黄河流域第三副区坝系拦沙输沙监测成果分析

2012-12-21马安利

水土保持研究 2012年6期

马安利

（黄河上中游管理局，西安710021）

淤地坝是小流域水土流失治理、生态环境改善和稳产高产优质农田建设的重要举措［1］。近年来，随着国家西部大开发战略的实施，淤地坝工程的巨大效益和作用得到国家有关部委的重视和肯定。然而这种效益究竟表现在那些方面？进行评价计算需要哪些数据？如何采集数据？如何计算？搞清楚这些问题，对于淤地坝的建设管理以及淤地坝效益发挥，具有指导意义。基于这些问题，黄河上中游管理局开展了水利部公益性行业科研专项项目“小流域坝系监测评价技术研究”，研究考虑了小流域坝系的区域性，选择了能够代表区域不同类型区的12个小流域作为研究对象。本文选择课题中代表黄土丘陵沟壑区第三副区的宁夏回族自治区西吉县聂家河小流域示范坝系，对小流域坝系监测的技术方法、内容和拦沙效益进行深入的探讨分析，为将小流域坝系的监测研究成果推广到整个黄土高原提供实践依据和技术支持。

1 流域基本情况

1.1 自然概况

聂家河小流域位于宁夏回族自治区西吉县兴坪、平峰两乡境内，属黄河流域渭河水系葫芦河一级支流滥泥河的一级支沟，地理位置为东经105°33′54″—105°41′03″，北纬35°44′24″—35°50′03″，为黄土丘陵沟壑区第三副区，流域总面积46.57km2。水土流失类型以水蚀为主，兼有重力侵蚀。水土流失面积44.9 km2，占流域总面积的96.4%，年径流模数2.3万m3／km2，年侵蚀模数6 880t／km2。

流域内以黄土长梁为主，间有沟谷、台地、塌坡等地貌类型，流域呈狭长形，平均长14.6km，平均宽2.8 km，主沟道平均比降5.88‰，流域海拔高程1 756～2 036.6m，相对高差280.6m，沟谷多呈U形。聂家河流域多年平均气温为5.3℃；年平均日照时数为2 322.3h；多年平均降雨量为420mm，降雨总量少，且因时空分布不均匀、年际变率大、利用率低。

流域内水土保持综合治理采用退耕还林、经济林、梯田、淤地坝相结合的治理方法，即山顶实施退耕还林还草措施，防风固沙；山腰兴修梯田，增产增收、保水保土；山底修建治沟骨干工程和中小型淤地坝，拦沙蓄水。典型地段如台地、荒山等种植经果林，既能防治水土流失，又能发展区域经济。

1.2 坝系建设情况

2 监测内容与方法

2.1 监测内容

主要监测内容包括拦沙监测、输沙监测两个方面。拦沙监测主要是监测一定时段内淤地坝的拦沙情况，即坝系中全年及讯期产洪蓄水条件下的泥沙淤积厚度及淤积量、拦沙量变化情况。监测指标是淤地坝拦沙量。输沙监测的重点是在暴雨洪水期间，实时观测把口站输沙情况。监测指标是把口站输沙量［2］。聂家河小流域坝系拦沙输沙监测期为5a，即2006—2010年。

2.2 监测方法

2.2.1 降雨监测降雨监测点共2处，分别布设在流域出口的把口站处和流域上游民和骨干坝。采用JDZ－1型雨量数据采集仪和JDZ02－A翻斗式雨量传感器自动实时监测汛期（5—10月）降雨量。

2.2.2 拦沙监测拦沙监测点17个，布设在常年有水、且正常运行的淤地坝内，利用自制泥沙沉积板进行监测。汛期前，制作40cm×40cm的泥沙沉积面板，将泥沙沉积面板的四角用绳索连接，绳索一头系漂浮物（图1），将泥沙沉积面板放入坝底，汛期结束后取出，测泥沙厚度，取中部100cm2的泥沙烘干称重。测完后，将泥沙沉积面板清洗干净，再次放入水底。每个淤地坝沿纵向中轴线和横向中轴线放置3个泥沙沉积面板，每个淤地坝共放置5个，如图2所示。

图1 泥沙沉积面板

图2 淤地坝拦沙监测点布置图

2.2.3 输沙监测在把口站边墙设水尺、自记水位计，在自记水位计记录输水的同时，人工记录水位变化，计算输水量，与自记水位计进行比较。同时取水样测量泥沙输出情况。水位观测采用人工观测的方法。平水期每天8：00和20：00各记录一次；洪水期每5 min观测记录一次，短历时暴雨每2～3min观测记录一次。在测流断面中心垂直测线上，采用模式采样器，用三点法（即0.2h，0.6h，0.8h）取样，每次采样不得少于500～1 000ml，取2～3次，与测流同时进行。泥沙含量测定采用烘干和天平称重法，见下式：

式中：P——含沙量（kg／m3）；WS——水样泥沙干重（g）；V——浑水体积（cm3）。输沙情况监测在每次有径流流出时，进行观测，同时取水样测量泥沙输出情况。

3 监测成果与分析

监测成果主要包括2006—2010年西吉县聂家河小流域坝系工程示范坝系的降雨、拦沙、输水和输沙等数据，同时对小流域坝系监测的技术方法、内容和拦沙效益进行探讨分析。

3.1 降雨与坝系拦沙量

（1）降雨。2006年，由于监测设施布设较晚，未观测到汛期降雨量，根据多年平均降雨量420mm进行推算本年汛期降雨量为357.2mm。2007年，聂家河流域监测期（5—10月）平均降雨量339.4mm，其中：聂家河骨干坝监测点降雨量292.2mm，民河骨干坝降雨量386.6mm，两个监测点降雨量相差94.4 mm。2008年，聂家河流域监测期（5—10月）平均降雨量158.4mm，其中：聂家河骨干坝监测点降雨量234.1mm，民河骨干坝降雨量82.8mm，两个监测点降雨量相差较大，为151.3mm。8月和10月降雨较多年平均低，9月降雨较多年平均高。2009年，民和监测点的自计雨量出现故障，只监测到聂家河监测点的雨量情况。监测结果显示，监测期（5—10月）平均降雨量240.6mm，较多年平均降雨量减少，但主汛期（7—9月）降雨量为195.8mm，其中8月分别较2007年和2008年增加了36.5mm和75.4mm。但7月和9月降雨较前两年降雨量低。2010年，聂家河流域监测期（5—10月）平均降雨量351.81mm，其中：聂家河骨干坝监测点降雨量351.8mm，民河骨干坝降雨量352.4mm，两个监测点降雨量相差不大，为0.6mm。

（2）坝系拦沙量。2006—2010年聂家河小流域坝系的拦沙量分别为：1 426.09，1 353.32，881.08，696.82，1 015.05t（表1）。

试验段位于某高速公路K201+250—K231+500标段，线路全长30.25km，路基宽度设计为26m，道路全线设计行车速度为100km/h，该道路路基结构形式设计为：20cm级配碎石+20cm水泥稳定级配碎石+20cm水泥稳定级配碎石。由于试验段所处地区冬季寒冷夏季炎热且昼夜温差较大，常规半刚性基层沥青路面容易出现反射裂缝等病害，因此，试验段道路在设计时决定采用级配碎石作为路面基层。

表1 聂家河小流域坝系降雨量与拦沙量成果

（3）降雨量、拦沙量年际变化趋势分析。汛期降雨量年际变化大［3］。从表1可知，2008年的汛期降雨量最小，仅为158.4mm，2010年最大，为351.8mm，是2008年的2.22倍，其次是2007年为339.4mm。总体上看2008年属于枯水期。2009年拦沙量小，仅为696.82t；2006年最大为1 426.09t，其次是2007年为1 353.32t，最大拦沙量是最小拦沙量的2.05倍，2007年的拦沙量也比2009年拦沙量大1.94倍。降雨量与拦沙量的趋势基本一致。降雨量大，拦沙量也大，2008年降雨量最小，其拦沙量也相对较少［4］。

3.2 输水输沙

在监测期内，2007年出坝径流量为21 124.80 m3，出坝泥沙量为0.003万t，2006年、2008年、2009年、2010年出坝径流量、出坝泥沙量为0（表2）。

表2 流域把口站（监测坝）年输沙量特征值

从表2可见，在5a的监测期内，只有2007年6月15日，有径流和泥沙出坝，出坝径流量为21 124.80 m3、平均含沙量为1.5kg／m3、最大含沙量1.95kg／m3，而出坝的泥沙量仅为0.003t，其余年份的径流和泥沙基本不出沟［5］。

3.3 不同坝型拦沙量

从2006—2010年，坝系共拦蓄泥沙5 372.36t，骨干坝拦蓄泥沙5 030.84t，中型坝拦蓄泥沙305.76 t，小型坝拦蓄泥沙35.76t，骨干坝、中型坝和小型坝所拦蓄的泥沙比例分别为93.64%，5.69%和0.67%，骨干坝所占比例最大，为93.69%。

表3说明，2006—2010年，骨干坝拦沙量大于93% 以上，分别为 93.45%，93.45%，93.48%，94.04%，94.04%；中型坝拦沙量大于5%以上，分别为5.62%，5.62%，5.60%，5.85%，5.85%；小型坝拦沙量小于 1%，分别为 0.93%，0.93%，0.93%，0.11%，0.11%。由此说明骨干坝在坝系拦沙中起主导作用［6］。

3.4 单位面积拦沙量

聂家河流域坝系骨干坝控制面积27.80km2，中型坝控制面积16.09km2，小型坝控制面积2.68km2。监测结果表明，从2006—2010年坝系单位面积拦沙量分别为30.62，29.06，18.92，14.96，21.80t，其中骨干坝、中型坝、小型坝单位面积拦沙量见表4。

从表1和表4数据中可以看出，2006—2009年，随着降雨量的减少，骨干坝单位面积拦沙量呈下降趋势，2010年降雨量增大，单位面积拦沙量呈上升趋势；对中型坝来说，随着降雨量的逐年减小，单位面积拦沙量呈较缓下降趋势；对小型坝而言，单位面积拦沙量呈下降趋势，尤其在2009年、2010年降雨量增加的情况下，拦沙量也呈下降趋势。由此说明，降雨对骨干坝单位面积拦沙量影响比较大［7］。单位面积拦沙量骨干坝＞中型坝＞小型坝，从2006—2010年，单位面积骨干坝拦沙量分别是中型坝的9.63，9.62，9.68，9.28，9.31倍，是小型坝的9.72，9.74，9.68，84.18，83.76倍，骨干坝的拦沙作用明显大于中型坝和小型坝。

表3 聂家河小流域坝系不同坝型拦沙成果

表4 聂家河小流域坝系单位面积拦沙成果

4 结论与建议

4.1 结论

黄河的根本问题是泥沙。从聂家河小流域坝系5a的拦沙输沙监测结果来看，通过淤地坝建设，流域自身的保土保水能力逐渐增强［8］；坝系工程抬高了侵蚀基准，稳定了沟坡，有效控制了沟床下切和沟岸扩张，保护了农田；流域坝系可以有效拦沙，控制水土流失，减少入黄泥沙，保护下游河流安全。本次监测成果可以作为小流域坝系监测的技术推广，也可为黄土高原小流域效益评价及土地资源的合理利用提供数据参考。（1）拦泥保土，有效地减少入黄泥沙的来源［9］。由于沟道坝系工程建设，降雨径流和泥沙几乎全部拦蓄在沟道中。从把口站监测上看只有2007年出现卡口站的输水输沙现象，其余4a均被拦在沟道中，基本达到了泥沙不出沟。（2）抬高侵蚀基点，控制水土流失。5a内聂家河流域坝系共拦蓄泥沙5 372.36t在沟道里，从而抬高了侵蚀基点，稳定了沟坡，控制了沟床下切和沟岸扩张。（3）骨干坝在拦沙中起关键作用。从监测成果分析可以看出，骨干坝在坝系拦沙中起关键作用，拦蓄的泥沙比例为93.64%，说明骨干坝建设能够快速有效地拦蓄径流泥沙，是水土保持生态建设的重要措施［10］。