黄土高原淤地坝及其坝系试验研究进展

党维勤 党恬敏 高璐媛

摘 要：修建淤地壩是黄土高原地区治理水土流失的一种行之有效的水土保持措施，为了使淤地坝在黄河流域生态保护和高质量发展中发挥更大的作用，开展淤地坝及其坝系试验研究尤为重要。对淤地坝及其坝系试验研究的有关情况进行了系统梳理，以期为今后淤地坝建设和进一步开展相关研究等提供参考。20世纪50年代以来，有关水土保持科研单位、行业管理单位、高等院校等针对淤地坝建设开展了大量卓有成效的试验研究工作，可将已开展的试验研究分为单坝试验研究和坝系试验研究，在单坝研究方面开展了淤地坝设计防洪标准、工程结构、最优坝体断面、“水坠法”和定向爆破法等筑坝技术、坝体分期加高、拦泥减蚀作用测算、淤地坝分类及运行管理、坝地防洪保收、盐碱化防治、坝地综合利用模式等研究，在坝系研究方面开展了以骨干坝布局、规模及建坝顺序为重点的坝系优化规划技术研究、坝系相对稳定条件研究、坝系结构级联研究、坝系监测技术研究及坝系安全运行评价研究等。提出了淤地坝及其坝系研究的学科定位、研究体系及急需开展研究的重大课题：淤地坝及其坝系研究属多学科交叉的综合性应用学科，淤地坝及其坝系研究体系可以分为基础理论、技术和管理三方面，当前急需开展拦沙和减蚀机理研究、水毁机理研究、筑坝新材料和新技术研究、监测预警预报技术研究、淤地坝病险加固技术研究、坝系水资源利用研究等。

关键词：淤地坝;坝系;试验研究;黄土高原

中图分类号：S157.2;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.09.026

Abstract： The check dam is an effective measure for controlling the soil and water loss on the Loess Plateau. It is especially important to carry out the research on the check dam and its dam system in order to make the check dam play a better role in the ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin. The relevant researches on the check dam and its dam system were systematically reviewed， with a view to providing reference for the studies and constructions of check dams in the future. Since the 1950s， fruitful experimental researches on the construction of check dam were carried out by some research institutions， industry management units and universities relevant to the soil and water conservation， mainly including the single dam test and the dam systems test. The single dam research included the flood control standard for check dam design， engineering structure， optimal dam cross section， dam body heightening by stages， hydraulic filling method and directional blasting method， the calculation of mud retaining and erosion reducing effect， the classification and operation management of check dam， flood control and harvest protection dammed land， the prevention and control of salinization and the comprehensive utilization mode of dammed land. The dam system research included the dam system optimization and planning techniques focusing on the arrangement， scale and construction order for the key dams， the relatively stable condition for dam system， dam system cascade， dam system monitoring technology and dam system safety operation evaluation. The great issues on the subject orientations， research system and urgent research of check dam and its system were also put forward by these organizations. Research on the check dam and its system is a multidisciplinary and comprehensive application discipline. The system of check dam and its system can be divided into three aspects of basic theory， technology and management. At present，it is urgent to study the mechanism of sediment retention and erosion reduction， the mechanism of water damage， the new materials and technologies for dam construction， the technology of monitoring， early warning and prediction， the technology of endangered check dam reinforcement and the water resources utilization of dam system.

Key words： check dam; dam system; experimental; Loess Plateau

淤地坝是黄土高原地区人民群众在治理水土流失的长期实践中创造的一种行之有效的水土保持措施，能拦截泥沙、保持水土、淤地造田、增产粮食、改善交通条件和生态环境等。据调查统计，截至2014年黄土高原地区已建成淤地坝59 037座，其中骨干坝5 829座、中型坝11 265座、小型坝41 943座，共可拦沙280亿t，已淤坝地面积10.59万hm2（2007年调查统计数字，约占黄土高原耕地面积的10%），在有效控制黄土高原水土流失、减少入黄泥沙、改善当地生态环境和发展农业生产等方面发挥了重要作用。2019年9月18日习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上明确要求，中游要突出抓好水土保持和污染治理，有条件的地方要大力建设旱作梯田、淤地坝等。为了使淤地坝在黄河流域生态保护和高质量发展中发挥更大的作用，开展淤地坝及其坝系试验研究尤为重要。笔者对20世纪50年代以来淤地坝及其坝系试验研究的有关情况进行了系统梳理，以期为今后淤地坝建设和进一步开展相关研究等提供参考。

1 单坝研究

20世纪50—90年代的试验研究对象以单坝为主，部分研究涉及坝系。1952年黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站（简称黄委绥德站）成立后，以陕西省绥德、米脂、佳县、吴堡等4个县为重点试验区，通过2 a示范推广，共建成214座淤地坝，坝高集中在5～10 m，单坝控制流域面积大都在0.5 km2以下。

1.1 淤地坝拦泥减蚀作用

从20世纪50年代开始，有关水土保持研究单位对淤地坝的拦泥减蚀作用开展了大量的研究，探索了确定淤地坝拦沙量的实测法、淤地面积—坝高—库容曲线法、不同年代地形信息源法等多种方法。有关研究表明：单位面积坝地的拦泥量与坝高成正比，坝越高，单位面积坝地拦泥量越大[1];淤地坝淤积总量占总库容的比例（淤积比）达到77%左右时，淤地坝就失去了拦沙的功能[2];淤地坝具有抬高侵蚀基准面、控制沟道下切和沟岸坍塌扩展的作用，进而减轻重力侵蚀，具有减蚀作用，如无定河赵石窑以上坝库的减蚀量约为多年平均输沙量的20.8%[3];淤地坝减沙量是拦沙量和减蚀量之和，且减蚀量是淤地坝的可持续减沙量[4-7]。

1.2 淤地坝设计技术

对于淤地坝设计技术，主要开展了设计防洪标准、工程结构、最优坝体断面等方面的研究。设计洪水标准方面的研究从20世纪50年代后期开始，提出了推求设计洪水的经验公式法、邻近地区暴雨资料推算法、水文手册法等多种方法。在1977—1978年大暴雨后制定了淤地坝技术规范[8-9]，确定骨干坝控制面积为3～5 km2、设计防洪标准为20 a一遇、校核防洪标准为200 a一遇。在工程结构方面，1953年开始参照水利工程（土坝）建设的相关结构，确定了淤地坝结构为“三大件”，即坝体、溢洪道和放水建筑物，在具体的建设中一大件（即闷葫芦坝）、两大件（即坝体和放水建筑物或坝体和溢洪道）、三大件的淤地坝分别以小型坝、中型坝、骨干坝为主。黄委绥德站开展了坝体分期加高、配套溢洪道、配套放水建筑物等研究工作[8-10]，同时在水毁淤地坝研究的基础上，提出了“减小坝控面积，提高设计标准，采用高坝大涵洞（两大件），以库容制胜”的淤地坝设计理论，为骨干坝（治沟骨干工程）设计提供了理论依据。

1.3 筑坝技术

传统的淤地坝筑坝方式主要有人工夯实和机械碾压两种。1957年黄委绥德站开始与有关单位合作在韭园沟开展“水坠法”筑坝技术试验，用机械方式提水到山坡上的取土场，冲动松土成稠泥浆，沿人工控制的流路流入预先围埂的坝体填畦，经脱水固结成为密实的坝体。1973年水电部组织有关单位（共43个单位）开展水坠坝试验研究（坝体稳定观测和施工技术试验研究等），1978年“水坠法筑坝及水力充填技术”获得全国科学大会奖，1985年“水坠法筑坝的研究和推广”获得国家科技进步二等奖。水坠法筑坝在国内13个省（自治区）得到了推广。

从1958年开始，山西省水土保持研究所等单位开展了定向爆破法筑坝试验，由于试验次数少，没有形成系统性成果，因此未得到推广[11]。1990年黄河上中游管理局针对部分地区筑坝时缺乏砂石料、做反滤排水设施成本高的情况，开展了采用土工织物代替砂石料试验研究，结果表明，用土工织物代替砂石料可节省投资26.7%、省工62.6% [12-13]。

1.4 淤地坝管理

在淤地坝管理方面主要开展了坝地防洪保收、防治盐碱化和坝地综合利用模式研究。1979—1990年，黃委绥德站和山西省水土保持研究所开展了坝地防洪保收试验研究，试验表明高秆作物的耐淹深度不超过0.8 m、耐淹时间为5～7 d、耐淤厚度不超过0.3 m/次。黄委绥德站在横山县赵石畔流域开展坝地盐碱化防治研究，总结出治理坝地盐碱化的措施：开挖排水沟、降低地下水位;打井挖泉，修池蓄水，排灌结合，变旱坝地为水坝地，降低地下水位;引洪漫地，垫土压碱，引沟洪、坡洪、渠洪漫淤坝地，淋洗坝地土壤，降低含盐量;种植水稻等耐碱作物[14-15]。在坝地综合利用方面，提出了以下几种模式：坝系防洪、拦泥、生产综合运用，即上坝拦洪、下坝生产，上坝生产、下坝拦洪，轮蓄轮种、蓄种灌结合，支沟滞洪、干沟生产;淤地坝滞洪、灌溉、治碱利用，即淤排结合、防洪保收，涵洞排水、治碱保收，修池围井、变坝地为水地;淤地坝土地合理种植，即以种植秋季作物为主、秋夏季作物结合，深翻改土、科学施肥，合理密植、科学管理[16-18]。

2 坝系研究

2.1 坝系规划技术

1959年，黄委绥德站基于韭园沟小流域淤地坝建设和试验研究，把一条沟道中的坝分为主坝和腰坝，初步提出了“坝系”的概念。之后，提出了“小多成群、骨干控制、综合利用”的原则[19-20]，以合理利用水沙资源，充分发挥淤地坝防洪、拦泥、生产、灌溉等综合功能。在建坝顺序方面，提出支毛沟由下到上、干沟由上到下或上下结合的方法。1963—1990年黄委绥德站采用正交试验、线性规划、非线性规划、动态仿真等方法，对李家寨沟、孙家沟、王茂沟、马连沟、埝堰沟等小流域坝系的布坝密度、骨干坝位置、放水建筑物形式、打坝顺序及建坝时间间隔等进行试验研究[21-23]，取得了以骨干坝布局、规模及建坝顺序为重点的坝系规划方案，此后坝系规划的理念得到推广和应用。

2.2 坝系相对稳定

1991年黄委原主任龚时旸提出对坝系相对稳定开展调查研究，此后至2007年，坝系相对稳定研究被陆续纳入国家“八五”科技攻关项目[7]、黄委水土保持科研基金项目[24-26]、国家科技支撑计划项目等[27]，研究的核心内容就是坝系相对稳定系数即坝系淤地总面积与控制面积之比应达到多大，所得主要结论：已淤面积与控制面积之比为1/25～1/20，可淤面积与控制面积之比为1/15～1/10;小流域控制性骨干坝总剩余滞洪库容应大于坝系设计洪水总量（一般为100～200 a一遇）;坝系由骨干坝和中、小型淤地坝等组成，不同的坝发挥防洪、拦泥、生产和蓄水等不同功能，坝系中骨干坝（治沟骨干工程）安全无病险。

2.3 坝系结构级联

根据A.N.Strahler提出的沟道分级方法，取最小等级沟长≥300 m对沟道进行分级和分析表明，Ⅰ级沟道的集水面积一般为0.15～0.30 km2，可修建小型淤地坝;Ⅱ级沟道的集水面积一般为0.6～2.0 km2，一般沟道可修建1～2座中型坝和小型坝;Ⅲ级沟道的集水面积一般为3.0～10.0 km2，可修建1座或多座骨干坝，并形成相对独立的坝系单元;Ⅳ级沟道的集水面积一般为30～50 km2，应在适当位置配置骨干坝、生产坝和蓄水塘坝。小流域坝系是由主沟坝系、干沟坝系和支沟坝系单元构成的，最终形成一个巨大的脉状坝系结构。对各坝系单元之间的相互联接方式进行概化，得到不同坝系单元之间的级联物理模式，即串联、并联、混联三种模式。在各级沟道组成中，当Ⅰ级沟道较多时，小型坝配置比例较高，淤地坝的串联模式比例最高;当Ⅱ级沟道较多时，中型坝配置比例较大，控制不同支沟的坝系单元以并联为主;当Ⅲ级沟道较多时，由骨干坝控制的坝系单元相对较多，坝系单元之间基本属于并联关系;Ⅳ、Ⅴ级沟道分段控制的骨干坝较少，但各坝控单元处在同一沟道上，属于典型的串联关系[28]。

2.4 坝系安全运行评价

2002年黄委在“十五”重大科研项目中安排了“黄河多沙粗沙区坝系工程安全评价方法研究”，其对小流域坝系安全评价的研究内容包括工程安全、拦泥安全、生产安全等三方面。项目承担单位黄委绥德站通过研究归纳出了4个层次2个系统共14个指标的坝系工程安全评价指标体系及各指标的赋值标准，同时构建了14个评价模型，进而构建了坝系工程安全度模型[9]。2012年水利部将“小流域淤地坝坝系防洪风险评价技术”列入公益性行业科研专项，项目承担单位西安理工大学在调查淤地坝水损特征基础上，确定了影响淤地坝安全的主要因素，进而揭示了淤地坝坝系水损与水毁的机理，构建了涉及洪灾风险、管理风险和经济风险的三方面9个因子作为评价的指标体系[29]。

2.5 坝系监测技术

2003年，“小流域坝系监测方法及其评价系统研究”被列入黄河水土保持世行贷款二期科研项目，项目组采用调查统计、地面观测、遥感、地理信息系统等多种方法，进行了淤地坝工程建设动态、拦沙蓄水、坝地利用及增产效益、坝系安全等四方面的监测，形成了一套完整的小流域坝系监测方法[30]。2007年，水利部把“小流域坝系监测评价技术研究”列入公益性行业科研专项，在不同水土流失类型区选择12条典型小流域坝系布设监测点，采用实地调查、遥感、水沙观测等多种方法，连续开展前述四方面的监测[31-35]。

3 对淤地坝及其坝系研究体系的认识

3.1 对淤地坝及其坝系的再认识

淤地坝及其坝系布设于黄土高原千沟万壑之中，淤地坝单坝控制面积一般小于10 km2，坝高一般在30 m以下，工程规模较小，对地基要求低，其运行方式是蓄浑排清，即拦泥淤地、排走清水，不允许长期蓄水，短期内有滞洪作用，坝体一般为均质土坝，建在有常流水沟道的淤地坝下游坝脚设较简单的反滤排水体，根据其控制流域水文气象状况和坝址区地形地貌、土壤、植被条件等配置放水建筑物和溢洪道等，完整的淤地坝组成应包括坝体、溢洪道、放水建筑物（即三大件）。

坝系是小流域内水土流失综合治理体系中沟道工程措施最为关键的一道防线，由骨干坝、中型坝、小型坝等组成，通过拦、蓄、淤等，既能将洪水泥沙就地拦蓄、削峰减能、固沟减蚀，有效控制水土流失、减少入黄泥沙，又能形成坝地，充分利用水土资源，使荒沟变成高产稳产的基本农田，從而有效解决黄土高原地区水土流失严重、洪水灾害和干旱缺水等三大难题，同时促进生态环境得以改善、经济得到发展。

当前淤地坝存在的主要问题：①运行时间过长，形成大量病险淤地坝。黄土高原地区现有中型以上病险淤地坝多数建于20世纪六七十年代，目前大多已淤满，丧失了滞洪能力，另外淤地坝坝体大都是人工夯实的均质土坝，受施工管控条件限制，质量较差，年久失修、设施老化，面临着垮坝危险，形成了大量的病险淤地坝，当前黄土高原地区有中型以上病险淤地坝7 336座，其中骨干坝1 983座 、中型淤地坝5 353座。②工程配套设施不完善，缺乏科学规划。现有大量淤地坝没有进行过坝系整体布局规划和工程设计，缺少骨干坝，缺少溢洪道和放水建筑物、蓄水池、灌渠等配套设施，重施工建设、轻规划设计，重泥沙拦蓄、轻水资源的利用。③管护责任不明确，疏于维护管理。淤地坝很长时间以来一直存在管护责任不明确、维护维修不力的问题，淤地坝的所有权、建设权、管理权、收益权不明确，因此出现只建设不维护、只种植不管理、只经营不维修等多种不合理现象，存在坝体上种植、溢洪道中种植、放水建筑物旁种植等不合规现象，坝体、溢洪道、放水建筑物存在不同程度的病险现象。据2009年黄土高原淤地坝安全大检查时统计，已建成骨干坝和中型坝中病险淤地坝占骨干坝和中型坝总数的43.8%，大量的病险淤地坝亟待维修和加固。

黄土高原地区淤地坝建坝资源潜力比较大，建设前景十分广阔。黄土高原地区长度大于0.5 km的沟道有27万条，其中多沙粗沙区约有8万条，研究表明，该地区共可修建淤地坝33万座，其中骨干坝6万座，因此淤地坝发展潜力仍然比较大。

3.2 淤地坝及其坝系研究的学科定位与研究体系

淤地坝研究属于自然科学和社会经济科学交叉的边缘学科，既是水土保持科学的分支学科，也是环境科学与技术、生态学的分支学科。目前，淤地坝研究偏重于应用研究和技术研究，具有较为明显的应用学科的特点。因此，淤地坝研究属多学科交叉的综合性应用学科。淤地坝及其坝系研究体系可以分为基础理论、技术和管理三方面，见图1。

淤地坝基础理论研究分為支撑理论研究和独特理论研究两方面：支撑理论研究主要是与土坝相关的研究，主要包括理论力学、材料力学、结构力学、土力学、水力学、工程水文学和工程地质学等方面的理论研究;独特理论研究包括坝系相对稳定、沟道侵蚀特征与机理、淤地坝减水减沙、水毁机理、防洪保收理论、病险淤地坝运行管理等理论研究。

淤地坝及其坝系研究是一门技术性和应用性很强的学科，根据淤地坝规划、建设和管理过程中的需要，淤地坝技术研究包括监测技术（水文泥沙监测、安全稳定监测、效益监测等）、规划设计技术（坝系规划布局和土坝设计、溢洪道设计、放水建筑物设计等）、施工技术（碾压法、水坠法、定向爆破法等）、林草技术（坝坡植物防护技术、坝地经果林生产经营技术等）、其他技术（坝地盐碱化防治技术、病险坝除险加固技术、新材料新工艺和新方法等）等多项内容。

淤地坝运行管理研究包括运行管理、养护维护、监管和政策、效益等方面的研究，以促进淤地坝及其坝系管理更加科学化、规范化，保障淤地坝及其坝系功能与效益的持续发挥。

3.3 淤地坝及其坝系研究的主要内容

淤地坝及其坝系研究的内容主要包括：淤地坝及其坝系的基础理论与原理，规划、设计、施工关键技术，淤地坝及其坝系土地的土壤重构与地貌重塑，坝体保护与坝地生产生物技术，淤地坝及其坝系运行管理技术，淤地坝及其坝系安全运行监管技术，淤地坝和坝系在不同尺度（小流域、支流、省区、黄河中上游等）的滞洪拦沙效益、生态保护效益、社会经济效益监测技术等。

3.4 亟待进一步研究的课题

几十年来，试验研究促进了淤地坝及其坝系在黄土高原地区的发展和效益的发挥，但在基础理论研究方面不够深入，主要是拦沙、减蚀和水毁机理研究不足，影响着淤地坝安全运行、效益分析和管理有关标准的制定，筑坝新材料与新技术、安全预测预警预报、各类效益监测、病险诊断与加固技术、水资源利用技术等方面的研究滞后于生产需求。笔者认为，当前亟须开展淤地坝及其坝系研究的课题如下。

（1）拦沙和减蚀机理研究。选择典型坝系，从淤地坝及其坝系拦沙、蓄水、淤积、减蚀、抬高基准面的机理开展研究，通过坡面和沟道耦合，根据次暴雨和坡沟侵蚀产沙、淤地坝淤积过程的物理机理研究，建立淤积厚度与暴雨径流产沙的对应关系，进而反演淤地坝淤积过程，探究坝系对区域产沙及输沙的影响，探明淤地坝及其坝系对不同尺度流域（或区域）的拦沙和减蚀效益。

（2）水毁机理研究。在具有典型性和代表性的小流域坝系内选择病险坝开展暴雨洪水条件下淤地坝的连续观测，收集淤地坝坝体变形与坝体溃决、溢洪道垮塌及损坏、放水建筑物位移和破损过程等[36-37]，在单坝水毁过程机理研究的基础上，从坝系单元—支沟坝系—小流域坝系的关系开展水毁过程研究，尤其是连锁溃坝的机理研究。

（3）筑坝新材料与新技术研究。开展淤地坝关键部位如溢洪道、放水建筑物和坝体的土石结合部位新材料与新技术的研究，以提高建设效率、建设质量及安全性能，降低病险度、建设成本，避免水毁。

（4）监测预警预报等技术研究。在淤地坝及其坝系中布设水尺或雷达水位计、雨量计等，在重要骨干坝及其坝系关键点位安装摄像头，对所在流域暴雨、洪水、径流及坝库蓄水、泥沙淤积、坝体与泄放水建筑物安全等进行监测监控，及时发布坝系水毁风险等预警信息，为科学合理的调度决策提供支撑[38]。在监测方法中，注重高精度DEM、5G技术、智能化、云技术、大数据等新技术的应用研究，如利用智能雷达机器人监测涵洞内混凝土剥落、渗流、沉陷、塌空、裂缝等隐患[39]。

（5）淤地坝病险加固技术研究。在淤地坝普查的基础上，对病险淤地坝进行科学分类，研究各类病险淤地坝的加固技术等，研究水毁放水建筑物的修复加固技术、损毁溢洪道的补救措施、损毁坝体的恢复技术等。

（6）坝系水资源利用研究。开展坝系组成方面的研究，即在不同区域坝系中适当配套小水库、蓄水池、塘坝等，提高坝系水资源可持续利用率，最大限度发挥坝系的效益。

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【责任编辑 张智民】