黄土高原地区淤地坝“淤满”情况及防治策略

2020-10-20惠波惠露郭玉梅

人民黄河 2020年5期

惠波惠露郭玉梅

摘要：淤地坝是黄土高原地区水土保持主要工程措施之一。基于2009年黄土高原淤地坝安全大检查数据和2011年第一次全国水利普查数据对淤地坝“淤满”情况的分析表明，20世纪90年代及以前修建的淤地坝，大多数已超过淤积年限，部分淤地坝已“淤满”。淤地坝“淤满”后，拦沙作用降到最低，但是淤积的坝地相当于水平梯田，客观上还能起到一定的减蚀和拦蓄径流泥沙作用;未设置溢洪道的“淤满”淤地坝，遇超标准洪水时存在严重的安全隐患，但单场暴雨洪水不会造成拦蓄泥沙（坝地）被“零存整取”。对于“淤满”的大中型淤地坝，可采取增设溢洪道、排洪渠、坝体铺盖防护材料等措施进行综合治理，确保淤地坝减蚀作用的持续发挥和坝地的持续有效利用;对于“淤满”的小型淤地坝，可比照小型水库报废、销号等方法，实行动态管理，在政策上探索报废退出机制，对报废的淤地坝按照基本农田进行管理。

关键词：淤地坝;淤满;淤积年限;淤积库容;防治策略;黄土高原地区

中图分类号：S157.3+1;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.021

Abstract：Warping dam is one of the main engineering measures for soil and water conservation in the Loess Plateau area. Based on the safety inspection data of warping dams on the Loess Plateau in 2009 and the first national water conservancy survey data in 2011， the analysis of “fully filled” warping dams shows that most of warping dams built in the 1990s and before have exceeded the siltation years and some of them have been fully filled. After warping dam is fully filled， the silt retaining effect is reduced to the lowest level， but the dammed land is equivalent to the horizontal terrace， which can objectively reduce erosion and retain runoff and sediment; for the “fully filled” warping dam without spillway， there is a serious safety hazard in case of over standard flood， but the single rainstorm flood will not cause the silt retaining （dammed land） to be deposited gradually and washed away totally. For the large and medium-sized “fully filled” warping dams， measures such as adding spillway， flood discharge channel and dam body covering protective material can be taken for comprehensive treatment， so as to ensure the continuous development of the erosion reduction effect of warping dams and the continuous and effective utilization of dammed land; for the medium and small-sized “fully filled” warping dams， dynamic management can be carried out by comparing with the scrapping and number cancellation methods of small reservoirs， exploring the scrapping exit mechanism in policy and managing the scrapped warping dams according to the basic farmland.

Key words： warping dam; fully filled; siltation years; siltation storage capacity; control strategy; Loess Plateau area

淤地坝是黄土高原地区水土保持主要工程措施之一，是黄土高原地区人民群众对水土流失治理的原创性贡献，具有良好的水土保持功效，是一种独具特色、因地制宜的土地利用方式，在拦泥淤地、减少入黄泥沙等方面发挥了重要作用，其以显著的生态、经济、社会效益受到当地群众、水利水保部门乃至国家的重视。习近平总书记2015年在陕西省延川县梁家河调研时指出[1]：淤地坝是流域综合治理的一种有效形式，既可以增加耕地面积、提高农业生产能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行。

20世纪90年代及以前修建的淤地坝，大多数已超过淤积年限，有相当一部分淤地坝已“淤满”，即淤积量达到或超过设计淤积库容（拦泥库容），也可以说淤积高程达到或超过设计淤积高程（拦泥高程），属于“超期服役”。淤地坝“淤满”后，逐渐出现老化、破损等现象，成为病坝或险坝，丧失继续拦泥和缓洪、滞洪的能力，遇超标准洪水时存在严重的安全隐患。此前涉及淤积量超过设计淤积库容的研究较少[2]，笔者对黄土高原地区淤地坝“淤滿”情况进行了调查分析，本文对“淤满”淤地坝防治策略进行探讨，以期为黄土高原地区淤地坝建设管理、长效发挥淤地坝功能提供参考。

1 淤地坝“淤满”情况及存在问题

1.1 淤地坝“淤满”的概念

依据《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）、《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289—2003）的规定，库容为100万～500万m3的大（1）型淤地坝设计淤积年限为20～30 a，50万～100万m3的大（2）型淤地坝设计淤积年限为10～20 a，10万～50万m3的中型淤地坝设计淤积年限为5～10 a，小于10万m3的小型淤地坝设计淤积年限为5 a。淤地坝达到或超过淤积年限对应着淤积量达到或超过设计淤积库容，但是近年来，由于黄土高原地区植被覆盖率明显提高、各项水土保持措施使得产流产沙量明显减少，因此许多淤地坝存在实际淤积年限大于设计淤积年限且尚未“淤满”的情况。

淤地坝设计淤积库容反映了淤地坝拦沙能力，一般通过悬移质输沙量和推移质输沙量来确定，这2个量一般根据当地輸沙模数经验公式来计算，由于输沙模数是经验值，因此设计淤积库容也是经验值。淤地坝总库容由拦泥库容（设计淤积库容）和滞洪库容组成，其中拦泥库容是理论上可淤积的最大库容。如图1所示：有溢洪道的淤地坝，当淤积量等于拦泥库容即淤积高程达到溢洪道底坎高程后，来水来沙将通过溢洪道被排到淤地坝下游，不再具有拦沙作用，属于基本“淤满”（图1（a））;无溢洪道的淤地坝，当淤积量等于拦泥库容（对应着设计淤积高程）即基本“淤满”后，还会继续淤高，淤积泥沙逐步占用滞洪库容，使原设计滞洪库容减小，极限状况就是淤积面与坝顶齐平，即完全“淤满”（图1（b）），这种情况的淤地坝几乎丧失继续拦泥和缓洪、滞洪的能力，成为病坝或险坝，存在安全隐患。

图1 淤地坝“淤满”状况示意

1.2 淤地坝“淤满”情况

黄土高原地区现有淤地坝大多建成于20世纪六七十年代，受当时技术、经济条件所限，建设标准低，目前已达到或超过设计淤积年限，属于“淤满”淤地坝。据统计，截至2015年，潼关以上黄河中上游地区30%的骨干坝、69%的中型淤地坝、90%的小型淤地坝建成于1980年以前[3]。据陕西省水土保持志[4]

：20世纪70年代，陕西省坝地淤积速度比较快，年均新增坝地3 053 hm2; 1980—1993年，年均新增坝地面积下降至1 133 hm2，坝地淤积速度明显变缓。2000年以来，黄土高原地区坡面植被明显好转，各项水土保持措施使得坡面、沟道产沙量显著减少，新建小流域坝系中的大部分淤地坝实际淤积年限已大于当初的设计淤积年限，但是很多未“淤满”，据调查，绝大多数属于空库运行。

1.2.1 基于黄土高原淤地坝安全大检查数据的“淤满”情况分析

为摸清黄土高原地区淤地坝建设现状，排查安全隐患，制定有针对性的除险加固方案和措施，2009年水利部组织开展了黄土高原淤地坝安全大检查，这次安全大检查，对黄土高原地区已建成的各类淤地坝基本做到了“四清楚”，即基本情况清楚、病险情况清楚、采取措施清楚、安全责任清楚。检查资料（数据）表明，截至2008年年底黄土高原地区有淤地坝91 088座，其中骨干坝5 503座、中小型淤地坝85 585座。刘晓燕等[5]依据淤地坝安全大检查数据，对潼关以上黄河中上游地区5 284座骨干坝和10 673座中型坝的淤积量进行分析，结果表明：有1 550座骨干坝和6 622座中型坝的已淤积库容达到或超过设计淤积库容且淤积面未与坝顶齐平，属于基本“淤满”，分别占选取骨干坝数量的29%、选取中型坝数量的62%;完全“淤满”的骨干坝和中型坝分别为456座和3 400座，分别占选取骨干坝数量的9%、选取中型坝数量的32%;基本“淤满”和完全“淤满”的淤地坝主要分布在陕北的榆林地区和延安地区。据统计，1980年以前建成的小型淤地坝

由于淤积库容小、拦沙能力弱，因此在2009年黄土高原淤地坝安全大检查时已基本“淤满”，或完全“淤满”。

1.2.2 基于第一次全国水利普查数据的“淤满”情况分析

据2011年第一次全国水利普查[6]，黄土高原地区有淤地坝58 446座，其中骨干坝5 655座，中小型淤地坝52 791座。与2009年黄土高原淤地坝安全大检查结果（数据）相比，淤地坝数量由2009年的9.1万座减少至2011年的5.8万座，其中骨干坝数量略有增加（增加152座）、中小型淤地坝数量明显减少（减少32 794座，占中小型淤地坝总数的38%）。经初步了解和分析，开展第一次全国水利普查时，各级水土保持部门统计时未考虑总库容小于1万m3的特小型淤地坝（因其库容小、拦沙寿命短，所以早已“淤满”）和已经“淤满”的中小型淤地坝[5-7]，小型淤地坝“淤满”后被中型淤地坝逐渐“吞并”，中型淤地坝“淤满”后被大型淤地坝逐渐“吞并”，即下坝淤积淹没上坝，也可以称为“淤积淹没效应”。“淤积淹没效应”的存在，使黄土高原地区中小型淤地坝数量处于动态变化中，直至达到相对稳定的状态。如绥德县韭园沟一级支沟王茂沟小流域从1953年开始修建淤地坝，到1960年形成坝系，坝系经过了初建、改（扩）建、调整和稳定4个阶段，伴随着淤地坝溃坝修复和“淤积淹没效应”，到2000年淤地坝数量从最多时期的45座减少至23座，坝系逐渐达到稳定状态[8]。

1.3 “淤满”淤地坝的拦沙减蚀作用

淤地坝建成后直接拦截了上游沟道及坡面输移下来的大量泥沙，使得淤积面不断抬高，原来侵蚀最为严重的沟谷和沟床逐渐被泥沙淤埋，改变了坝控范围内的坡度组成，缩短了谷坡的坡长，使流域沟道形状由原来侵蚀较剧烈的V形逐渐演变成侵蚀强度相对较轻的U形[8]，改变了坝控范围内的土地利用类型，淤积面下的土壤侵蚀被彻底控制;淤积面以上，坝地两侧沟谷和沟坡（峁边线以下部分）土体的滑动面减少，土体抗滑稳定性增强[7]，重力侵蚀发生的概率降低，在一定程度上抑制了沟头延伸、沟谷深切及沟岸坍塌、扩张，直至淤地坝“淤满”，提高了侵蚀基准面，沟道纵比降减小，水流行进速度变缓、挟沙能力降低，坝控范围内的土壤侵蚀模数显著降低，淤地坝的拦沙减蚀作用发挥到极致。虽然完全“淤满”后，淤地坝的拦沙作用降到最低，但是淤积面（坝地）相当于水平梯田，客观上还能起到一定的减蚀和拦蓄径流泥沙的效果，具有很好的径流泥沙调控作用，所以淤地坝（坝地）减蚀作用将会持续发挥。据《清涧县志》记载，有淤地坝“鼻祖”之称的子洲县裴家湾黄土洼天然淤地坝是因山体发生滑塌将主沟道掩埋而形成的“闷葫芦”淤地坝，距今已450 a之久，对洪水泥沙全拦全蓄，现已淤成1 000多亩（约66.7 hm2）坝地，如果按照当地的侵蚀模数计算，该淤地坝拦沙量早已达到设计淤积库容，远远超过设计淤积年限，但是实际上并未真正“淤满”，至今拦沙减蚀作用仍然发挥得很充分，至于未“淤满”的原因，目前仍没有明确的结论，据当地村民说，淤积面增高增大的同时，聚湫（坝墚）也随之同步增高。

1.4 未设置溢洪道的“淤满”淤地坝安全隐患

2009年黄土高原淤地坝安全大检查中，将淤地坝安全分为5级，其中将防洪能力不足，坝体、放水建筑物和溢洪道工程完好，但达到或超过设计淤积高程的淤地坝定义为四类坝，这类淤地坝需要及时进行加高或配套溢洪道等排洪设施建设。随后，各地有计划地分期分批对存在安全隐患的病险淤地坝进行除险加固，在消除病险淤地坝安全隐患和保障淤地坝安全运用方面发挥了重要的作用。

2010年水利部印发的《关于进一步加强淤地坝等水土保持拦挡工程建设管理和安全运行的若干意见》（水保〔2010〕455号），对淤地坝工程建设管理和安全运用提出明确要求，其中对淤积面已达到或超过设计淤积高程，并投入正常生产运用的淤地坝，不再安排加高工程建设。为确保淤地坝安全运用和安全度汛，2015年4月水利部办公厅印发了《关于开展中型以上病险淤地坝认定和除险加固初步设计工作的通知》（办水保〔2015〕90号），其中《黄土高原地区中型以上病险淤地坝认定暂行办法》中没有将未设置溢洪道的中型以上淤地坝“淤满”情况作为病险问题进行认定，使得已经“淤满”的大中型淤地坝未纳入《黄土高原地区中型以上病险淤地坝除险加固工程实施方案》，所以存在一定的隐患。“淤满”后的淤地坝坝体外坡会形成比较陡的边坡，发生暴雨洪水时，小流域洪水漫顶时会冲刷、淘刷坝体，小冲沟逐步演变成大冲沟，溯源侵蚀至沿洪水通道主槽极狭窄的带状范围内。由于黄土高原地区暴雨洪水历时较短，不同粒径土壤自然分选沉积，淤积土壤密实度较大，因此一般单场暴雨洪水不存在坝地淤沙被“零存整取”，但是随着暴雨洪水的一次次冲刷，如果不加以维修保护，坝区内仍保留的淤积量（即坝地）将会逐渐被冲失殆尽，重新演变成大型侵蚀沟。如陕西省吴旗县印峁子骨干坝，坝高31.5 m，淤地40 hm2，因“淤满”已失去滞洪能力，1992年在超标准洪水袭击下，将坝体冲开一个缺口，因资金困难而没及时维修，到1994年坝体已冲毁一大半，损失坝地13.3 hm2，百万立方米泥沙进入下游河道，几十年治理成果付诸东流。

2 淤地坝“淤满”防治策略

2.1 增设排洪设施

一是增设溢洪道或泄洪洞。“淤满”或基本“淤满”的大中型淤地坝工程，防洪能力达不到原设计防洪标准，失去了“上拦下保”的作用，且随着时间的推移，淤积量不断增加，滞洪库容逐年减小，抵抗洪水的能力逐渐减弱，一旦发生大暴雨洪水，可能发生漫顶进而冲毁坝体、造成垮坝的情况，若对下游村庄、学校、工矿、城镇等重要设施有影响的大中型淤地坝发生漫顶，将会造成严重的后果，因此应根据地形条件增设溢洪道，采用浆砌石溢洪道或者钢筋混凝土溢洪道，对原土质溢洪道进行衬砌或改建，提高抗洪减灾能力和安全等级。对无地形条件增设溢洪道的淤地坝，可以增设泄洪洞等，但必须进行严格和充分的论证，确保淤地坝功能发挥和安全运行。如山西省兴县郝家山2号骨干坝于1989年建成，坝高23.5 m，总库容131万m3，其中拦泥库容84.5万m3，截至2009年黄土高原淤地坝安全大检查时，淤积高程已达到设计淤积高程，淤成坝地10 hm2，排水竖井已经倒塌，坝内蓄水难以排出，若遇到大暴雨洪水，坝体有毁坏的可能，并殃及坝下游1 km处的郝家山村568人和13 hm2良田的安全。为此，2010年山西省水利厅利用中央投资和地方配套资金对其进行除险加固，修复了竖井，加固了坝体，增设了溢洪道，提高了该坝的抗洪减灾能力和安全等级，保障了下游群众生命财产安全。

二是增设排洪渠。对于“淤满”的大中型淤地坝，为了确保坝地有效利用，依据实际情况，可在上游淤积面阴坡一侧或阴阳坡两侧布设排洪渠;沟道两岸坡有较大径流冲沟或坝肩处有冲沟导致坝体冲刷严重的淤地坝，根据实际需要，可增设坝面排洪渠或岸坡排洪渠，在坝体外边坡布设截水沟和排水沟。截水沟可减少径流对坡面的冲刷，排水沟将坡面径流排入下游沟道，增强支沟和主沟的连通性，提高流域从沟头至沟口排洪过流能力。如：山西省汾西县对康河沟、西河沟、马沟等流域“淤满”的大中型淤地坝在坝地靠阴坡一侧布设排洪渠，使坝地防涝保收，积累了丰富的坝地生产经验;山西省石楼县的东石羊坝，前身为东石羊水库，始建于1979年，坝高25.5 m，设计总库容290万m3，主要用于灌溉下游农田，由于上游水土流失严重，到1988年已淤积库容200万m3，超过了设计淤积库容，淤成坝地25.3 hm2，水库失去原有调蓄功能，改按淤地坝运行（纳入了淤地坝管理范围），于1991年在淤泥面上开挖排洪渠，使坝地得以利用，并有效防止了坝地盐碱化;陕西省子洲县2017年春季在岔巴沟流域的马家沟沟口坝地内修建了一条宽2.5 m、深0.5 m的排洪渠，在当年“7·26”暴雨洪水中虽然起了一定的排洪作用，但受排洪能力的限制，坝地玉米依然倒伏嚴重。实践表明，保障坝地高效利用的基础是建设与水土保持措施相配套的地表径流排泄通道。

三是铺盖防护材料对坝体进行有效防护。新型复合材料PET具有拉伸强度高、抗老化、透水保土等优点[9]，土工格栅具有高强度、耐腐蚀性、耐久性及提高坝体稳定性等优点[10-11]，可将新型复合材料PET或土工格栅铺设在淤地坝坝体表面的一定范围内，对坝顶、坝坡进行保护，稳定坝身结构，防止和延缓坝体被冲刷、淘刷破坏，防止形成侵蚀沟。

四是采取工程措施与植物措施相结合的综合治理。采用工程措施的同时，还应布设植物措施，在下游坝坡种植适生灌草（密植柠条、紫穗槐等耐干旱作物），提高边坡植被覆盖度。黄土高原地区必须治沟和治坡同时进行，以坡沟系统来说，在“淤满”淤地坝的坝控范围内，从峁顶、峁坡、沟坡到坝地依次修建集雨工程、坡改梯（或者水平沟、水平阶、鱼鳞坑等）、种植适生林灌草、布设排洪渠，调蓄径流，保证“淤满”坝地持续有效利用（耕种）。如陕西省绥德县辛店沟水土保持科技示范园有鸭峁沟和小石沟2个坝系（共18座淤地坝）、大型集雨工程3处、蓄水池4座、沟头防护多处及植物措施，其中有林地91.91 hm2、人工草地17.43 hm2、梯田4.43 hm2、坝地5.33 hm2，是水土保持措施配置的典型，具有一定的示范作用。

2.2 探索“淤满”中小型淤地坝报废机制

对于基本“淤满”的中小型淤地坝，淤积面已达到设计淤积高程，有的“超期服役”使淤积面（坝地）与坝顶几乎齐平，已没有滞洪库容，在减蚀效益方面相当于水平梯田，客观上还能起到一定的拦蓄泥沙作用，达到了最初设计的目的，发挥了当初设计的大部分作用，已完全没有必要再进行加高，在保证安全的前提下，可实行动态管理，探索报废退出机制，实行报废处理[12]，对报废的淤地坝按照基本农田进行管理。如内蒙古鄂尔多斯市截至2016年有坝控面积不足1 km2、总库容在1万m3以下的特小型淤地坝542座，这些淤地坝于1968年至2010年间建成，目前均达到设计淤积年限，大多数“淤满”，在保证安全的前提下，比照小型水库报废、销号等方法，鄂尔多斯市水利局已将其中的2座淤地坝作为报废、销号试点，正在探索和研究制定小型淤地坝报废管理办法。

3 结语

（1）从坝系角度来说，淤地坝存在“淤积淹没效应”，1960—1979年黄土高原地区淤地坝淤积速度较快，1980—1999年淤积速度明显变缓，2000年以来绝大多数淤地坝“空库”运行。

2）淤地坝完全“淤满”后，其拦沙作用降到最低，但是淤积的坝地相当于水平梯田，客观上还能起到一定的减蚀和拦蓄径流泥沙作用。

（3）未设置溢洪道“淤满”的淤地坝，单场暴雨洪水不会造成拦蓄泥沙（坝地）被“零存整取”。

（4）对于“淤满”的大中型淤地坝，可采取增设溢洪道、排洪渠、坝体铺盖防护材料等措施进行综合治理，确保淤地坝减蚀作用的持續发挥和坝地的持续有效利用;对于“淤满”的小型淤地坝，可比照小型水库报废、销号等方法，实行动态管理，在政策上探索报废退出机制，对报废的淤地坝按照基本农田进行管理。

参考文献：

[1] 霍小光.习近平春节前夕赴陕西看望慰问广大干部群众向全国人民致以新春祝福祝祖国繁荣昌盛人民幸福安康[N].人民日报，2015-02-17（1）.

[2] 高海东，贾莲莲，庞国伟，等.淤地坝“淤满”后的水沙效应及防控对策[J].中国水土保持科学，2017，15（2）：140-145.

[3] 刘晓燕，高云飞，马三保，等.黄土高原淤地坝的减沙作用及其时效性[J].水利学报，2018，49（2）：145-155.

[4] 陕西省地方志编纂委员会.陕西省志：水土保持志[M].西安：陕西人民出版社，2000，254-255.

[5] 刘晓燕，高云飞，王富贵.黄土高原仍有拦沙能力的淤地坝数量及分布[J].人民黄河，2017，29（4）：1-5.

[6] 中华人民共和国水利部.第一次全国水利普查公报[Z].北京：中国水利水电出版社，2013：8.