劉曉燕，高云飛，馬三保，董國濤

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；3.綏德水土保持試驗(yàn)站，陜西 綏德 719000；4.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

在黃河近年來沙大幅偏少的背景下，如何認(rèn)識淤地壩的減沙作用及其時(shí)效性，是客觀把握黃河產(chǎn)沙情勢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

淤地壩是指在水土流失區(qū)小流域溝道中建造的以滯洪攔沙和淤地造田為目的的水土保持工程，幾十年來一直是減少入黃泥沙的重要水保工程。按庫容大小，淤地壩分為大、中、小三種類型，庫容50萬～500萬m3者稱為大型淤地壩，也稱治溝骨干工程或骨干壩；庫容10萬～50萬m3者稱為中型淤地壩；庫容1萬～10萬m3者稱為小型淤地壩。受地形和環(huán)境限制，黃土高原的淤地壩大多布置在面積100～200 km2以內(nèi)的溝道小流域內(nèi)，其中數(shù)量最多的中小型淤地壩主要分布在小流域的支溝和毛溝、大型壩主要分布在干支溝。

1990年代以來，淤地壩一直水土保持研究的重要課題。在1973年、1975年、1977年、1989年和1994年等典型大暴雨年，河口鎮(zhèn)-龍門區(qū)間（簡稱河龍間）淤地壩曾發(fā)生嚴(yán)重水毀，因此1990年代的淤地壩研究主要集中在淤地壩水毀原因調(diào)查［1-4］和攔沙量調(diào)查［5-6］。2000年以來，在繼續(xù)關(guān)注淤地壩水毀［7］和攔沙作用的同時(shí)［8-10］，關(guān)注點(diǎn)開始集中在淤地壩的減洪減沙作用［11-12］、淤地壩庫區(qū)沉積物組成［13］、淤滿以后的減蝕作用［14］和失去攔沙能力的判斷標(biāo)準(zhǔn)［15］。總體上看，現(xiàn)有成果極少關(guān)注淤地壩攔沙量與相應(yīng)入黃泥沙減少量的關(guān)系；有關(guān)庫區(qū)淤積面以上坡溝侵蝕環(huán)境變化對壩地減蝕量的影響問題，仍未見報(bào)導(dǎo)。本文重點(diǎn)分析黃土高原淤地壩的攔沙作用的時(shí)效性和淤地壩攔沙對入黃沙量的影響，以及坡溝侵蝕環(huán)境變化對壩地減蝕量的影響，為客觀認(rèn)識黃河水沙情勢提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)及其淤地壩概況本文以潼關(guān)以上黃土高原為研究區(qū)范圍（圖1，圖中灰色點(diǎn)子是現(xiàn)狀大中型淤地壩的分布），并重點(diǎn)關(guān)注河口鎮(zhèn)-龍門區(qū)間、北洛河上游、十大孔兌和涇河的馬蓮河上游等地區(qū)，該區(qū)不僅是黃土高原淤地壩最集中分布的地區(qū)，也是潼關(guān)以上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍

黃土高原淤地壩建設(shè)基本始于1950年代，1968—1976年和2004—2008年是淤地壩建設(shè)的兩個高峰期，見圖2（圖中“陜北地區(qū)”指榆林市和延安市北部6縣（區(qū)））。統(tǒng)計(jì)表明［16］，截止2015年，潼關(guān)以上地區(qū)共有淤地壩56 422座，其中大型壩5 658座、中型壩11 248座、小型壩39 516座；30%的大型壩（骨干壩）、69%的中型壩和90%的小型壩建成于1980年以前。

圖2 潼關(guān)以上黃土高原逐年建成的大中型淤地壩的數(shù)量

河龍間和北洛河上游是淤地壩的集聚區(qū)，目前該區(qū)大型、中型和小型淤地壩數(shù)量分別占潼關(guān)以上總量的70%、88%、91%。該區(qū)也是老舊淤地壩集聚區(qū)：1990年以前，潼關(guān)以上的大中型淤地壩幾乎全部分布在陜北的河龍區(qū)間和北洛河上游；晉陜兩省約3.5萬座小型淤地壩也主要分布于此，且大多建成于20世紀(jì)六七十年代。

2.2 數(shù)據(jù)采集本文采集了2008年水利部淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)、2011年全國水利普查數(shù)據(jù)、黃河上中游管理局匯集的各省（區(qū)）1999—2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及2008年、2011年、2014年、2015年和2017年相關(guān)市縣的淤地壩調(diào)查成果，分析得到研究區(qū)相關(guān)支流在不同時(shí)期的淤地壩數(shù)量、大中小壩的比例、空間分布、控制面積及截至某年的淤積量等信息。

采集了1990年代以來有關(guān)淤地壩減沙作用的代表性研究成果［5-8，17］，得到相關(guān)支流（區(qū)間）在不同時(shí)期的淤地壩年均攔沙量。

采用的支流輸沙量、實(shí)測徑流量和降雨量數(shù)據(jù)均來自黃河水文年鑒和黃河水文數(shù)據(jù)庫。根據(jù)研究區(qū)各支流來沙的年內(nèi)分布特點(diǎn)，本文采用的汛期水沙數(shù)據(jù)均為6—9月數(shù)據(jù)。將汛期輸沙量除以汛期徑流量，可得到汛期含沙量。

利用空間分辨率8 km的衛(wèi)星遙感影像，得到了典型支流1981—2017年植被歸一化指數(shù)（NDVI）；利用空間分辨率為30～56 m的衛(wèi)星遙感影像，提取了相關(guān)支流1978年、1998年、2010年和2013年的土地利用和植被蓋度數(shù)據(jù)，分析得到相應(yīng)支流的林草覆蓋率；利用空間分辨率為2.1 m的衛(wèi)星遙感影像，提取了相關(guān)支流2012年梯田面積及其分布數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)的采集與處理方法詳見文獻(xiàn)［17］。

2.3 數(shù)據(jù)處理為說明流域尺度上的林草和梯田覆蓋情況，引入“林草覆蓋率”和“林草梯田覆蓋率”概念，前者指流域內(nèi)林草葉莖正投影面積（Av）占流域易侵蝕區(qū)面積（Ae）的比例，后者指流域內(nèi)林草葉莖正投影面積（Av）與梯田面積（At）之和占流域易侵蝕區(qū)面積（Ae）的比例［14］，即“100（Av+At）/Ae”。其中，流域的易侵蝕區(qū)面積Ae是指流域內(nèi)剔除地面坡度小于3o的河川地和平原區(qū)、建設(shè)用地和石山區(qū)后的山丘區(qū)土地面積（km2），實(shí)際主要由不同植被蓋度的林草地（含俗稱的荒草地）、坡耕地和梯田組成，該區(qū)域顯然是流域泥沙的主要來源地。

為比較不同支流在相同降雨和相同面積情況下的逐年輸沙量變化、分析支流入黃沙量對淤地壩運(yùn)用的響應(yīng)，引入“歸一化輸沙量（SRi）”，計(jì)算公式為：

式中：Wsf為某支流入黃斷面的實(shí)測輸沙量，t；P25為日降雨大于25 mm的年降雨總量，mm。

大量實(shí)測數(shù)據(jù)表明，黃土高原大多數(shù)降雨并不產(chǎn)生徑流和泥沙，如綏德韭園溝1954—1979年共降雨1713次，其中產(chǎn)流降雨僅119次。王萬忠發(fā)現(xiàn)［18］，黃土地區(qū)日降雨達(dá)到25 mm時(shí)，土壤侵蝕達(dá)到“強(qiáng)度”標(biāo)準(zhǔn)。采用日降雨大于10、25和50 mm等不同的降雨指標(biāo)，劉曉燕等［19］分析了流域尺度上林草覆蓋率與產(chǎn)沙指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用“日降雨大于25 mm的年降水總量（P25）”計(jì)算產(chǎn)沙指數(shù)，關(guān)系曲線的相關(guān)程度更高。因此，本文采用P25作為降雨指標(biāo)。事實(shí)上，黃土高原此類降雨基本上發(fā)生在汛期。

不過，流域的輸沙量并不能很好地反映流域的真實(shí)產(chǎn)沙量。土壤侵蝕量是指土壤在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外營力作用下產(chǎn)生位移的物質(zhì)量，而“產(chǎn)沙量”是指通過小流域出口斷面的泥沙總量［20］；各小流域所產(chǎn)泥沙進(jìn)入支流河道并輸送至黃河，才能成為入黃輸沙量。侵蝕是產(chǎn)沙和輸沙的前提，但發(fā)生侵蝕并不意味著小流域和支流把口斷面有泥沙輸出。從服務(wù)于生產(chǎn)角度，更值得關(guān)注的是流域的產(chǎn)沙量。因此，為分析流域產(chǎn)沙能力的變化，引入“產(chǎn)沙指數(shù)”概念，是指流域內(nèi)單位有效降雨在單位面積上的產(chǎn)沙量，其值越大，相同降雨情況下的產(chǎn)沙量越大，計(jì)算公式如下：

式中：Si為產(chǎn)沙指數(shù)，t/（mm·km2）；Ws為水文站控制區(qū)內(nèi)的流域產(chǎn)沙量，t。

利用水文站實(shí)測輸沙量數(shù)據(jù)，還原不同時(shí)期的淤地壩和水庫攔沙量及灌溉引沙量，可大體推算出各支流不同時(shí)期的流域產(chǎn)沙量。

對比式（1）和式（2）可見，歸一化輸沙量與產(chǎn)沙指數(shù)的核心區(qū)別在于，式（1）中的Wsf是流域把口斷面的實(shí)測輸沙量，式（2）中的Ws是該斷面以上的流域產(chǎn)沙量，由于壩庫攔截和灌溉引沙等因素影響，實(shí)測輸沙量往往小于該流域的實(shí)際產(chǎn)沙量。人們可以輕易獲取某支流的逐年輸沙量數(shù)據(jù)，但由于難以準(zhǔn)確掌握數(shù)萬座壩庫的逐年攔沙量、通常只能獲取其連續(xù)數(shù)年的年均攔沙量，因此很難獲得流域的逐年產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)。

為分析淤地壩因攔沙而導(dǎo)致的流域減沙效益，引入“產(chǎn)輸比”概念，是指流域內(nèi)淤地壩控制區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)與把口水文站控制區(qū)（扣除淤地壩控制區(qū)）輸沙模數(shù)之比。其中，淤地壩控制區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)等于區(qū)內(nèi)年均產(chǎn)沙量除以該控制區(qū)面積，輸沙模數(shù)是水文斷面實(shí)測輸沙量除以水文控制區(qū)面積（扣除淤地壩控制區(qū)面積）。“產(chǎn)輸比”與“泥沙輸移比”的區(qū)別在于，后者是斷面以上流域侵蝕量與斷面輸沙量的比值［21］，而“侵蝕量”與“產(chǎn)沙量”顯然存在差異。

必須承認(rèn)，以上給出的淤地壩控制區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)計(jì)算方法并不嚴(yán)謹(jǐn)。黃土高原的淤地壩均分布在小流域內(nèi)，其中中小型淤地壩多布置在支毛溝，因此淤地壩所攔泥沙的性質(zhì)介于小流域的侵蝕量和產(chǎn)沙量之間。不過，只要淤地壩數(shù)量足夠多，仍可近似說明所在小流域的產(chǎn)沙水平。

分析“產(chǎn)輸比”的定義可見，其值越大，小流域所產(chǎn)泥沙能夠被輸送到黃河的可能性越?。o壩庫工程攔截情況下），亦即淤地壩對黃河的減沙量占淤地壩攔沙量的比例越小。換局話說，產(chǎn)輸比越大，淤地壩因攔沙而帶來的相對于黃河的減沙效益越小。在此情況下，即使沒有淤地壩，小流域所產(chǎn)泥沙的相當(dāng)部分也難以輸送到黃河。

3 淤地壩攔沙與黃河減沙的關(guān)系

1990年代以來，黃河水沙變化研究基金項(xiàng)目、國家“十一五”和“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目等均曾對不同時(shí)期的淤地壩攔沙量進(jìn)行過全面調(diào)查和計(jì)算［5-8，17］，結(jié)果見圖3。由圖3可見，淤地壩攔沙量在1970—1989年達(dá)到頂峰，之后逐漸降低，這與建成時(shí)間、空間分布和設(shè)計(jì)攔沙壽命基本呼應(yīng)；66%～80%的攔沙量集中在河龍區(qū)間和北洛河上游。

圖3 不同時(shí)期的淤地壩攔沙量

不過，淤地壩攔沙量及其導(dǎo)致的入黃泥沙減少量不一定相等。利用2008年、2011年、2014年、2015年和2017年相關(guān)市縣的淤地壩調(diào)查成果，對相關(guān)支流淤地壩的數(shù)量、控制面積和近年實(shí)際攔沙量進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，并同時(shí)采集了流域林草梯田覆蓋率和把口斷面實(shí)測輸沙量數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。為盡可能剝離水庫攔沙的干擾，本文在計(jì)算支流的輸沙模數(shù)時(shí)，還原了水庫攔沙量，或盡可能選擇水庫較少的支流作為研究樣本；為減少“舊淤地壩近年攔沙量較難確定”因素的干擾，未將老舊淤地壩集中的無定河、清澗河和佳蘆河納入分析。由表1可見，無論是來沙較粗的十大孔兌、窟野河上游和皇甫川，還是來沙較細(xì)的典型黃土丘陵區(qū)支流，絕大多數(shù)支流的“產(chǎn)輸比”都大于1。

近40多年來，黃土高原的林草植被覆蓋率大幅提高，大規(guī)模梯田建成投運(yùn)［22］。產(chǎn)沙環(huán)境如此巨變，加之淤地壩削減洪峰和洪量，必然引起含沙水流演進(jìn)規(guī)律變化。為深入認(rèn)識流域下墊面變化對產(chǎn)輸比的影響，以區(qū)域內(nèi)沒有水庫或水庫攔沙量已知、老舊淤地壩極少或其攔沙量已知、仍有攔沙功能的淤地壩控制面積不低于流域水蝕面積的10%為原則，選擇礫質(zhì)丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)典型支流，點(diǎn)繪了流域林草梯田覆蓋率與產(chǎn)輸比的關(guān)系，結(jié)果見圖4。圖4中的礫質(zhì)丘陵區(qū)支流包括十大孔兌中的西柳溝、罕臺川和毛不拉，以及窟野河轉(zhuǎn)龍灣及新廟以上地區(qū)；黃土丘陵區(qū)支流包括表1中的非礫質(zhì)丘陵區(qū)支流，以及馬蓮河上游、朱家川、清涼寺溝、屈產(chǎn)河和昕水河等。圖4共計(jì)采用了31個數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中16個數(shù)據(jù)點(diǎn)的“仍有攔沙功能的淤地壩控制面積占流域水蝕面積的比例”為20%～59%。

表1 淤積壩攔沙量和實(shí)測輸沙量對比

圖4 林草梯田覆蓋率變化對流域產(chǎn)輸比的影響

由圖4可見：

（1）無論是地表土壤中黏性礦物較多、粗沙含量低的黃土丘陵區(qū)，還是地表土壤中黏性礦物極少、粗沙含量高的礫質(zhì)丘陵區(qū)，均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即流域的“產(chǎn)輸比”幾乎都大于1，而且隨流域林草梯田覆蓋率的增加而增大。

（2）礫質(zhì)丘陵區(qū)的產(chǎn)輸比均明顯大于黃土丘陵區(qū)，這是來沙粒徑不同使然。在礫質(zhì)丘陵區(qū)，泥沙粒徑大于0.05 mm者高達(dá)60%～80%，來沙中不僅有黃土，而且有大量風(fēng)沙和小石子，后者極易沉降淤積；而在黃土丘陵區(qū)，粒徑大于0.05 mm的粗泥沙含量只有20%～40%。

礫質(zhì)丘陵區(qū)的現(xiàn)象，與十大孔兌在不同河段的河床淤積物粒徑組成變化相呼應(yīng)。侯素珍等對西柳溝、罕臺川和毛不拉的河床淤積物進(jìn)行取樣分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)［23］，孔兌上游河床淤積物的中值粒徑D50是入黃口斷面處的21～52倍，甚至是庫不齊沙漠風(fēng)積沙的9倍以上。

（3）在黃土丘陵區(qū)，當(dāng)流域林草梯田覆蓋率小于35%時(shí)，產(chǎn)輸比大體等于1；林草梯田覆蓋率大于35%后，產(chǎn)輸比隨林草梯田覆蓋率的增大呈指數(shù)增加。在黃土高原嚴(yán)重水土流失區(qū)，林草梯田覆蓋率為10%～30%恰是其20世紀(jì)中后期的總體狀況，因此該時(shí)期流域所產(chǎn)泥沙基本上可以輸送至黃河（若無壩庫攔截）。該結(jié)論與前人研究成果基本吻合：基于無定河中下游地區(qū)1960年代的實(shí)測洪水?dāng)?shù)據(jù)，龔時(shí)旸等［24］分析了從流域坡面、毛溝、支溝和干溝，到各級支流把口斷面的含沙量變化，發(fā)現(xiàn)暴雨洪水期間的含沙量始終維持在一個極高的量級上，因此認(rèn)為土壤侵蝕量與入黃泥沙量基本相等；利用1970—1989年黃河中游155座“悶葫蘆”淤地壩的攔沙量、以及相關(guān)支流的植被和地形等信息，景可等［25］推算了流域侵蝕量，并與同期實(shí)測輸沙量進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，河龍區(qū)間面上侵蝕量大體為入黃輸沙量的1.108倍，在龍門—三門峽區(qū)間（泥沙粒徑較細(xì)）為1.036倍。

（4）當(dāng)林草梯田覆蓋率大于40%（礫質(zhì)丘陵區(qū)）或60%（黃土丘陵區(qū)）時(shí)，產(chǎn)輸比達(dá)5.5以上，說明此時(shí)的小流域不僅產(chǎn)沙極少，而且所產(chǎn)泥沙的80%左右難以輸送至黃河（無壩庫攔截情況下）。

4 淤地壩運(yùn)用對流域產(chǎn)沙的影響

淤地壩不僅具有攔沙作用，其攔沙所形成的壩地還可使被占壓的溝谷免受侵蝕、并通過抬高侵蝕基準(zhǔn)面而減輕溝谷的重力侵蝕，通過削減洪峰和降低出庫含沙量而改變下游河床的沖刷量，進(jìn)而減少流域產(chǎn)沙。

目前，黃土高原的淤地壩主要分布在黃土丘陵第1副區(qū)和第2副區(qū)，該區(qū)地形如圖5所示。在坡面植被很差、梯田極少的20世紀(jì)六七十年代，這些地區(qū)（峁邊線以下）溝谷地產(chǎn)沙量一般可達(dá)流域沙量的50%～60%［24-26］。理論上，淤地壩攔沙所形成的“壩地”能夠完全遏制其淤積面以下的溝谷產(chǎn)沙，并降低淤積面附近重力侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 黃土丘陵區(qū)溝道小流域的地形

統(tǒng)計(jì)和實(shí)地調(diào)查表明，陜北現(xiàn)狀大、中、小型淤地壩的壩高一般為20～30 m、10～20 m和5～10 m，該高度通常不足當(dāng)?shù)蒯惯吘€高度的1/2～1/4（圖6）。而且，淤地壩滯洪攔沙對下游河床的減沙作用是不確定的，既有削減洪水流量所產(chǎn)生的河床減沖作用，又有含沙量降低、水流挾沙力富余可能導(dǎo)致的增沖作用。

圖6 陜北典型壩地

選擇淤地壩集中分布的陜北支流，分析壩地對流域產(chǎn)沙的削減作用。表2是該區(qū)典型支流在20世紀(jì)中后期的主要下墊面信息，表中“梯田占比”和“壩地占比”分別指梯田或壩地面積占流域水蝕面積的比例。由表2可見，從1979年到1996年，該區(qū)林草覆蓋狀況總體上略有改善，其中無定河中下游和佳蘆河流域已有一定規(guī)模的梯田，最終使林草梯田覆蓋率由20.2%增大到23.6%；至1996年，該區(qū)壩地面積占水蝕面積的平均比例為1.23%，其中無定河中下游和佳蘆河流域達(dá)到1.6%左右。

表2 陜北典型支流下墊面情況

圖7是陜北支流1950年代至1990年代的產(chǎn)沙指數(shù)變化。由圖7可見：

（1）與梯田極少的1956—1969年相比（因無遙感信息，同期林草覆蓋率不詳），盡管1970年代該區(qū)梯田占比已達(dá)2.13%、壩地占比達(dá)0.57%，但其1970年代產(chǎn)沙指數(shù)較1956—1969年變化不大，大理河和清澗河流域的產(chǎn)沙指數(shù)甚至更高，說明新增梯田和壩地的減蝕作用已被林草退化所抵消，該認(rèn)識與前人研究結(jié)論基本吻合［22，27］。

圖7 陜北支流產(chǎn)沙模數(shù)變化

（2）1990年代，該區(qū)壩地占比平均為1.2%，產(chǎn)沙指數(shù)較1970年代偏低16.9%。由表2可知，同期梯田面積占比為6.5%、林草覆蓋率與1970年代相近。采用文獻(xiàn)［17］提出的方法，計(jì)算得到1990年代梯田的減沙作用為12.3%，進(jìn)而推斷1990年代壩地的減沙作用為4.6%。對照同期壩地面積占比“1.2%”可見，壩地減沙作用的“空間影響范圍”可大體達(dá)自身面積的4倍，達(dá)到“以1當(dāng)4”的效果，遠(yuǎn)大于冉大川提出的“1.75倍”［11］。遺憾的是，即使在淤地壩最為集中的河龍間，目前的壩地也只有743 km2；在龍門-潼關(guān)區(qū)間和黃河上游的廣大地區(qū)，現(xiàn)狀壩地合計(jì)僅約100 km2。

在林草梯田覆蓋狀況變化很小的20世紀(jì)中后期，河龍間淤地壩集聚區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)約10 000～20 000 t/km2，因此估計(jì)1990年代600 km2的壩地可減少產(chǎn)沙3 000萬 ～3 500萬t。不過，2000年以來，隨著大規(guī)模梯田投運(yùn)和林草植被大幅改善，梁峁坡下溝的徑流量大幅減少，進(jìn)而降低了溝谷的侵蝕產(chǎn)沙動力；同時(shí)，溝谷植被的大幅改善，也使其自身的抗蝕能力大幅提高。因此，單位面積壩地的實(shí)際減蝕作用會較1990年代下降，該推測在韭園溝等典型小流域2009年以來的產(chǎn)沙情況得到證明。

綏德韭園溝流域（把口斷面以上流域面積70.1 km2）和裴家峁流域（把口斷面以上流域面積39.5 km2）是兩條緊鄰的無定河一級支流，其地形和地表土壤基本相同，天然時(shí)期產(chǎn)沙模數(shù)均約18 000 t/km2·a。1982年以來，兩流域植被狀況基本相同、且逐漸改善，2009年以后基本穩(wěn)定，見圖8。2012年梯田面積占旱耕地面積的比例分別為22%和23%。截至2009年底，韭園溝流域共建成淤地壩217座、壩地面積2.52 km2（壩地面積占比為3.6%）；裴家峁流域內(nèi)只有8座淤地壩，壩地面積0.24 km2、占比0.6%。由此可見，兩流域是研究壩地減蝕作用的理想流域。

圖8 韭園溝、裴家峁和岔巴溝流域植被覆蓋變化情況

2009—2016年，韭園溝流域和裴家峁流域的年均有效降雨量P25分別為202.84和189.15 mm，較多年均值偏豐約26%。實(shí)測年均輸沙量分別為8547和29 818 t，相應(yīng)的輸沙模數(shù)分別為121和755 t/km2，折算成相同降雨條件的輸沙模數(shù)分別為121和810 t/km2，分別較其天然時(shí)期減少99.3%和95.5%。目前，韭園溝淤地壩已實(shí)現(xiàn)對流域面積的全控制，故若還原淤地壩的攔沙量，兩流域產(chǎn)沙模數(shù)較天然時(shí)期的減幅之差更小。

岔巴溝流域（把口斷面流域面積187 km2）與以上兩流域相距約30 km，土壤、植被和梯田狀況相近，現(xiàn)有179座淤地壩、壩地面積約3 km2。2009—2016年，在流域年均降雨量P25為180 mm情況下，岔巴溝年均輸沙量10.03萬t，輸沙模數(shù)536 t/km2；若還原淤地壩攔沙量，岔巴溝流域的產(chǎn)沙模數(shù)也與裴家峁流域接近。

由此可見，在小流域“上游”林草梯田覆蓋率大幅改善背景下，“下游”壩地的減沙作用難以充分發(fā)揮。不過，淤地壩仍可繼續(xù)為當(dāng)?shù)厝罕娞峁﹥?yōu)良耕地、用水和交通便利。

5 淤地壩減沙作用的時(shí)效性

淤地壩主要通過攔截小流域所產(chǎn)泥沙和減輕溝道侵蝕等兩大途徑實(shí)現(xiàn)對入黃沙量的削減。不過，即使在淤地壩最集中的河龍區(qū)間，目前的壩地面積也只有易侵蝕區(qū)面積的0.2%～2%，因此“攔沙”仍是淤地壩實(shí)現(xiàn)減沙的主要途徑。

依靠有限的庫容，去攔截?zé)o限的泥沙，由此決定了淤地壩依靠攔沙而換來的減沙作用必然有很強(qiáng)的時(shí)效性。像水庫一樣，一旦攔沙庫容淤滿，淤地壩因攔沙而取得的減沙作用隨即消失，只有壩地的減蝕作用得以可持續(xù)維持。

20世紀(jì)中后期，陜北是淤地壩最多的地區(qū)。因此，本文選擇淤地壩集中、且有實(shí)測水沙數(shù)據(jù)的禿尾河高家堡至高家川區(qū)間、佳蘆河申家灣以上、無定河丁家溝至白家川區(qū)間、清澗河延川以上和延河甘谷驛以上等陜北支流，分析淤地壩減沙作用的可持續(xù)性。該區(qū)總面積1.84萬km2，其絕大多數(shù)淤地壩建成于1980年以前；截止1999年，區(qū)內(nèi)只有1座大型水庫（延河王窯水庫，1972年建成）和5座中型水庫；1978年和1998年，該區(qū)的林草梯田覆蓋率分別為20.56%和22.42%，即增量很小。該區(qū)其它下墊面信息見表2。

支流入黃輸沙量是流域下墊面和降雨共同作用的集中體現(xiàn)，因此可通過輸沙量的逐年變化，分析淤地壩減沙作用的時(shí)效性。由圖9可見，除發(fā)生了淤地壩大規(guī)模水毀的1977年外［9］，研究區(qū)的歸一化輸沙量在1970—1980年代大幅降低，但1990年代明顯反彈、尤以清澗河和大理河反彈突出，該過程與同期淤地壩數(shù)量變化（圖2）和當(dāng)時(shí)產(chǎn)沙環(huán)境下的設(shè)計(jì)攔沙壽命基本呼應(yīng)（大型壩10～30年，中型壩5～10年，小型壩3～5年）。

圖9 陜北支流歸一化輸沙量變化

進(jìn)一步分析圖9發(fā)現(xiàn)，與1964—1979年相比，盡管明顯反彈，但1994—1999年的年均歸一化輸沙量仍總體偏低32%，扣除梯田和壩地的減蝕作用后仍偏低約15%，說明仍有部分淤地壩在繼續(xù)發(fā)揮攔沙作用。1998—2000年以后，該區(qū)植被大幅改善、同時(shí)又有大量高標(biāo)準(zhǔn)梯田建成，加之2003年以后水利部淤地壩亮點(diǎn)工程實(shí)施，不僅使輸沙量反彈勢頭得到有效遏制，甚至入黃泥沙減幅高達(dá)85%～95%。

汛期含沙量也是反映流域產(chǎn)沙強(qiáng)度的重要指標(biāo)。由圖10可見，與歸一化輸沙量一樣，在淤地壩眾多的陜北支流，汛期含沙量也在1972年以后急劇下降，1990年代大幅反彈。2002年，清澗河汛期平均含沙量甚至高達(dá)656 kg/m3，是1954年以來的實(shí)測最大值。

圖10 陜北典型支流汛期含沙量變化

以上結(jié)果與陜西省水保局1995年完成的1994年陜北地區(qū)淤地壩水毀情況調(diào)查結(jié)論基本呼應(yīng)［2］，該調(diào)查成果指出，20世紀(jì)六七十年代所建淤地壩大部分已經(jīng)淤滿；約90%的小型淤地壩已經(jīng)沒有滯洪庫容。

由此可見，一旦攔沙功能失效，現(xiàn)有淤地壩的減沙作用將隨之回落，最終將主要靠壩地的溝谷減蝕作用實(shí)現(xiàn)減沙。

要維持淤地壩的現(xiàn)狀攔沙作用，必須持續(xù)不斷地推進(jìn)淤地壩的建設(shè)步伐。然而，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著黃土高原社會和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化，2010年以來各地新建淤地壩的數(shù)量大幅減少，潼關(guān)以上地區(qū)每年建成的淤地壩數(shù)量不足100座。

6 結(jié)果與討論

（1）攔沙是淤地壩最重要的功能，但淤地壩攔沙量與其導(dǎo)致的入黃泥沙減少量不一定相等。利用大量實(shí)測數(shù)據(jù)的分析表明，淤地壩攔沙量一般大于或等于入黃泥沙減少量；流域林草梯田覆蓋率越大、地表土壤粒徑越粗，淤地壩控制區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)與無控區(qū)輸沙模數(shù)之比越大，即淤地壩因攔沙所帶來的流域減沙量占其攔沙量的比例越小。

在林草梯田覆蓋狀況較差的20世紀(jì)后半期，絕大部分黃土丘陵區(qū)的林草梯田覆蓋率只有10%～30%，因此淤地壩每攔1 t泥沙，入黃泥沙大體可減少1 t。然而，2000年以來，黃土高原林草梯田覆蓋狀況大幅改善。目前，黃土高原礫質(zhì)丘陵區(qū)的林草梯田覆蓋率已達(dá)40%～50%；在黃土丘陵區(qū)，原本水土流失嚴(yán)重的延安北部和河龍間山西支流的林草梯田覆蓋率多在50%～65%，其它陜北支流也達(dá)40%～50%。據(jù)圖4推斷，在此類地區(qū)，即使沒有淤地壩，小流域所產(chǎn)泥沙也多半難以輸送至黃河，淤地壩因攔沙而帶來的減沙效益占比也大幅降低，需攔沙2～5 t才能減少入黃泥沙1 t。

（2）失去攔沙能力后，淤地壩仍可以依靠其壩地發(fā)揮溝谷減蝕作用，如陜北壩地在1990年代的減沙作用“空間影響范圍”大體達(dá)自身面積的4倍，單位面積壩地的減沙作用超過水平梯田。

不過，目前黃河潼關(guān)以上黃土高原的壩地總面積仍不到850 km2，即使在淤地壩最集中的河龍間，壩地面積占水蝕面積的平均比例也不足1%。而且，隨著流域坡溝植被大幅改善、大量梯田建成投運(yùn)，進(jìn)入溝谷的地表徑流量及其流速大幅降低，限制了壩地減蝕作用的充分發(fā)揮。從陜北典型小流域韭園溝、岔巴溝和裴家峁的實(shí)例看，目前單位面積壩地的實(shí)際減蝕作用明顯降低。

（3）淤地壩減沙作用的時(shí)效性突出，一旦攔沙庫容淤滿、攔沙功能失效，即失去其大部分減沙能力，之后主要靠壩地減蝕而實(shí)現(xiàn)減沙。實(shí)測水沙數(shù)據(jù)表明，在淤地壩集聚的河龍區(qū)間和北洛河上游，20世紀(jì)六七十年代建成的淤地壩絕大多數(shù)（尤其是占淤地壩總量90%以上的中小淤地壩）已失去攔沙能力。

陜北是黃土高原淤地壩最多的地區(qū)，也是老舊淤地壩集聚地。本文以該區(qū)淤地壩為研究對象，所提出的認(rèn)識對探究黃土高原淤地壩的減沙作用及其時(shí)效性，具有較大現(xiàn)實(shí)意義。

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