黃土高原淤地壩工程水資源利用模式與展望

蘭立軍，楊 俊，李曉霞，孫棟元，賈 玲，武蘭珍，王興繁，張 軍

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070)

淤地壩作為黃土高原滯洪、攔泥、淤地的主要水土保持工程，既是有效防治水土流失的關鍵舉措，也是保障小流域水資源高效利用的重要手段。截至2015年，在5 658座骨干壩和11 248座中型壩中，已有1 428座骨干壩和5 003座中型壩失去了攔沙能力[1]。因此，對淤地壩工程開展相關研究迫在眉睫。目前，相關學者針對淤地壩的主要功能[2-6]、運行情況[7-9]、管理[10-12]等方面已經做了大量研究，但對于淤地壩工程水資源利用方面的研究仍顯不足。汪子涵等[13]提出一種基于Unity3D的模擬方法，實現了對水資源動態變化調控的模擬，卜崇德等[14]對淤地壩在洪水資源利用方面進行了相關分析，尹惠敏等[15]探討了淤地壩漁業資源利用情況及存在的問題。以上研究雖涉及淤地壩水資源利用相關內容，但依舊存在水資源配置不合理、利用率低等問題。本研究通過分析淤地壩工程水資源利用中存在的問題，從水資源利用的角度研究淤地壩工程水資源利用模式，初步提出攔蓄灌溉、雨水蓄集、地表水和地下水聯合利用3種模式，旨在為淤地壩高效存蓄、科學利用水資源奠定基礎，為實現黃土高原水資源可持續發展提供保障。

1 淤地壩工程水資源特點及存在的問題

1.1 淤地壩工程水資源特點

淤地壩工程大多修建在黃土高原小流域，受黃土高原獨特的地理位置影響，地下水不易開發利用。黃土高原小流域水資源主要有以下4個特點：①降水是黃土高原水資源的主要補給來源，但其地處干旱半干旱地區，降水極其稀少，蒸發量大，在特別干旱的地區，蒸發量可達降水量的10倍以上；②水資源分布不均，受地形地貌影響，自東南向西北呈遞減趨勢；③汛期降雨頻繁，強度大，但多為暴雨，致使水土流失嚴重、水資源含沙量高，難以開發利用[16-17]；④黃土高原多為起伏的山丘，植被稀少，風蝕嚴重，降雨大部分下滲，地表徑流較少。

1.2 存在的問題

(1)汛期空庫運行時，水資源需求難以得到滿足。現行淤地壩設計標準規范及運行管理辦法規定，淤地壩汛期不能蓄水利用，要求空庫運行，但這很難滿足當地人畜飲用、農業灌溉、水產養殖等方面的水資源需求。

(2)溝坡、溝道集水面積沒有得到充分利用。淤地壩所處的溝坡、溝道在雨季或者暴雨時會產生坡面徑流，但是由于認知不足、技術發展不夠，這部分水資源沒有受到重視，被歸類為難以進行開發利用的水資源，造成了大量浪費。但對于類似黃土高原這樣干旱缺水的地區，雨水坡面匯集是水資源最主要的補給來源。

(3)水資源利用不合理。淤地壩水資源主要由洪水和地下水兩部分組成。由于大部分淤地壩工程存在配套設施不完善、未形成壩系等問題，因此在降水頻發的豐水年會出現壩地不保收的情況，而在枯水年干旱缺水，造成壩地產量低等。總體來說，淤地壩工程水資源利用效率不高，部分工程對水資源利用不合理。

2 淤地壩工程水資源利用模式研究

黃土高原淤地壩工程的水資源利用，除考慮淤地壩工程水資源特點、存在的問題外，還需考慮水資源總量。本研究從攔蓄水資源、雨水資源、地下水和地表水資源3個方面分析淤地壩水資源量，通過建立相應的模式提高水資源的利用率，并對黃土高原淤地壩工程水資源利用模式開展初步探討研究。

2.1 攔蓄灌溉模式

不同的運行階段淤地壩具有不同的作用，每一種作用在黃土高原小流域治理中都發揮了重要作用。汛期時，由于淤地壩空庫運行，浪費了大部分洪水資源，使得黃土高原長期處于干旱缺水狀態。因此，以水資源可持續發展為基本理念，建立淤地壩攔蓄灌溉模式，以解決黃土高原地區水資源緊迫情況，為養殖業、農業等發展提供保障。攔蓄灌溉模式主要包括3種蓄水類型(圖1)：①在汛期，淤地壩對洪水資源進行攔蓄，使洪水資源能夠得到合理有效使用；②淤地壩可通過壩前蓄水，儲存一部分水資源；③通過布設蓄水池、水窖等一些小型蓄水設施，對溝坡、溝道上的水資源進行蓄集，以解決水資源匱乏問題。

2.2 雨水蓄集模式

4—6月是黃土高原大多數作物最需水的時期，但同期降水量卻只有全年的25%～30%，在很大程度上制約了當地農業發展[17]。因此，面對水資源如此緊缺的情況，如何合理有效地利用汛期7—9月的雨水已經成為當前相關學者關注的熱點問題。本研究針對黃土高原水量不足的實際，提出雨水蓄集模式(圖1)，實現從時間和空間上調節自然降水。雨水蓄集模式主要包括窖灌集雨和徑流匯集兩種方式，以窖灌為主的雨水蓄集方式是指通過修建水窖、水池等小型蓄水設施，將溝坡、溝道匯集的雨水儲存起來；以徑流匯集為主的雨水蓄集方式是指通過修建梯田、壩地、水平溝等工程將降水儲存在土壤中，或者通過防滲集流面收集雨水。

圖1 黃土高原淤地壩工程水資源利用模式

2.3 地表水和地下水聯合利用模式

黃土高原地區的地表水以淤地壩攔截的洪水資源為主，淤地壩通過有效地滯洪，將高含沙洪水一部分轉化為地下水，一部分轉化為清水，通過泄水建筑物排放到下游溝道，增加了溝道常流水，涵養了水源，同時，對汛期洪水起到了調節作用，使地表水資源得到了合理利用。大部分排泄條件良好的淺層地下水是可以以泉水的形式轉化為地表水的。但目前，淤地壩工程大部分處于設施老化、年久失修、帶病運行等狀態，有的甚至已經成為險壩，喪失了滯洪能力，使得黃土高原地區水資源緊缺形勢更加緊迫。因此，為了提高水資源利用效率，提出地表水和地下水聯合利用模式(圖1)，以確保當地農業高質量發展。通過在水源區修建小水庫、塘壩、蓄水池等水利設施，結合配套的灌區和抽水設備，以自流或提水的方式實現地表水和地下水的綜合利用。

3 結論與展望

水資源是制約農業經濟發展和綠色生活構建的關鍵因素，對水資源合理利用、有效配置在黃土高原地區顯得尤為重要。目前，由于黃土高原地區降水量少、蒸發量大、水流含沙量大、分布不均，故淤地壩工程存在汛期水資源難以滿足需求、溝坡溝道集水面積得不到充分利用、水資源整體利用不合理等問題，基于這些問題，初步探討了黃土高原淤地壩工程水資源利用模式，提出攔蓄灌溉、雨水蓄集及地表水和地下水聯合利用3種模式，以便為黃土高原地區水資源配置提供參考。探索水資源利用模式旨在永久地緩解水資源緊缺的問題，因此在探討時，不僅要結合當地水資源狀況，還要考慮未來水資源的發展趨勢。針對前述分析，在今后黃土高原淤地壩工程水資源利用模式研究中，需要注重以下幾個方面的研究工作。

3.1 建設淤地壩水資源綜合利用示范工程，實現水資源可持續發展

隨著黃土高原地區生活、農業、工業等用水需求不斷增加，研究淤地壩水資源綜合利用成為保障區域水資源可持續發展的必然途徑。面對黃土高原地區一系列復雜的水問題，優化水資源配置、建設水資源綜合利用示范工程、積極開展節水相關的活動對保障供水安全具有重要意義。水資源綜合利用有望實現環境、經濟雙重效益，因此大力建設淤地壩水資源綜合利用示范工程，推進水資源可持續利用，必將是黃土高原地區促進社會進步、發展綠色生活的重要途經。

3.2 建立淤地壩水資源管理系統，推進智慧水利建設

開展基于“三條紅線”的淤地壩水資源開發與管理保護研究，建立淤地壩水資源管理系統，以便準確、有效地掌握黃土高原淤地壩水資源利用情況，實現實時監測水資源水情動態的目的。建立淤地壩全范圍覆蓋的水資源管理系統，通過攝像頭、水位計、水尺等收集、分析基礎數據，將處理后的數據傳輸到系統終端，整個過程完整、有效、高效，在一定程度上推進了智慧水利建設。

3.3 加強雨水蓄集利用研究，提高雨水資源的利用效率

雨水蓄集工程是一種在水資源短缺地區能夠發揮特殊作用的小型水利工程，雖然目前黃土高原地區已修建了相應的雨水蓄集工程來補充緊缺的抗旱水源，但在工程建設時，往往忽略了系統規劃，如未考慮綜合配套設施、地形狀況等。同時，由于雨水資源是水資源重要的組成部分，建立雨水資源評價體系具有重要的戰略意義，而雨水蓄集是一種人為干預的水資源處理技術，可能會對水循環造成負面影響，因此仍需加強對雨水蓄集利用方面的研究，進一步提高雨水資源的利用效率。

3.4 建立淤地壩水資源利用的相關法律法規，加強水資源管理

基于對黃土高原地表水和地下水資源量以及生活、農業需水量的評估，建立黃土高原小流域水權分配、水價改革等方面的法律法規體系，盡快完善小流域水權制度建設，為黃土高原淤地壩水資源規范利用提供有效的法律依據和政策保障。但由于目前研究不足，我國針對淤地壩水資源利用的管理缺少相關法律法規政策，不利于水資源利用科學化、系統化、標準化以及規范化發展。