司家沟流域骨干坝防洪能力分析及存在的问题

高雅玉，田晋华，金 霞

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

在黄土高原半干旱区建设的淤地坝，是我国广大劳动人民智慧的结晶，是一项有效防治水土流失、提高防洪能力的重要水土保持措施。淤地坝建设有效地改善了人居环境，增加了农民收入，促进了地区经济发展，带来了巨大的社会、经济和生态效益，概括来说主要有以下几点：①大大提高了流域的防洪和抗旱能力；②大量减少了向下游的输沙量，有效遏制了水土流失；③淤地坝蓄积的部分水资源在安全的前提下被利用，大大提高了水资源的利用效率；④增强了土壤肥力，使荒沟变成了良田，增加了农民收入；⑤促使黄土高原地区的水土保持工作大见成效。近些年来，淤地坝的建设发展也从单纯拦泥淤地向流域坝系综合高效利用、从单坝向坝系综合控制的方向转变[1-3]。但是，淤地坝建设仍旧存在一些明显的问题，如何进一步地提升淤地坝的效能，更好地发挥其水土保持效益，在此基础上高效存储、利用坝系内部的水资源都是值得进一步深入研究的问题。

1 典型流域介绍

1.1 司家沟流域概况

司家沟流域位于甘肃省庆阳市西峰区的东北角，地处中纬度地带，属半干旱大陆性气候区，具有季风及黄土高原气候的双重特点，流域面积为7.20 km2。四季风向有明显的变化，冬季风向多偏北，夏季风向多偏南，而春季和秋季为季风的转换季节，风向多变且偏北风居多。区内多年平均气温为9.6℃，其中7月份最高，平均气温为28.1℃；1月份最低，平均气温为-8.4 ℃；年极端最高气温为34.3℃，最低为-14.5℃；最大冻土深为0.8 m，年平均蒸发量为1 471.0 mm，最大年蒸发量为1 835.0 mm(1995年)，最小年蒸发量为996.0 mm(1964年)。区内夏秋雨水较多，暴雨多集中在七八月份，而春冬季多风且干燥，总体上属干旱缺水地区。耕地以黑垆土为主，微碱性，土壤肥沃、疏松、保水保肥、垂直渗透力强。农作物以小麦、玉米为主，盛产谷子、马铃薯、油菜，苹果栽培处于最佳纬度区。地表水资源贫乏，自然条件严酷，农业生产困难[4]。

1.2 司家沟流域土地利用情况

利用ArcGIS操作平台和Quickbird资料(Quickbird影像是从美国DigitalGlobe公司订购的4波段捆绑数据，其中多光谱和全色波段影像的空间分辨率分别为2.4和0.61 m)，将司家沟流域土地利用类型分为林地、草地、水体、裸地和耕地5种类型，采用人机交互目视解译的方法，确定了遥感影像的提取规则。①林地。林地的影像特征为几何形状不规则，与其他地类间边界滑润清晰；影像呈现为鲜红和暗红色，纹理粗糙，在同一色调中差异不大。林地主要分布在沟道两侧及沟谷。②草地。草地的影像特征为形态各异，连片分布地类边界明显；影像以暗红、淡红、粉红为主色调，质地较细腻、纹理清晰、不同地类间色差较明显。主要分布在沟道坡地及沟谷。③裸地。裸地的影像特征为几何特征不明显，地类边界线不规则；影像质地较细、均匀，呈现灰白色。主要分布在沟道陡坡区。④水体。水体影像几何形状明显，呈现深蓝色、蓝色或淡蓝色，质地较细腻、纹理清晰、颜色均匀。主要分布在沟谷低地。⑤耕地。耕地的影像特征为几何特征规则，地块排列整齐；影像呈现出红、淡红和鲜红等颜色，质地较细腻、纹理清晰、颜色均匀。主要分布在沟道两侧。

根据提取规则，提取司家沟流域的各土地利用类型[5]。司家沟流域土地利用类型以草地为主，面积4.34 km2，占土地总面积的60.2%；其次为林地2.00 km2，占比27.6%，裸地面积也较大，为0.75 km2，占比10.0%；除此之外，司家沟还有少量的水体(0.05 km2，0.7%)和耕地(0.09 km2，1.3%)。草地、林地和裸地在整个沟道内均有分布，所不同的是草地主要分布在沟道两侧较高处的坡地，林地主要分布在沟谷或是沟道两侧较低处的坡地，而裸地主要分布在沟道地形比较陡峭的坡地上。水体则主要是两个较大的人工淤地坝集水区。耕地主要是以坡耕地和梯田的形式存在，零星分布在沟道两侧的坡地上[5-6]。

2 司家沟流域内骨干坝情况

在司家沟流域内，已经建有司家沟东沟和西沟两座骨干坝。

2.1 司家沟东沟骨干坝情况

司家沟东沟骨干坝(图1、图2)于1996年11月竣工，设计淤积年限为16年，设计总库容50.2万m3，坝高22.3 m，坝控面积3.11 km2，目前淤泥面距坝顶高度13.6 m。设计拦泥库容22.20万m3，目前已淤积13.20万m3，已经超过设计淤积年限，但未淤满。目前蓄水量11.60万m3，防汛道路基本不畅通，以旅游养殖模式进行开发，坝体维持较好，但是没有溢洪道等泄洪设施，仅有放水卧管。

图1 东沟骨干坝情况

图2 东沟骨干坝坝顶情况

2.2 司家沟西沟骨干坝情况

司家沟西沟骨干坝(图3、图4)于1996年11月竣工，设计淤积年限为10年，设计总库容81.00万m3，坝高21.3 m，坝控面积6.50 km2，淤泥面距坝顶高度11.60 m。设计拦泥库容29.00万m3，目前已淤积18.70万m3，已经超过设计淤积年限，但未淤满。目前蓄水量12.40万m3，防汛道路基本不畅通，坝体维持较好，坝体水土资源未得到开发利用，为防止汛期暴雨洪水发生，基本属于空库运行状态，没有溢洪道等泄洪设施，仅有放水卧管。

图3 西沟骨干坝坝体情况

图4 西沟骨干坝坝顶情况

3 司家沟骨干坝的防洪能力校核

淤地坝运用前期主要是拦蓄洪水泥沙，形成坝地后则依赖滞洪库容调节洪水，其最危险的时期主要是在坝地形成前按水库运用这个阶段。淤地坝的防洪能力涉及坝系的安全运行和水资源的调控等重大问题，因此对司家沟流域内两座骨干坝进行防洪能力校核。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)，并参考《陕西省水土保持治沟骨干工程技术手册》，坝系防洪能力分以下几种情况进行校核：①单坝无溢洪道。此类坝分布在支沟，主要起拦泥、淤地、生产作用，校核时不考虑涵洞泄洪量。若该坝的工程质量符合要求，一旦洪水漫顶即出现垮坝，则校核方法是以坝控集水区内不同频率下的洪水总量与现有实际剩余库容比较，取接近且小于库容的洪量值，该值相对应的频率即为该坝可抵御洪水的最大频率。②单坝有溢洪道。以不同频率下的洪水进行试算调洪，求出最大单宽流量，然后反查溢洪道水深，直接获得接近且小于溢洪道的最大水深值，该值相对应的洪水频率即为可抵御的洪水频率。③坝系。校核坝系防洪能力时，先校核不同控制性子坝系的防洪能力，再校核整个坝系的防洪能力[7-9]。

根据以上原则，在对司家沟流域内现有的2座骨干坝进行现有防洪能力校核的同时，分别预测10年、20年后坝系不增高也不配置泄洪工程条件下的防洪能力，结果见表1和表2。

表1 现状年司家沟流域骨干坝防洪能力校核

采取上述方法对司家沟流域仅有的两座骨干坝的防洪能力进行校核，司家沟东沟骨干坝现阶段可抵御10年一遇的洪水，可抵御的洪水总量为40.00万m3，西沟骨干坝可抵御20年一遇的洪水，可抵御的洪水总量为62.30万m3。分别选择10、20年为预测年限，按照现在的水土流失治理水平，10年后，东沟骨干坝的平均淤积速率为0.58万m3/a， 剩余库容为34.20万m3，可抵御10年一遇的洪水；西沟的平均淤积速率为0.77万m3/a，剩余库容为54.60万m3，可抵御20年一遇的洪水。20年后，骨干坝的淤积量越来越大，在不加泄洪设施的情况下，抵御洪水的能力越来越小。今后的10～20年间，水土流失的治理水平进一步加强，因此，东沟的平均淤积速率取0.46万m3/a，剩余库容为29.60万m3，可抵御5年一遇的洪水；西沟的平均淤积速率为0.51万m3/a，剩余库容为50.50万m3，仍可抵御20年一遇的洪水。

表2 规划年份司家沟流域骨干坝防洪能力校核

4 流域内淤地坝存在的问题

经过多次对司家沟流域的调查发现，流域坝系尚未实现水土资源高效利用，存在的主要问题有：

(1)2座骨干坝的布局未经过规划，到达淤积年限仍未淤满，沟道坝系尚未形成，不能充分发挥坝系的作用。在沟道坝系工程的布局和配合运用中，必须经过合理规划，科学布设，才能充分发挥坝系的整体作用。

(2)沟道治理投入较少，不能满足司家沟流域治理需要，更没有达到高效利用水土资源的要求。建设1座治沟骨干工程需要投资90万元，而国家实际投入只有35万元左右，且中小型淤地坝建设国家没有投资补助，加之黄土高原地区地方财政困难、群众生活贫困，拿不出更多的资金投入淤地坝建设，影响了淤地坝的发展。

(3)在坝系建设中，只有极少的控制性工程布设了永久性泄水建筑物，绝大多数标准较低的淤地坝采用卧管和土质溢洪口泄洪，远远不能满足防汛要求。

(4)缺乏坝系规划，设施不配套，存在病险隐患。流域坝系缺乏总体规划，控制性骨干坝少，骨干坝和淤地坝配置比例不合理，设施不配套，防御洪水标准低，综合效益差。同时，许多工程年久失修，设施老化，存在不同程度的毁坏。另外，由于多年淤积，相当一部分淤地坝已丧失了继续拦泥和防洪的能力，存在病险隐患。

(5)管理水平低，管护不到位。以国家投资为主建设的淤地坝建成后大多交给当地群众管理，但群众一般管理粗放，加之没有专项维护资金，管护不到位，导致坝系工程病险严重。

5 结 语

传统的坝系建设主要目的是拦沙和淤地造田，但由于近年来水土流失治理成果显著，沟道植被较多，水土流失量大大减少，很多坝系到达淤积年限后仍未淤满，在极为缺水的甘肃地区，若在保证淤地坝系安全的前提下，高效利用坝内水资源，将为缓解半干旱区水资源危机起到至关重要的作用。