基于坝地泥沙淤积信息的流域侵蚀产沙特征研究

刘立峰 金绥庆 付明胜 王 喆 王 凯

（黄河水利科学研究院绥德水土保持科学试验站）

淤地坝是黄土高原地区一种行之有效的水土保持工程措施，既能有效地防止水土流失，又能形成坝地基本农田，深受广大农民欢迎。淤地坝在拦泥淤地中，赋存了大量的环境演化信息，记载着小流域侵蚀产沙的历史变化过程，是反演小流域侵蚀产沙历史的主要依据。随着淤地坝研究的深入，人们不仅关心淤地坝的拦沙量，而且更加关注坝地的淤积机理，但目前在这方面研究甚少。本文以陕北绥德县王茂沟流域的背塔沟闷葫芦坝为研究对象，采用典型观测与测量、分析与计算相结合的方法，运用数理统计理论，对淤地坝的淤积机理和次洪水泥沙淤积量进行研究，并根据泥沙沉积各巡回层的面积、厚度来推算各次洪水过程的侵蚀产沙量和土壤侵蚀模数，探讨小流域侵蚀产沙的历史演变规律。

1 研究区概况

王茂沟是黄河中游黄土丘陵区具有典型代表性的一条流域，位于陕西省绥德县韭园沟乡，是无定河左岸的一条二级支沟。流域面积5.97 km2，主沟长3.75 km，平均宽 1.46 km，沟道平均比降 2.7%，沟壑密度4.3 km/km2。流域地表覆盖物，上部为马兰黄土，厚5－20 m，抗蚀能力差，下部为离石黄土，再下为基岩。流域海拔940－1 188 m，具有地形破碎，坡陡沟深，地貌类型复杂等特点。多年平均降水量485 mm，降水年际变率大，年最大降水量是年最小降水量的3.5倍，汛期（6－9月）降雨量占年降水总量的70%以上，且多以暴雨形式出现，一次暴雨产沙量往往可占到全年总产沙量的60%以上。在流域总面积中，沟间地占58.4%，沟谷地占41.6%。据观测资料，沟谷的年径流量和产沙量分别占年总径流量、总产沙量的73%和80%，即小流域径流泥沙主要来源于沟谷。流域土壤侵蚀形式以水力侵蚀和重力侵蚀为主，治理前年均侵蚀模数18 000 t/km2，属剧烈侵蚀区，水土流失极为严重。

自1953年在王茂沟沟口修建了主沟1号坝—王茂庄坝后，开始了以打坝为主的流域综合治理，到1963年共建坝42座，初步形成了坝系。1964－1980年间，对坝系进行了改、扩建，提高了洪水设计标准，将淤地坝合并为23座，坝系总库容320.82万m3。建坝后，绥德水保试验站对流域降雨量、淤地坝拦沙量以及流域出口的径流泥沙量进行了长期的观测，积累了大量的第一手资料，为研究该流域的侵蚀产沙过程和特征提供了重要基础数据。

2 研究方法

2.1 典型坝的选取

通过所选淤地坝各淤积层泥沙量的估算和淤积时间坐标的建立，进行小流域侵蚀产沙的历史演变规律研究。根据研究目的，典型坝的选取原则：一是坝地淤积物来源于坝控面积内的坡耕地、牧荒坡及沟谷陡崖等不同土地利用类型的土壤侵蚀量；二是径流泥沙不能排出坝外，即淤地坝是无排水设施（溢洪道和泄水建筑物）的“闷葫芦”坝；三是具有一定的淤积年限。据此原则，选取王茂沟小流域背塔沟的闷葫芦坝为研究对象。

2.2 淤积断代分析与计算

2.2.1 淤积断代分析

每场洪水都会将一些泥沙输入淤地坝，由于泥沙沉降过程中的分选作用，淤积物粗细相间分布，具有一定层理。粗颗粒泥沙最先沉积（颜色呈灰褐色），其次为粉砂，最后为黏粒（红胶泥，颜色呈红黄色），这样在每场洪水后便形成了一个淤积巡回，其厚度与降雨特性、侵蚀产沙量密切相关。实地调查发现，各巡回层间的界限较明显。每个淤积巡回遇雨点击溅或洪水冲刷时，沙土易分散、脱落，黏土分散、脱落很慢，所以在坝地垂直断面上都会形成凹凸明显的层理特征，真实地记录了侵蚀产沙粒径的空间变化、分选作用和坝控面积的每次拦沙量，因此，可依据泥沙沉积各巡回层的面积、厚度来推算一次洪水过程的侵蚀产沙量。

本研究利用背塔沟闷葫芦坝坝前2012年被洪水冲成的深沟，对没有冲到沟底的部分淤积物，在人工开挖的基础上进行水力冲刷，使淤积断面较完整显现出来。淤泥与沙的颜色和层理清晰可分，每层淤积泥沙量的多少与一次侵蚀性降雨相对应。根据大雨对大水（洪水）、大水对大沙的原则，对于只有一层淤泥而沙层有好几层的情况，将泥层和紧挨该泥层下的那层沙认为是同一层。如果沙和沙之间的区别不是太明显，则可以通过淤泥与沙的颜色和纹理来区分。

2.2.2 垂直剖面断代方法

根据实地测量，背塔沟坝控面积0.197km2，淤地坝1959年建成，坝高7 m，库容3.0万m3，1961年淤满。1962年，淤地坝加高了6.5m，总坝高达到13.5m，总库容增加到6.2万m3。2012年7月，坝地与坝体连接处被洪水拉成深沟，测量的累积淤积厚度为10.58 m。根据上述淤积断代分析方法，将背塔沟小型坝的沉积泥沙分为86个淤积巡回层。

以往的研究表明，黄土高原地区小流域的年产沙量绝大多数是由一年内的几场大暴雨形成的，而且一般都是洪峰和沙峰同步，较大的流量对应较大的沙量，因此在坝地反映出降水量较大的次降雨对应的泥沙淤积量也较大。根据1959-2012年的降雨资料，将淤积量大的淤积层作为控制性淤积层，把该淤积层和侵蚀性降雨指标（最大30min降雨强度I30、降雨侵蚀力R、次降雨量P、次平均降雨强度I）均较大的控制性降雨场次相对应。如果2个控制性淤积层之间还包含有较多的淤积层，则再在这2个控制淤积沙层之间寻找淤积量较大的层次，将其作为次控制性淤积层，该层所对应的次侵蚀性降雨作为次控制性降雨，将这一层剖面分为两段进行对应。依此类推，用同样的方法将整个淤积剖面上所有淤积层与次侵蚀性降雨进行一一对应，其结果用调研已知的淤积年限进行校核。这样，就可以根据坝地淤积量与相应年的降雨资料来反演其淤积过程，然后根据淤地坝实测高程和各淤积巡回层厚度得到淤积高程，再利用淤地坝坝高—库容曲线，可得到淤地坝不同高程处库容，并通过不同深度淤积物容重模拟曲线和实测各淤积厚度来计算各淤积层泥沙沉积量和淤地坝年均淤积量。

2.2.3 淤积量与侵蚀模数计算

（1）坝高—库容/淤地面积曲线。将1∶10 000的典型坝址地形图进行扫描，用auto CAD将各等高线矢量化，并对其等高线进行标注。根据自动生成面域命令将各组等高线在图上矢量化时让其闭合，然后使用LIST命令或者AREA命令，自动求出各等高线所包围的面积（等高线在坝址断面处被截断，用来求面积的那部分等高线是被截断的等高线在流域控制面积内的那部分），将每两根等高线之间的形状简化为封闭的圆台状，对其体积进行求解，建立库容/淤地面积曲线。

（2）土壤容重模拟曲线。通过对4座淤地坝不同深度土壤容重测定后求平均值模拟曲线（图1）。土壤容重随淤积深度的增加而增加，呈对数关系：y＝A2+（A1-A2）/［1+（x/x0）＾p］，R2＝0.989 3。该对数方程拟合结果见表1。

表1 对数方程拟合结果

（3）淤积量计算。利用库容曲线与实测的淤积层厚度，求得每个淤积层的泥沙淤积量，从而为淤地坝淤积机理的分析提供了依据。背塔沟坝地比降0.69%，淤泥厚10.58 m，淤泥面—坝顶2.42 m，坝高13.5 m，总库容6.2万m3。根据实测的淤积厚度，利用以下公式，计算各淤积层泥沙沉积量及坝库沉积泥沙总量。

图1 坝地不同深度土壤容重变化曲线

式中，Vi为第 i淤积层的体积，m3；ρi为第 i淤积层容重，t/m3；α为不同控制面积坝地淤积面翘尾巴系数；Mi为第i淤积层泥沙沉积量，t；M为坝库拦蓄泥沙总量，t。

淤地坝建成后，当挟沙洪水进入库区时，受库区蓄水的顶托，产生面流消能作用，流速迅速下降，洪水挟沙能力迅速减弱，泥沙（特别是粗沙）相互之间碰撞后首先沉降，形成淤积面坡度，即人们常说的坝地翘尾巴现象。根据31座淤地坝多年观测资料统计，淤积面比降在0.05%－0.29%之间，平均为0.2%，沿程变化情况是愈近坝前愈缓。淤积面平均比降的大小与洪水泥沙来源有关，洪水泥沙主要来自主沟上游时纵比降较大，洪水泥沙主要来自两侧支沟时纵比降较小。所以，要准确地计算淤地坝淤积量，需首先修正坝地面积。经对黄土丘陵沟壑区70多座不同控制面积淤地坝的实测资料分析，得到坝地面积修正系数a与流域面积的关系（表2）。根据以上方法，计算出背塔沟闷葫芦坝86层淤积巡回各层的淤积量（图2）。

表2 坝地面积修正系数与流域面积的关系

图2 背塔沟坝各层次淤积信息

3 淤地坝的淤积过程机理研究

3.1 淤地坝淤积机理研究

在建坝以前，沟道是输送小流域支毛沟泥沙到下游的重要通道，沟道输送泥沙的能力特别强，其能够挟带的泥沙数量就是该地的挟沙能力。建坝后，沟道很快淤成平地，沟底比降变缓，同时抬高了侵蚀基准面，挟沙能力随之大幅度降低。在调查典型淤地坝剖面的基础上，利用坝高—库容曲线和实测的淤积厚度，求得每层淤积泥沙量。根据大水对大沙原则，反演淤积层所对应的次侵蚀性降雨，从而为淤地坝淤积机理的分析提供了依据。

3.2 流域侵蚀产沙强度变化与土地利用

从图2背塔沟坝各层次淤积信息可以看出，在淤地坝建成后的运行过程中，初期阶段的沉积层普遍较厚，表明流域侵蚀强烈，泥沙沉积量大。其后，呈明显下降趋势。根据土壤侵蚀模数的变化，可将背塔沟坝56年的淤积分为4个阶段。

（1）剧烈侵蚀阶段。1959－1961年，3年间年均侵蚀模数为2.805万t/km2。淤地坝建后初期淤积量巨大，这一特征还可从绥德水保试验站王茂沟淤地坝淤积的统计资料得以验证。据分析，王茂沟流域1953－1960年间共建淤地坝42座，其中19座在1961年被淤平，2座在1962年和1963年被淤平；21座淤地坝被淤平的平均时间只有3.38年，足以说明当时该流域侵蚀产沙强度之大。分析认为，此阶段小流域年侵蚀强度大与丰水年和雨型有关（1959年、1961年均有大暴雨或特大暴雨发生），另一方面也与当时的水土流失治理面积较少有关。因此，即使是相同的降雨，出现在20世纪50、60年代，前者产生的泥沙量往往也要多于后者。在土地利用上，这一时期正值“大跃进”时期，粮食“放卫星”，提倡“广种薄收”，要求粮食翻番，然而事与原违，粮食没有高产，且使本来就极度稀疏的植被遭到毁灭性破坏，导致土壤侵蚀达到了最高值。

（2）侵蚀下降阶段。1962－1976年，年侵蚀模数下降到5 240 t/km2。此阶段，该流域开始了较大规模的坡面治理，林草地和水平梯田面积显著增加，坡耕地面积逐渐下降，加上沟谷坡下部被淤地坝沉积泥沙覆盖，对沟谷坡的稳定起到了一定的加强和巩固作用，在一定程度上减轻甚至控制了沟谷坡下部土壤侵蚀的发生。

（3）侵蚀量回升阶段。1977－1998年，年侵蚀模数又上升到1.253万t/km2。此阶段，正值农村改革时期，土地重新回到农民手里，他们更加珍惜每一寸土地，任何一块可以耕种的土地都种上了粮食。一方面，当地农民解决了温饱问题，但同时对植被的破坏达到了极限。据调查，延川县1949年森林残存面积还占到整个农林牧用地的31%，到2000年下降到0.8%，97%的森林被开垦种了粮食。植被的破坏，使其所具有的涵养水源、拦蓄径流、保持水土、调节气候的功能大大降低，从而造成水土流失量大幅度增加。

（4）泥沙完全控制阶段。1999－2012年，年侵蚀模数下降到容许值以下的650 t/km2。为了验证该阶段侵蚀模数计算结果的准确性，我们在2013年调查了绥德县韭园沟郝家梁骨干坝。该坝控制面积2.69 km2，2006年4月建成，淤积年限7年，年均侵蚀强度为600 t/km2，与本研究相差无几。此阶段正是实行退耕还林（草）、封山绿化时期，山川大地的基调实现了由黄变绿的历史性转变。据调查资料，截至2004年底，陕北榆林市累计完成造林面积44.18 万 hm2，其中退耕还林 16.51 万 hm2，“四荒”造林27.67万hm2。同时，国家提出了城镇化建设，大部分农民离乡进城，林草植被得到了恢复，水土流失得到有效控制，土壤侵蚀明显下降。

4 结论与讨论

本文主要通过选取典型淤地坝，挖取淤积剖面，进行层次分析，获取坝地淤积量，并将其与收集到的淤积年限内相应站的降雨资料进行综合分析，来研究淤地坝的淤积过程。研究结果表明，根据典型坝地被洪水冲成深沟结合人工开挖和水力冲刷断面，使每次洪水的分选淤积层得到清晰显现，进而求出层淤积泥沙量，再与降雨资料建立对应关系，来揭示淤地坝的淤积过程是可行的。研究可得出以下结论：

（1）对于无泄洪设施的淤地坝，层淤积泥沙量与次侵蚀性降雨的最大30 min降雨强度（I30）具有极强的相关性。

（2）该项研究方法，为无水文资料地区的水沙资料反演提供了可行途径。

（3）四个侵蚀阶段分析可以看出，自然条件下的水土流失决定了它的“自然侵蚀”，人们掠夺式的经营决定了它的“加速侵蚀”，大规模的开发利用不当决定了它的“新的加速侵蚀”。因此，水土流失治理必须以生态经济学作指导，才能符合客观规律。

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