宁夏清水河流域淤地坝拦沙量分析

　　提要:对淤地坝逐年拦沙量进行还原计算具有重要的理论及实际应用方面的意义。在对2012年清水河流域淤地坝拦沙量实测资料进行统计分析的基础上，引入坝控流域面积、平均侵蚀强度、拦沙率三个因素建立了淤地坝逐年拦沙量计算公式，计算了清水河流域1971-2012年间淤地坝的逐年拦沙量，并依据计算结果对淤地坝拦沙情况进行了初步分析。

　　根据实测资料统计，至2012年清水河流域共有淤地坝302座，总拦沙量0.17亿m3，淤积比为47.39%。计算结果表明，2000年以前淤地坝拦沙量在70万t以下，2000年以后多数年份拦沙量在100万t以上，2010年以后淤地坝拦沙量占流域侵蚀产沙量的比例超过11%。本计算模型建立在大量淤地坝均匀分布在流域内及拦沙率呈指数型分布的前提条件下，在不同条件下的运用还需要对模型做进一步地改进。

　　关键词:清水河流域;淤地坝;拦沙量;拦沙率;计算模型

　　黄土高原地区土壤深厚、土质疏松，侵蚀十分严重，是黄河泥沙的主要来源区。严重的土壤侵蚀不但造成了千沟万壑、崎岖不平的地形，也造成了生态环境及土地资源的破坏。淤地坝是黄土高原地区一种行之有效水保措施，在控制沟道侵蚀、拦蓄泥沙方面起到了十分重要的作用。根据第一次全国水利普查，截至2011年黄土高原保存有淤地坝58466座，其中骨干坝5655座，中小型坝5.2万座[1]。淤地坝对泥沙的大量拦蓄显著地影响了黄河各支流的产沙量及输沙量，同时淤地坝拦沙能力及变化等也成为人们关心的问题[2，3]。

　　虽然有关管理部门对黄河流域淤地坝拦沙量进行过几次普查，但是由于没有对淤地坝拦沙量连续的监测资料，不能知道淤地坝逐年的拦沙量，导致很多分析难以进行。目前对淤地坝逐年或次降雨拦沙量的计算一般根据坝库中泥沙的沉积旋回进行分析[4-7]，或者根据典型淤地坝的调查进行推测[8]，但这些方法一般只适用于少数淤地坝在较短时间内淤积量的分析，对长时段大流域淤地坝逐年拦沙量的计算还是一个难点，也还没有见到这方面的研究。文中以宁夏清水河流域淤为研究区域，探索对淤地坝逐年拦沙量还原计算的方法，并对淤地坝拦沙情况做出初步的分析。

　　1清水河流域概况

　　清水河是黄河的一级支流，流域面积为14481km2，是宁夏境内流域面积最大的河流。清水河发源于宁夏固原市开城乡，向北流经固原、中卫、吴忠等县市，在泉眼山汇入黄河，主河道长320km，河道比降平均为1.49‰[9]。清水河流域海拔一般为1500-2000m，南高北低，地貌以黄土丘陵为主，中上游为洪积、冲积平原区，中游西侧为黄土丘陵、盆、埫区，中游东侧为黄土丘陵区，下游为河谷平原区[10]。清水河流域多年平均降水量为349mm，大部分集中在7、8、9三个月[11]。年降雨量在流域范围内变化很大，上游固原的七营、苋麻河以南区域降雨量可达400-600mm，属于暖温带半湿润区，向上游逐渐递减到400-200mm，属于中温带干旱、半干旱区，全区平均干旱指数为3.8[5]。清水河多年平均年径流量2.16亿m3，年均悬移质含沙量229kg/m3，年输沙量4940万t，侵蚀模数3410t/km2·a，呈现出水少、沙多、水土流失严重的特点。清水河流域由上至下设有固原、韩府湾、泉眼山三个水文站。

　　2淤地坝分布及现状

　　2012年，有关管理和科研部门对宁夏全境淤地坝进行了一次普查，根据本次普查数据，清水河流域共有淤地坝302座，其中小型坝114座，中型坝103座，骨干坝85座。分区域看，韩府湾-泉眼山区间有229座，固原-韩府湾区间有73座，固原以上流域没有淤地坝分布。清水河流域的主要水保措施有水库、淤地坝、梯田、林、草等，淤地坝是重要的水保措施之一。

　　清水河流域淤地坝建设始于1971年，其后1975-1999年间共建设了43座淤地坝，2000-2012年建设了256座淤地坝。至2012年，清水河流域淤地坝控制流域面积为1090.15km2，总库容为1.19亿m3，可淤积库容为0.36亿m3，泥沙淤积总量为0.17亿m3，淤地坝拦沙量为同期泉眼山站输沙量的2.35%。随着泥沙在淤地坝中淤积量的增加和可淤积库容减小，淤地坝的拦沙能力逐渐降低。将淤地坝中泥沙淤积量与可淤积库容的比例定义为淤地坝的淤积比。

　　高云飞[12]对陕北地区的分析表明，当淤地坝运用20-30年以后，淤地坝平均淤积比大约达到0.8，此时淤地坝就基本上处于淤满的状态，拦沙能力变得很小。计算清水河流域淤地坝自建成至2012年的淤积比可以看到，清水河流域1999年以前建成的淤地坝大约有一半已经处于淤满的状态，2000年以后建成的淤地坝绝大部分还没有淤满，至2012年清水河流域全部淤地坝的淤积比为47.39%，从总体上看淤地坝还具有较大的拦沙能力。

　　3逐年拦沙量的计算方法

　　清水河流域主要的拦沙工程除了淤地坝外还有约100座水库也具有拦沙的功能。因为400多座淤地坝和水库比较均匀地分布在清水河流域全境，淤地坝和水库控制流域的平均侵蚀强度与清水河全流域平均侵蚀强度是接近的。虽然随着运用时间的延长有部分水库和淤地坝逐渐失去拦沙作用，但是由于不断地又有新的工程建成，因此如果把全部淤地坝和水库看成是一个整体，可以认为淤地坝和水库具有正常的拦沙能力。

　　4结果与分析

　　已知清水河流域淤地坝全部泥沙淤积量为0.17亿m3，按照淤积泥沙干容重1.4g/cm3计算为0.238亿t，根据上面建立的计算方法计算可得到清水河流域淤地坝逐年拦沙量。计算得到的不同年份淤地淤积量有很大的变化。总体上，1999年以前淤地坝数量较少，逐年拦沙量都在70万t以下;2000年以后，淤地坝建设数量迅速增加，多数年份拦沙量在100万t以上，其中2007年达到361.89万t。泉眼山水文站是清水河的把口站，泉眼山站年输沙量在一定程度上反映了清水河流域土壤侵蚀强度的变化。比较淤地坝逐年拦沙量与泉眼山站的年输沙量可见二者变化趋势比较一致。根据对淤地坝逐年拦沙量的计算结果可计算得到清水河流域淤地坝逐年可淤积库容及淤积比的变化。

　　可见，1971-1999年间清水河流域淤地坝的淤积比一直处于逐渐增大的趋势中，至1999年总淤积比达到92.11%以上，总体上已经基本上达到了淤满的状态。这一时段剩余可淤积库容也很小，至1999年仅剩33万m3。2000-2012年时段，由于新的淤地坝大量建设，增加了新的可淤积库容，淤积比处于逐渐降低的趋势中。

　　5讨论

　　淤地坝控制面积、侵蚀强度、拦沙率是影响淤地坝拦沙量的最直接的因素。淤地坝控制流域面积和土壤侵蚀强度决定了进入坝库的泥沙量，而拦沙率决定了有多大比例的泥沙被拦蓄在淤地坝中。淤地坝控制的流域面积与淤地坝建设的数量、可淤积库容等指标关系密切。清水河流域2000年以前淤地坝建设数量很少，拦沙量也很少，2000年以后淤地坝数量迅速增加，淤地坝拦沙量也随之有显著的增长。

　　2005年以后，清水河流域土壤侵蚀强度显著降低，但是淤地坝拦沙量显著增大，导致淤地坝拦沙量占全流域土壤侵蚀量的比例显著上升，2010年以后达到11%以上，成为流域减沙的重要因素。淤地坝的拦沙率随着运用年数的增加逐渐降低，直至可淤积库容淤满则失去拦沙能力。根据许炯心[3]、刘晓燕[15]等学者的研究，黄土高原地区20世纪六七十年代建成的淤地坝，尤其是小型坝绝大多数已经淤满而失去拦沙能力，导致淤地坝整体上拦沙量有所降低。

　　根据上面建立的模型计算清水河流域1971-2012年水库逐年的拦沙量，可见在1980年代以前，水库的拦沙量很大，但是随着水库逐渐淤满，拦沙能力逐渐变小，而淤地坝随着新坝不断修建，拦沙率能力逐渐增大。虽然缺乏实测数据对模型计算结果进行验证，但是从以上对计算结果的分析可见，模型计算的结算是合理的。

　　文中提出的模型建立在2个前提条件之上:1)有大量的淤地坝较均匀地分布在流域内;2)淤地坝拦沙率的变化符合指数型变化的规律。如果淤地坝数量较少或在流域内分布不均匀，或者由于发生了小范围局部暴雨使得淤地坝控制的流域与全流域平均土壤侵蚀强度发生了明显的偏差，则模型的计算结果就会产生显著的误差。在这种情况下，必须引入新的影响因素，比如可以考虑先与分布式侵蚀产沙模型相结合引入区域因子。目前对淤地坝拦沙率的定量研究还很少，本模型借鉴小型水库拦沙率的研究成果，认为淤地坝拦沙率的变化整体上符合指数型变化的规律，这对于大量淤地坝的平均值计算应该是可以的，但是如果计算单个或少量淤地坝可能会产生较大的误差。总之，文中提出的模型在不同条件下的运用还需要对计算模型做进一步地改进和完善。

　　6结论

　　(1)根据实测资料统计，清水河流域淤地坝始建于1971年，2000年以前淤地坝建设数量较少，2000年以后淤地坝数量迅速增加。至2012年清水河流域共有淤地坝302座，控制流域面积1090.15km2，总库容1.19亿m3，可淤积库容0.36亿m3，总拦沙量为0.17亿m3，淤积比为47.39%，淤地坝还具有较好的拦沙能力。

　　(2)在总拦沙量已知的条件下，文中引入淤地坝控制面积、平均侵蚀强度、拦沙率三个因素建立了淤地坝逐年拦沙量计算公式，计算了清水河流域1971-2012年间淤地坝逐年的拦沙量。计算结果表明，2000年以前淤地坝拦沙量在70万t以下，2000年以后多数年份拦沙量在100万t以上，其中2007年拦沙量最大，为361.89万t，2010年以后淤地坝拦沙量占流域侵蚀产沙量的比例超过11%，成为流域减蚀的重要因素。

　　(3)文中建立的计算模型是建立在大量的淤地坝较均匀地分布在流域内及淤地坝拦沙率的变化符合指数型变化的规律两个前提条件之上，在不同条件下的运用还需要做进一步地改进和完善。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国水利部.第一次全国水利普查水土保持情况公报[J].中国水土保持，2013(10):2-3，11.

　　[2]许炯心.黄河中游多沙粗沙区水土保持减少的近期趋势及其成因[J].泥沙研究，2004(2):5-10.

　　[3]许炯心，孙季.无定河淤地坝拦沙措施时间变化的分析与对策[J].水土保持学报，2006，20(2):26-30

　　水土保持论文投稿刊物：中国水土保持1982年改为现名,国内发行。从1984年第1期起改为月刊，国内外发行。贯彻水土保持方针政策，宣传水土保持成就;报道水土保持科技成果，交流水土保持生态建设经验;传递水土保持生态建设动态信息，介绍国内外水土保持治理措施;普及水土保持基础知识，推广水土保持生态建设典型。