、湖泊的洪水调蓄功能价值，单位元；a为淤地坝的单位库容工程造价，单位元/m3，依据调查估算，窟野河流域淤地坝的单位库容工程造价约为4元/m3；b为水库的单位库容工程造价，单位元/m3，依据调查估算，窟野河流域水庫的单位库容工程造价约为6.11元/m3。

3 结果

3.1 窟野河流域淤地坝、水库、湖泊的分布特征

窟野河流域可划分为13条小流域，流域面积共8 706.00 km2，其中：13号小流域面积最大，为1 753.78 km2；1号小流域面积最小，为376.02 km2。流域共建有大型淤地坝254座，各小流域的淤地坝数量较异较大，其中1号、5号、6号小流域淤地坝数量较多，分别为37、42、40座；除7号小流域无淤地坝外，4号、10号、12号小流域淤地坝数量较少，分别为5、3、3座。流域内淤地坝总库容量为25 502万m3，其中1号、5号、6号小流域淤地坝总库容量较大，分别为4 570、4 399、3 957万m3，12号小流域淤地坝库容量最小，仅为248万m3。窟野河流域有中型水库2座（乌兰木伦水库和常家沟水库），水库总库容量为11 324万m3，分别位于7号小流域和12号小流域，水库库容量分别为9 880和1 444万m3。窟野河流域湖泊面积45.96 km2，除7号小流域湖泊面积较大，为16.05 km2外，其余小流域的湖泊面积比较接近（见表1）。

3.2 窟野河流域淤地坝、水库、湖泊的洪水调蓄能力及价值

窟野河流域可调蓄水量共23 671.98万m3（见表2），其中淤地坝、水库、湖泊的可调蓄水量分别为11 575.02、3 963.40、8 133.56万m3，分别占窟野河流域可调蓄水量的48.90%、16.74%、34.36%。洪水调蓄功能价值共120 212.50万元，其中淤地坝、水库、湖泊的洪水调蓄功能价值分别为46 300.08、24 216.37、49 696.05万元，分别占窟野河流域洪水调蓄功能价值的38.52%、20.14%、41.34%。在13条小流域中，1号、2号、3号、5号、6号、8号、11号共7条小流域的洪水调蓄能力以淤地坝为主，7号、12号共2条小流域的洪水调蓄能力以水库为主，4号、9号、10号、13号共4条小流域的洪水调蓄能力以湖泊为主。

4 讨论

4.1 淤地坝和水库的空间分布差异大

在小流域规划设计中，大中型水库的控制范围内通常不修建或较少修建淤地坝，如窟野河流域建有水库的7号和12号小流域，无淤地坝分布或仅建有3座淤地坝。在无大中型水库的小流域中，淤地坝在拦泥、淤地、滞洪、蓄水等方面发挥了重要作用。自20世纪50年代起，黄土高原地区进入了淤地坝建设示范试验阶段。而后自20世纪80年代起，黄土高原地区开展了以大型淤地坝为骨架的坝系建设，共建成淤地坝11万余座，至今仍有5万余座淤地坝在拦水减沙、防洪减灾、增加耕地等方面发挥着重要作用[7]。从全国范围来看，甘肃、陕西、内蒙古等省（区）水库数量较少，水库库容量较小，而这些省（区）正是淤地坝建设的集中区[8]。从区域尺度来看，黄土高原地区的水库通常建在黄河干流及主要支流，优先选择宽阔平缓、水源丰富、地质条件好的地区，保证水库有充足的水源且地基稳固，另选择建在落差较大的河段以满足发电需求。此外，由于水土流失会造成水库泥沙淤积和水源污染，破坏航运条件，因此水库通常修建在水土流失轻微的区域[9]。然而，淤地坝通常修建在小流域的支毛沟中，可避免集水面积过大造成淤地坝损毁，同时为发挥拦泥淤地、减水减沙的作用，淤地坝通常修建在水土流失严重的地区，如水土流失严重的黄土丘陵沟壑区淤地坝数量占黄土高原地区淤地坝总数的81.23%[10]。综上所述，淤地坝和水库在空间分布特征方面存在很大差异，二者无法相互替代。

4.2 淤地坝洪水调蓄功能价值不可忽视

窟野河流域7号小流域可调蓄水量最大，為5 339.27万m3，占窟野河流域可调蓄水量的22.56%，其中水库可调蓄水量占比为64.77%；12号小流域可调蓄水量为863.59万m3，占窟野河流域可调蓄水量的3.65%，其中水库可调蓄水量占比为58.52%。可以看出，在具有中型及以上水库的小流域，其水库的洪水调蓄能力发挥着巨大作用。然而水库的控制面积有限，7号小流域的乌兰木伦水库控制面积为328 km2，12号小流域的常家沟水库控制面积仅有44 km2，均小于其所在的小流域面积。而在其余11个小流域中，有7条小流域的淤地坝可调蓄水量占小流域可调蓄水量的40%以上。可以看出，淤地坝的洪水调蓄能力不可忽视。

窟野河流域淤地坝、水库、湖泊洪水调蓄功能总价值为120 212.50万元。其中，湖泊洪水调蓄功能价值最高，其次是淤地坝，最后是水库。湖泊作为地球必不可少的自然资源，其洪水调蓄功能在生态系统洪水调蓄功能中占据重要地位。在小流域中，由于水库库容较大，其洪水调蓄能力通常排在首位，但水库造价较高、数量较少，在其控制面积以外的区域，洪水调蓄能力及价值无法显现。然而，相比于研究较多的淤地坝拦沙作用，淤地坝的洪水调蓄能力通常被忽视，目前仍然有许多研究未将淤地坝洪水调蓄功能价值纳入生态系统洪水调蓄功能价值核算体系中。刘蕾等[11]以黄河上游西柳沟淤地坝坝系为例，研究发现随着淤地坝数量的增加，流域出口流量明显减少，拦蓄水体约70%通过土壤下渗，能够增加土壤含水量、补给地下水。徐小玲等[12]通过对辛店沟、韭园沟、裴家峁3条小流域的典型淤地坝水资源效应研究，表明淤地坝的滞洪蓄水效益非常明显。冉大川等[13]通过研究发现在1970—1996年黄河中游地区淤地坝减洪量占水土保持措施减洪总量的59.30%，生态效益十分明显。这些研究均表明淤地坝的滞洪减水效益与其减沙效益同样重要。因此，作为淤地坝建设的集中区域，黄土高原地区淤地坝的洪水调蓄功能发挥了重要作用，在黄土高原地区生态系统洪水调蓄功能价值核算中需要考虑淤地坝的洪水调蓄功能价值。

5 结束语

窟野河流域地处黄土高原和毛乌素沙地的过渡带，是黄土高原地区水土流失最严重的区域之一。淤地坝是黄土高原地区水土流失治理的一项重要工程措施。本研究以窟野河流域为例，构建的淤地坝洪水调蓄功能价值评价方法简单且易于应用，完善了生态系统洪水调蓄功能价值核算体系，使其更加适用于黄土高原地区，体现了淤地坝在黄土高原水土流失治理和生态环境建设中具有不可替代的作用。将淤地坝洪水调蓄功能货币化，也可为黄土高原淤地坝坝系规划、建设、投资及除险加固工作提供参考。

[参考文献]

[1] 饶恩明，肖燚，欧阳志云.中国湖库洪水调蓄功能评价[J].自然资源学报，2014，29（8）：1356-1365.

[2] 饶恩明，肖燚，欧阳志云，等.中国湖泊水量调节能力及其动态变化[J].生态学报，2014，34（21）：6225-6231.

[3] 潘方杰，王宏志，王璐瑶.湖北省湖库洪水调蓄能力及其空间分异特征[J].长江流域资源与环境，2018，27（8）：1891-1900.

[4] 杨家亮，龙秋波.湖南省水库洪水调蓄能力时空分异研究[J].人民长江，2021，52（9）：16-23.

[5] 刘晓燕，高云飞，田勇，等.黄河潼关以上坝库拦沙作用及流域百年产沙情势反演[J].人民黄河，2021，43（7）：19-23.

[6] 刘晓燕，高云飞，马三保，等.黄土高原淤地坝的减沙作用及其时效性[J].水利学报，2018，49（2）：145-155.

[7] 马小燕.关于新时期淤地坝建设管理的思考[J].现代农村科技，2021（9）：51，97.

[8] 郭晓雅，李思远.我国水库工程分布特点分析[J].工程技术研究，2021，6（2）：252-254.

[9] 贾瑞杰.湖库型饮用水水源地非点源污染特征研究[D].杭州：浙江大学，2021：81.

[10] 刘蓓蕾.黄土高原淤地坝建设与地形特征的响应关系研究[D].西安：西安理工大学，2021：14.

[11] 刘蕾，李庆云，刘雪梅，等.黄河上游西柳沟流域淤地坝系对径流影响的模拟分析[J].应用基础与工程科学学报，2020，28（3）：562-573.

[12] 徐小玲，延军平，梁煦枫.无定河流域典型淤地坝水资源效应比较研究：以辛店沟、韭园沟和裴家峁为例[J].干旱区资源与环境，2008，22（12）：77-83.

[13] 冉大川，罗全华，刘斌，等.黄河中游地区淤地坝减洪减沙及减蚀作用研究[J].水利学报，2004，35（5）：7-13.