黄河中游淤地坝拦沙机理及作用
方学敏 万兆惠 匡尚富
(中国水利水电科学研究院)
摘 要 本文分析了淤地坝形成后水文泥沙条件的变化，探讨了淤地坝的淤积形态和拦沙机理，从单坝拦沙定额、小流域对比分析、河流泥沙变化、典型暴雨洪水等方面讨论了淤地坝的拦沙作用.
关键词 淤地坝，水土保持，拦沙，黄河.
由于强烈的侵蚀作用，黄河中游黄土高原区被切割成众多沟道小流域，一遇暴雨，洪水泥沙通过这些沟道汇入各级支流或直接汇入黄河干流，使黄河泥沙大量增加.同时，由于表土的流失，加之干旱的气候条件，该区农业生产水平低下，是全国最贫困地区之一.控制泥沙和促进农业发展是该区面临的两个重大问题.实践证明，淤地坝是解决问题的有效措施，它不仅对于减少入黄泥沙具有显著作用，而且能够淤田造地，更重要的是坝地的水分条件为农业生产提供了保障，使得作物高产稳定.
1 淤地坝建成后水文泥沙条件的变化
由于严重的土壤侵蚀，黄土地区遇到暴雨时容易形成高含沙水流.据钱宁等研究［1］，黄河中游粗泥沙来源区的日平均含沙量可达800kg/m3以上，有些支流年平均含沙量可达500
kg/m3，一场洪水的最大含沙量可达1500 kg/m3.这种大面积的高含沙水流，如无控制，将给下游带来严重的泥沙问题，如打坝拦蓄，则可淤成肥沃的坝地.高含沙水流的特性与一般挟沙水流不同，它有一部分来自峁坡和沟坡的粒径小于0.01mm的粘性颗粒，使泥沙沉速减小，因而它能在较小的比降下流动，粗细泥沙较少分选或不分选，使淤地坝内泥沙淤积比较均匀，为坝地生产利用提供了良好的条件.因此，从某种意义上，可以说淤地坝是高含沙水流的产物.
黄土丘陵沟壑区沟道输送泥沙的能力特别强，沟道中修建淤地坝后，能收到巨大的拦沙效果，使沟道很快淤成平地.沟道在未修坝以前是输送流域支毛沟的泥沙到下游的通道，其能够挟带的泥沙数量就是该地的挟沙能力，淤地坝修建后沟底比降变缓，挟沙能力随之降低.由于淤地坝一般库容较小，多数汛前不蓄水，当出现暴雨洪水时，水流可直抵坝前，受坝体的拦阻其挟带的泥沙将沉积在库内.根据实测资料分析，淤地坝淤积体呈锥形，大部分泥沙淤积在坝的前部.淤泥面存在一定的比降，其值较原沟道比降为小.根据无定河流域53座淤地坝的观测，原沟道比降为0.74%～4.04%，平均为2.02%；坝地淤积面比降为0.06%～0.86%，平均为0.25%.
2 淤地坝拦沙减蚀机理
淤地坝建成以后，淤泥面以下部分，原来为侵蚀最严重的沟谷和沟床，泥沙淤埋后不再发生侵蚀；淤泥面以上部分，由于抬高了侵蚀基准面，在一定范围内制止了沟道下切和沟岸坍塌、扩张，由侵蚀型转变为淤积型或平衡型，侵蚀大为减少；坝体的下游，淤地坝拦截了上游的洪水，从而减小了侵蚀.淤地坝不仅具有直接的拦沙作用，还有间接的减蚀作用.
淤地坝拦沙减蚀机理主要表现在以下几个方面：(1) 局部抬高侵蚀基准，减弱重力侵蚀，控制沟蚀发展；(2) 拦蓄洪水泥沙，减轻沟道冲刷.淤地坝运用初期能够利用其库容拦蓄洪水泥沙，同时还可以削减洪峰，减少下游冲刷；(3)
减缓地表径流，增加地表落淤.淤地坝运用后期形成坝地，使产汇流条件发生变化，从而起到减缓洪水泥沙的作用；(4) 增加坝地，提高农业单产，促进陡坡退耕还林还牧，减少坡面侵蚀.
根据小流域资料分析，黄土地区沟壑的侵蚀模数远大于坡面侵蚀模数，如陕西子洲径流试验站1964和1967两个丰沙年观测结果，分水岭附近的峁梁顶部侵蚀模数为247t/km2，梁峁坡侵蚀模数为13800t/km2，峁边线以下沟谷侵蚀模数为21000
t/km2.据计算，黄土塬区沟壑的产沙量约占总产沙量的90%，黄土丘陵区沟壑的产沙量占总产沙量的60%～70%.淤地坝的淤积土覆盖了沟壑，使沟壑侵蚀大为减少.这一点也可以从天然淤地坝(聚湫)得到印证，有的聚湫具有长达数百年的历史，如果按当地侵蚀模数计算，早已淤满，而实际上并未淤满，这是因为淤积土的覆盖及减蚀作用降低了流域来沙量.由此可见，淤地坝具有长期的减沙效益.
3 单坝的拦沙作用
淤地坝是一项重要的沟道治理措施，拦沙效果十分显著.根据陕北无定河流域666座淤地坝资料分析，单位坝地面积的拦沙量为53833m3/ha；对于晋西北198座淤地坝，单位坝地面积的拦沙量为76959m3/ha.
据分析，淤地坝单位坝地面积拦沙量与坝高有关.不同坝高淤地坝的单位坝地面积拦沙量见表1.由表可知，随着坝高的增加，单位坝地面积拦沙量逐渐增加.
表1 不同坝高淤地坝的单位坝地面积拦沙量
| 坝高(m) |
陕北无定河流域 |
晋西北 |
| 坝数 |
单坝淤地面积
(ha) |
单位坝地面积拦沙量
(m3/ha) |
坝数 |
单坝淤地面积
(ha) |
单位坝地面积拦沙量
(m3/ha) |
| ≤5 |
110 |
0.21 |
14010 |
16 |
0.33 |
16650 |
| 6～10 |
249 |
0.45 |
23940 |
72 |
0.77 |
34710 |
| 11～15 |
150 |
1.04 |
36615 |
35 |
1.66 |
62400 |
| 16～20 |
76 |
2.05 |
48255 |
19 |
4.22 |
88620 |
| 21～25 |
47 |
3.37 |
60825 |
25 |
8.99 |
106470 |
| 26～30 |
21 |
5.81 |
88650 |
12 |
20.97 |
113025 |
| 31～35 |
13 |
9.11 |
104535 |
19 |
25.08 |
116835 |
| 平均(合计) |
(666) |
3.15 |
53833 |
(198) |
8.86 |
76959 |
4 小流域淤地坝拦沙作用
小流域通过修建淤地坝形成坝系，拦沙作用更加明显.下面以王茂沟小流域为例分析坝系拦沙作用.王茂沟是韭园沟的一条支沟，属无定河水系，流域面积5.97km2，1953年开始修建淤地坝，至1963年共有淤地坝32座，初步形成坝系.1964至1978年，经过几次暴雨洪水的考验，对坝系进行了改建和调整，截止1991年，共有淤地坝45座.
4.1 淤地坝拦沙量 王茂沟流域从1953年到1986年，淤地坝拦沙总量为166.5万t，年均拦沙5.05万t.流域输沙模数由治理前的18000
t/km2降低到治理后期的504 t/km2，减少了97%，基本上实现了对泥沙的完全控制.
4.2 不同流域对比分析 为验证王茂沟流域坝系蓄水拦沙效益，选与王茂沟相邻、地貌组成类同的李家寨沟作为非治理沟进行对比分析.李家寨沟也属于韭园沟的一条支沟，流域面积为5.45km2.
李家寨沟与王茂沟在流域面积、地形、土壤及沟道条件等方面都比较接近，只是李家寨沟治理程度较低，截止到对比观测年份，流域各种治理措施面积0.11km2，占流域面积的2%，淤地坝仅有2座，淤地面积0.27ha.因此，可以把李家寨沟作为非治理沟与王家沟进行对比.根据实测资料，李家寨沟与王茂沟逐次洪水径流量、输沙量、含沙量见表2.从表可知，在降水条件相似的情况下，王茂沟流域的径流量和输沙量较李家寨沟流域均有所减少，其中以输沙量减少较明显.
表2 李家寨沟与王茂沟水沙量对比
洪水
编号 |
沟道名称 |
降雨量
(mm) |
降雨历时
(h) |
降雨强度
(mm/h) |
径流量
(m3) |
径流模数
(m3/km2) |
输沙量
(t) |
输沙模数
(t/km2) |
最大含
沙量
(kg/m3) |
平均含
沙量
(kg/m3) |
| 620714 |
王茂沟 |
30.5 |
8.88 |
3.4 |
9121 |
1528 |
4099 |
687 |
738 |
449 |
| 李家寨 |
29.6 |
7.40 |
4.0 |
9279 |
1886 |
6506 |
1322 |
935 |
701 |
| 630615 |
王茂沟 |
22.0 |
6.67 |
3.3 |
1492 |
250 |
133 |
22 |
260 |
89 |
| 李家寨 |
24.5 |
16.57 |
1.5 |
7833 |
1592 |
5326 |
1083 |
878 |
680 |
| 630705 |
王茂沟 |
60.7 |
11.68 |
5.2 |
4418 |
740 |
229 |
38 |
174 |
52 |
| 李家寨 |
65.4 |
11.53 |
5.7 |
17410 |
3539 |
8551 |
1738 |
697 |
491 |
| 630818 |
王茂沟 |
7.4 |
0.38 |
19.3 |
1112 |
186 |
59 |
10 |
115 |
53 |
| 李家寨 |
8.8 |
0.27 |
32.9 |
998 |
203 |
183 |
37 |
369 |
183 |
4.3 典型暴雨洪水分析 王茂沟流域坝系形成之后，经受了1964年“7*5”暴雨和1977年“8*5”暴雨的考验.
1964年7月5日，王茂沟流域降雨量131.8mm，降雨强度6.2mm/h，流域内各坝均安全度汛，洪水泥沙大部分被拦在坝系之内.坝系拦水量36.6万m3，占流域产流量的78%；坝系拦沙量13.5万t，占流域产沙量的72%.
1977年8月5日，王茂沟流域降雨量162.7mm，主沟各坝安全度汛，支沟坝系中虽有少数坝拉开缺口，但坝系泥沙冲失轻微，支沟坝地冲失的泥沙又被主沟坝系拦截.坝系拦水量40.5万m3，占流域产流量的69%；坝系拦沙量13.6万t，占流域产沙量的58%.
上述分析表明，布局合理的小流域坝系对暴雨洪水具有较强的抵御能力.
5 主要支流淤地坝拦沙作用
根据黄河流域水保基金研究成果统计，1970～1989年，黄河中游26条支流淤地坝年均拦沙量约为1.1亿t，淤地坝拦沙量占各项水保措施总拦沙量的60%.以无定河流域为例，截止1989年，该流域共有淤地坝11691座，有效控制面积8548km2，总库容24.87亿m3，可淤地面积2.51万ha，已淤地面积2.1万ha，累计拦沙量13.7亿m3.1970～1989年，无定河流域淤地坝平均每年拦沙4716万t，淤地坝拦沙量占水保措施总拦沙量的64%.
6 河流泥沙变化分析
从70年代以来，黄河输沙量明显减少，其重要原因之一是黄河中游的水土保持作用，尤其是淤地坝的拦沙作用［2］.表3列出了黄河各年代的输沙量和径流量变化，为对比起见，表中还列出了长江、珠江、淮河以及淤地坝较多的黄河支流无定河的资料.由表可知，70和80年代，黄河及无定河输沙量显著减少，而其它流域输沙量变化不明显，这从一个侧面反映了水土保持对侵蚀的控制作用以及侵蚀与河流泥沙的关系.此处三门峡站的水沙量1960年以前采用陕县站资料，1960年三门峡水库投入运用以后，陕县站撤消，采用龙门、华县、河津、状头4站之和.
表3 黄河及其它主要河流输沙量与径流量变化
| 年代 |
无定河，白家川 |
黄河，龙门 |
黄河，三门峡 |
长江，宜昌 |
珠江，梧州 |
淮河，蚌埠 |
输沙量
(106t) |
径流量
(109m3) |
输沙量
(106t) |
径流量
(109m3) |
输沙量
(106t) |
径流量
(109m3) |
输沙量
(106t) |
径流量
(109m3) |
输沙量
(106t) |
径流量
(109m3) |
输沙量
(106t) |
径流量
(109m3) |
| 30年代 |
* |
* |
1214 |
34 |
1745 |
44 |
* |
446 |
* |
* |
* |
* |
| 40年代 |
* |
* |
1061 |
36 |
1700 |
48 |
* |
433 |
* |
* |
* |
* |
| 50年代 |
283 |
1.6 |
1189 |
32 |
1758 |
43 |
519 |
443 |
69 |
220 |
16 |
33 |
| 60年代 |
187 |
1.5 |
1132 |
34 |
1720 |
47 |
549 |
453 |
67 |
196 |
13 |
28 |
| 70年代 |
116 |
1.2 |
869 |
28 |
1340 |
36 |
475 |
414 |
79 |
208 |
8 |
22 |
| 80年代 |
53 |
1.0 |
466 |
28 |
780 |
36 |
549 |
444 |
81 |
204 |
10 |
33 |
注：*缺测
7 暴雨洪水垮坝分析
黄河中游的暴雨特点是雨量集中、强度大、历时短，暴雨的笼罩面积较小，一场大暴雨可以在局部地区或少数河流上形成相当大的洪水和输沙量，从而引起垮坝.近几十年来，曾经发生过数次较大的淤地坝溃决，典型地区淤地坝垮坝情况见表4.
表4 黄河中游地区暴雨垮坝情况
| 暴雨日期 |
地点 |
降雨量
(mm) |
淤地坝 |
淤地面积(ha) |
| 总数 |
冲毁座数 |
垮坝% |
总面积 |
冲毁面积 |
冲毁% |
| 1973.8.25 |
陕西延川县 |
112 |
7570 |
3300 |
43 |
1466 |
220 |
15 |
| 1975.8.5 |
陕西延长县 |
108 |
6000 |
1830 |
31 |
2493 |
232 |
9 |
| 1977.7～8* |
绥德韭园沟 |
287** |
333 |
243 |
73 |
181 |
49 |
27 |
| 1977.8.5 |
子洲驼耳巷沟 |
198 |
274 |
199 |
73 |
169 |
43 |
25 |
注：*包括“7.5”和“8.5”两场暴雨，水毁淤地坝及坝地面积为两场暴雨之后的统计值.
** “7.5”暴雨降雨量110mm，“8.5”暴雨降雨量177mm.
黄河中游暴雨洪水垮坝具有如下特点：
(1) 从淤地坝坝体来看，垮坝的比例相当大，但这些被冲毁的淤地坝并不是坝体全部冲垮，而大多数是部分或小部分坝体被冲，有些是溢洪道被冲.
(2) 从坝地面积来看，损坏率较淤地坝小.如1977年受灾严重的韭园沟，淤地坝损坏率为73%，而坝地的损坏率为27%.这是因为黄河中游暴雨具有峰高量小历时短的特点，洪水冲刷和携带泥沙的能力有限.
(3) 被冲淤地坝多为群众所建，标准低，质量差，而且没有考虑坝系布局.在上述暴雨期间，也有一些沟道淤地坝安然渡汛，如韭园沟中的王茂沟，由于沟道已形成坝系，防洪能力较强，在特大暴雨中水毁现象很轻.
综上所述，淤地坝的拦沙作用是非常显著的.但是，就目前淤地坝的运用情况而言，并未按照相对稳定的要求处理洪水泥沙，若今后依照相对稳定要求进一步发展淤地坝，其拦沙效益更加明显.
参考文献
1 钱宁主编.高含沙水流运动.清华大学出版社，1989.
2 方学敏.土壤侵蚀及其环境影响和控制模式的研究［学位论文］.北京：中国水利水电科学研究院，1998.
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