近10a來十大孔兌現狀淤地壩攔沙作用分析

王麗云 馬振剛 高云飛 喬楠 屈創 王曉星

摘要：十大孔兌流域水土流失嚴重，是黃河粗泥沙的重要來源區，但2000年以來該區入黃沙量銳減。利用2017年初的淤地壩詳查數據，分析了十大孔兌現狀淤地壩數量與時空分布，并計算了近10a淤地壩攔沙量，估算了未來攔沙潛力和剩余攔沙壽命。結果表明：截至2016年年底，十大孔兌共有淤地壩359座，其中骨干壩149座、中型壩117座、小型壩93座，建成時間集中于1995-2000年、2005-2010年兩個時期，73.5%的淤地壩分布在毛不拉、西柳溝和罕臺川；2007-2016年，十大孔兌淤地壩的實際攔沙量為2627.56萬t。現有骨干壩攔沙潛力為11444.81萬t，平均剩余攔沙壽命為68a；中型壩攔沙潛力為1782.61萬t，平均剩余攔沙壽命為23a；小型壩攔沙潛力為482.94萬t，平均剩余攔沙壽命為46a。

關鍵詞：數量；空間分布；攔沙量；淤地壩；十大孔兌

中圖分類號：P333 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.020

淤地壩是指在溝道中修筑的以攔泥、緩洪、淤地造田、發展生產為目的的水土保持工程設施[1]。按總庫容可分為大、中、小三種類型，其中：大型淤地壩也稱治溝骨干工程（以下簡稱骨干壩），總庫容一般在50萬m3以上；中型壩總庫容一般為10萬～50萬m3；小型壩總庫容一般為1萬～10萬m3。淤地壩對于抬高溝道侵蝕基準面、防治水土流失、減少入黃泥沙等具有重要作用[2]。

十大孔兌流域水土流失嚴重，是黃河粗泥沙的重要來源區[3]。2000年以來，該區入黃沙量銳減，其中西柳溝和毛不拉孔兌2010-2017年的入黃沙量較1960-2000年分別減少85%、97%。在此背景下，現狀淤地壩的實際攔沙作用尤其引入矚目[4]。基于實測數據，本文分析了現狀淤地壩的數量及空間分布，計算了近10a的實際攔沙量，并估算了未來淤地壩的攔沙潛力和攔沙壽命，以期為闡明孔兌入黃沙量減少的原因提供技術支持。

1 研究區概況與基礎數據

十大孔兌位于黃河流域內蒙古鄂爾多斯市北部，自西向東依次為毛不拉、卜爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、木哈爾河、東柳溝、呼斯太河，流域涉及鄂爾多斯市杭錦旗、達拉特旗、東勝區和準格爾旗4個旗（區）[5]。十大孔兌區間長度約210km，流域總面積10767km2，水土流失面積8803km2，其中風水交錯侵蝕區面積8363km2。十大孔兌上游屬丘陵溝壑區，水土流失嚴重；中游為風沙區，風蝕沙化嚴重；下游為洪積、沖積平原，堤防老化失修。十大孔兌山洪頻發，易形成沙壩，嚴重威脅著黃河內蒙古段防洪防凌安全[6]。

內蒙古鄂爾多斯市水保部門于2017年初對境內淤地壩進行了詳細調查，截止時間為2016年12月31日，調查內容包括淤地壩的數量、建成時間、總庫容和已淤積庫容等，此次調查投入了大量的人力和物力，工作認真嚴謹，數據具有較強的可信度。基于該數據，本文對十大孔兌淤地壩的時空分布及其2007-2016年的實際攔沙量進行了分析。2現狀規模與時空分布

截至2016年年底，十大孔兌共有淤地壩359座，總庫容約16248萬m3。其中：骨干壩149座，總庫容約13541萬m3；中型壩117座，總庫容約2165萬m3；小型壩93座，總庫容約542萬m3。

十大孔兌不同時期、不同類型淤地壩的建成數量見表1，歷年建成的淤地壩數量見圖1。十大孔兌骨干壩、中型壩、小型壩建成時間的分布趨勢基本一致，集中在1995-2000年與2005-2010年，2011年以后以骨干壩為主，中型壩、小型壩建設較少。其中：骨干壩的23.5%建成于1995-2000年，45.6%建成于2005-2010年；中型壩的15.4%建成于1995-2000年，75.2%建成于2005-2010年；小型壩的20%建成于1995-2000年，80%建成于2005-2010年。1995-2000年淤地壩主要由世行貸款項目和國家下達計劃修建；2003年后，淤地壩被作為水利部“亮點工程”，出現了淤地壩修建高潮；2010年4月，水利部和內蒙古自治區政府聯合批復了《黃河內蒙古段十大孔兌治理規劃》，進一步推進了淤地壩的建設。

十大孔兌現狀淤地壩的空間分布情況見圖2，可知73.5%的淤地壩集中分布在毛不拉、西柳溝和罕臺川3條支流，其中毛不拉占18.7%、西柳溝占29.5%，罕臺川占25.3%。在149座骨干壩中，21.7%分布于毛不拉，26.8%分布于西柳溝，24.2%分布于罕臺川；在117座中型壩中，20.5%分布于毛不拉，26.5%分布于西柳溝，25.6%分布于罕臺川；在93座小型壩中，37.6%分布于西柳溝，26.9%分布于罕臺川，20.4%分布于呼斯太河。

3 2007-2016年攔沙量分析

有關學者在以往的研究中通常利用壩地面積推算淤地壩在某時段的攔沙總量或年均攔沙量，其原理：獲取時段初和時段末的壩地面積，并計算與壩地面積相對應的淤積體積，淤積體積之差即為淤地壩在該時段內的攔沙總量[7-8]。該方法思路清晰，但各地溝道地形千差萬別，故基于壩地面積推算淤積體積是其難點，而且研究區缺乏淤地壩在2007年初的壩地面積數據。為摸清十大孔兌淤地壩在2007-2016年的實際攔沙量，筆者探索采用了新的計算方法。

前文提到，水保部門現已摸清了十大孔兌每座淤地壩的建成時間和庫容信息，并實測了每座淤地壩截至2016年年底的淤積總量。基于此，筆者將十大孔兌淤地壩按“建成時間”分成兩組，即2006年及以前建成者（簡稱舊壩）和2007年及以后建成者（簡稱新壩），然后分別分析其在2007-2016年的實際攔沙量。對于新壩，其實測的淤積總量顯然即為2007-2016年的淤積量。統計表明，2007年以后建成的骨干壩、中型壩和小型壩分別有67座、62座、33座，分別占十大孔兌現狀大、中、小型淤地壩總量的45%、53%、35%。如何識別舊壩在2007-2016年的實際淤積量是本研究的難點，原因是本次實測的各壩淤積量實際上是該淤地壩自建成到2016年年底的淤積總量，即包括了2006年及以前的淤積量。

經分析十大孔兌淤地壩的建成時間發現，舊壩中骨干壩、中型壩和小型壩分別為82座、55座、60座，而2006-2008年建成的骨干壩、中型壩和小型壩分別為35座、28座、35座。該結果為推算舊壩在近10a的實際攔沙量提供了重要途徑：

（1）將2006-2008年建成的淤地壩在過去10a的“單壩年均淤積量”作為舊壩在同期的單壩年均淤積量，骨干壩、中型壩、小型壩分別為0.87萬、0.51萬、0.09萬m3/a。由于作為樣本的“2006-2008年淤地壩”數量幾乎為舊壩數量的一半，因此該處理方式可行。

（2）在舊壩中識別出近10a仍能發揮攔沙作用的數量，稱為“有效淤地壩”。然后，將該數量與樣本淤地壩的“單壩年均淤積量”相乘，即可得到舊壩在近10a的年均總淤積量。

如何識別近10a仍能發揮攔沙作用的淤地壩，也是需要解決的關鍵問題。眾所周知，淤地壩攔沙功能的實現主要取決于庫容，當泥沙淤積達到可淤積庫容的最大值后即失去攔沙能力。水利部于2009年開展了黃土高原淤地壩安全大檢查，從檢查結果中發現，各省（區）均存在較多淤地壩的“已淤庫容”超過“設計攔泥庫容”的現象，即淤地壩在淤積量達到設計攔泥庫容后仍在發揮攔沙作用。因此，若根據設計資料直接將設計攔泥庫容作為淤地壩攔沙功能失效的判斷標準，則與現實情況存在偏差[9-10]。要準確評估現存淤地壩的攔沙作用，就必須進一步確定現狀淤地壩攔沙功能失效的判斷標準。本文采用高云飛等[9]在研究陜北黃河中游淤地壩攔沙功能時確定的黃土高原淤地壩攔沙功能失效判斷標準，即將平均淤積比例（已淤庫容/總庫容）0.77、0.88分別作為現狀骨干壩、中小型壩攔沙功能失效的判斷標準。以此標準進行檢驗，在十大孔兌現狀骨干壩、中型壩和小型壩中，極可能分別有1座、2座和5座已基本失去攔沙能力，該數量占總量的比例極小，說明十大孔兌流域的淤地壩總體處于“青壯年期”。

基于以上方法給出了十大孔兌現狀淤地壩在2007-2016年的總淤積量和年均淤積量（見表2），其中淤積體容重按1.3t/m3計算。由表2可知，十大孔兌近10a攔沙總量為2627.56萬t，其中：骨干壩攔沙1848.94萬t，占攔沙總量的70.36%；中型壩攔沙672.54萬t，占攔沙總量的25.60%；小型壩攔沙106.08萬t，占攔沙總量的4.04%。在十大孔兌淤地壩近10a的攔沙量中，西柳溝、罕臺川和毛不拉這3條孔兌的年均攔沙量分別為98.1萬、62.3萬、39.7萬t/a，合計占十大孔兌攔沙量的76%。

從以上分析過程可見，由于占現狀淤地壩數量近50%的新壩的攔沙量為實測結果，推算舊壩攔沙量所采用的樣本淤地壩數量也幾乎為舊壩總量的50%，因此表2給出的淤積量結果是基本可靠的。

4 未來淤地壩的攔沙潛力和攔沙壽命

淤地壩是黃土高原地區防治水土流失的關鍵措施，也是改善生態環境及農業生產、農村生活條件，發展農村經濟的重要基礎工程，在黃土高原地區具有極其重要的戰略地位和不可替代的作用。按淤地壩建設時序，大體經歷了試驗示范、全面推廣、大力發展、鞏固提高、壩系建設5個階段。估算現狀淤地壩的攔沙潛力和攔沙壽命對淤地壩的規劃實施有著重要作用。

按2007-2016年的淤積速率測算現有骨干壩、中型壩和小型壩的攔沙潛力和攔沙壽命，攔沙潛力利用可淤積庫容與現狀已淤積庫容的差值計算。由淤地壩攔沙功能失效的判斷標準可知，骨干壩可淤積庫容為骨干壩總庫容的77%，中小型壩可淤積庫容為總庫容的88%。淤地壩的剩余攔沙壽命自2017年開始，按2007-2016年淤地壩的平均淤積速率測算，即攔沙潛力與平均淤積速率的比值。

經估算，十大孔兌骨干壩剩余可淤積庫容為8803.70萬m3，攔沙潛力為11444.81萬t，平均剩余攔沙壽命為68a；中型壩剩余可淤積庫容為1371.24萬m3，攔沙潛力為1782.61萬t，平均剩余攔沙壽命為23a；小型淤地壩剩余可淤積庫容為371.49萬m3，攔沙潛力為482.94萬t，平均剩余攔沙壽命為46a，見表3。

5 結論

（1）截至2016年年底，十大孔兌共有淤地壩359座，其中骨干壩149座、中型壩117座、小型壩93座，總庫容約16248萬m3。統計表明，十大孔兌骨干壩、中型壩、小型壩的集中建設期基本一致，集中建成于1995-2000年與2005-2010年，2011年以后以骨干壩為主，中型壩、小型壩建設較少。在空間分布上，十大孔兌流域淤地壩集中分布在毛不拉、西柳溝和罕臺川，占淤地壩總數的73.5%。

（2）截至2016年年底，十大孔兌仍有攔沙功能的骨干壩有148座，中型壩有115座，小型壩有88座。近10a攔沙總量為2627.56萬t，其中骨干壩、中型壩、小型壩的攔沙量分別為1848.94萬、672.54萬、106.08萬t。

（3）自2017年起，十大孔兌流域骨干壩攔沙潛力為11444.81萬t，平均剩余攔沙壽命為68a；中型壩攔沙潛力為1782.61萬t，平均剩余攔沙壽命為23a；小型壩攔沙潛力為482.94萬t，平均剩余攔沙壽命為46a。

參考文獻：

[1]冉大川，羅全華，周祖昊.河龍區間典型支流淤地壩攔減粗泥沙分析[C]//第三屆黃河國際論壇論文集.鄭州：黃河水利出版社，2007：284-292.

[2]葉愛中，夏軍，喬云峰，等.淤地壩對水沙的影響[G]//人水和諧理論與實踐.北京：中國水利水電出版社，2006：29-34.

[3]袁金梁，閆海生，劉文彪，等.伊盟十大孔兌水沙災害及其防治對策[J].內蒙古水利，1997（1）：32-35.

[4]劉曉燕，高云飛，王富貴.黃土高原仍有攔沙能力的淤地壩數量及分布[J].人民黃河，2017，39（4）：1-10.

[5]管亞軍，楊勝天，周旭，等.黃河十大孔兌流域林草植被覆蓋度的遙感估算及其動態研究[J].北京師范大學學報（自然科學版），2016，52（4）：458-465.

[6]馮國華，張慶瓊.十大孔兌綜合治理與黃河內蒙古段度汛安全[J].中國水土保持，2008（4）：8-10.

[7]冉大川，柳林旺，趙力儀.黃河中游河口鎮至龍門區間水土保持與水沙變化[M].鄭州：黃河水利出版社，2000；115-118.

[8]張經濟，冀文慧，馮曉東.無定河流域水沙變化現狀、成因及發展趨勢的研究[G]//黃河水沙變化研究：第二卷.鄭州：黃河水利出版社，2002：422-428.

[9]高云飛，郭玉濤，劉曉燕，等.陜北黃河中游淤地壩攔沙功能失效的判斷標準[J].地理學報，2014，69（1）：73-79.

[10]劉曉燕.黃河近年水沙銳減成因[M].北京：科學出版社，2016：118-148.