黄河潼关以上坝库拦沙作用及流域百年产沙情势反演

2021-08-11刘晓燕高云飞田勇李小平马静

人民黄河 2021年7期

刘晓燕高云飞田勇李小平马静

摘要：水库和淤地坝的拦沙作用是黄河泥沙减少的重要影响因素。通过连续10 a的调查和研究，基本摸清了潼关以上黄河流域淤地坝和水库的数量及其时空分布，进而计算了水库和淤地坝在不同时期的拦（引）沙量、反演了黄河流域过去100 a的产沙情势变化过程。结果表明：20世纪70年代是水库、淤地坝和灌溉工程拦（引）沙最多的时期，合计达5亿t/a，之后逐步降低，2010—2019年为2.73亿t/a。还原水库和淤地坝拦沙量后可见，70年代是过去100 a中流域产沙最剧烈的时期;1980—1999年、2000—2009年和2010—2019年与1930—1969年相比，黄河流域的单位有效降雨产沙量分别降低13%、54%、79%。若按2010年以来的淤积速率测算，至2070年前后，现有水库和淤地坝拦沙量约4 000万t/a。该研究不仅可在相当程度上回答过去几十年黄河输沙量减少的原因，而且可为黄河重大工程的拦沙量设计提供参考。

关键词：淤地坝;水库;拦沙量;产沙情势;反演;黄河

中图分类号：P333;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.004

引用格式：刘晓燕，高云飞，田勇，等.黄河潼关以上坝库拦沙作用及流域百年产沙情势反演[J].人民黄河，2021，43（7）：19-23.

Abstract： The warping dams and reservoirs have been an important factor accounting for sediment reducing of the Yellow River. Through lots of investigation and research during ten years，this paper figured out their quantity and its temporal-spatial distribution and calculated the sediment amount intercepted by dams during the past different periods and played back the sediment production situation along the past 100 years. The results show that the sediment quantity intercepted by dams from 1970 to 1979 is the maximum in the last 100 years and the total is 0.5 billion t/a and then it is gradually decreased. From 2010 to 2019， the warping dams and reservoirs intercept 0.273 billion t/a of sediment in total. After restoring the intercepted sediment by dams， it is found that in the 1970s is the most severe period in the past 100 years. Comparing with the situation from 1930 to 1969， the sediment yield produced by the effective rainfall is decreased by 13%， 54% and 79% respectively during the periods of 1980-1999， 2000-2009 and 2010-2019. If calculating with the deposition rate of the last 10 years， the sediment intercepted by the existing dams will be 40 million t/a by around 2070. This research results can not only explain the reasons of sediment discharge reduction of the Yellow River to a considerable extent， but also provide an important reference to the key projects plan and design.

Key words： warping dam;reservoir;sediment intercepted;sediment production situation;restore;Yellow River

水庫拦沙是黄河潼关输沙量变化的重要影响因素。20世纪90年代，水利部黄河水沙变化基金项目组对黄河流域干支流水库拦沙量进行过全面调查，对无定河等重点支流水沙变化和巴家嘴等支流水库拦沙量进行了深入分析[1]。近年来，田勇等[2]对2007—2011年黄河河口镇至潼关区间的水库拦沙量进行了全面调查。不过，迄今对20世纪90年代后期以来潼关以上地区水库拦沙的系统研究很少。

与水库相比，淤地坝拦沙作用更引人关注。1990年前后，陕西省水保部门对榆林和延安2个市25个县（区）的淤地坝进行了全面的摸底调查，获取了十分宝贵的普查数据，提出了《陕北地区淤地坝普查技术总结报告》等。基于该次普查成果，贺玉邦[3]、李靖等[4]和冉大川等[5]分别对陕北地区和河口镇至龙门区间淤地坝拦沙量进行了分析。近年来，黄河输沙量大幅减少，淤地坝的拦沙作用再次引起关注 [6-9]，但因淤地坝数量庞大、淤积数据采集困难等，不同学者所得结论相差较大。

本文以黄河潼关以上地区为重点，核实了坝库（淤地坝和水库）数量及其时空分布，提出了坝库拦沙量计算方法，系统分析了1960年以来不同时期的坝库拦沙量和灌溉引沙量。

1 坝库数量及其时空分布

对水利普查和历次淤地坝调查等多源数据进行比对和实地调查表明[10]：至2016年，研究区共有淤地坝55 124座，其中骨干坝（也称大型坝）5 546座、中型坝8 596座、小型坝40 982座，已形成坝地1 016 km2;建成于1989年以前的大、中、小型坝分别占同类坝数量的32%、61%、82%。图1和图2为黄土高原大、中型淤地坝的时空分布情况。

河口镇至龙门区间（简称河龙间）是淤地坝最为集中的区域，现拥有69%的骨干坝、78%的中型坝和90%的小型坝。该区也是老坝集聚区，建成于1989年以前的大、中、小型坝分别占44%、73%、89%。

小型淤地坝数量占淤地坝总量的74.3%，90%分布在河龙间，其中87%建成于1979年以前。

水利普查数据和近年调查资料表明，2019年研究区共有水库1 153座，其中，大型水库35座、中型水库130座、小（1）型水库510座、小（2）型水库478座，总库容为504亿m3，其中大中型水库库容占总库容的96%。与淤地坝不同，水库大多分布在黄河干流，以及水土流失轻微的土石山区、风沙区和灌区周边，见图3。

支流水库建成时间与陕北淤地坝相似，即主要建成于20世纪80年代以前。黄河干流虽只有27%的水库建成于1999年以前，但其总库容占干流总库容的84%（见图4），主要分布在兰州以上。

2 淤地坝拦沙量

坝地面积及其变化量是以往淤地坝拦沙量分析时采用的關键参数[4-6]。然而，以往各地对“坝地”的定义差别很大，有些县（区）甚至把在河道滩地上整修的农田也列入坝地，并且此类地块的面积很大。2011年，全国水利普查规范了坝地的定义，但因“坝地面积”的前后口径不同，导致原计算方法失效。

分析不同类型淤地坝的建成时间、控制面积和库容发现：除陕北外，其他地区大、中型淤地坝主要建于2000年以后，尤其2006—2008年是建设高潮期;所有骨干坝均有截至2011年年底的淤积信息，绝大部分的大、中型淤地坝有控制面积信息;陕北有每座淤地坝截至1989年的淤积信息，宁夏、内蒙古还拥有每座坝截至2016年年底的淤积信息。

基于2000年前后和2007年前后所建淤地坝截至2011年或2016年的淤积量，结合各支流实测输沙量，研发了淤地坝在2000—2009年和2010—2019年拦沙量计算方法[10]。以皇甫川为例，要计算淤地坝在2010—2019年的年均拦沙量Ws2010—2019，首先，利用其2017年年初实测得到的每座坝淤积总量，计算2007—2016年建成淤地坝的拦沙总量（∑Ws2007—2016）;然后，利用2007年建成坝的坝控区2007—2016年实测产沙模数M2007—2016和2006年以前所建老坝的总有效控制面积Aold，可推算出老坝在2007—2016年的年均拦沙量∑Ws-old;最后，利用不同时期水文站实测输沙量Wdischarge，即可推算出所有淤地坝在2010—2019年的年均拦沙量，即

陕北是淤地坝最多、老旧坝集中的地区，是拦沙量分析的重点和难点，本文利用无定河流域淤地坝在2017年“7·26”特大暴雨期间的实测淤积数据进行推算。2017年汛后，黄河水利科学研究院组织技术人员，对位于大暴雨笼罩区的无定河7个小流域全部2 019座淤地坝的淤积量进行了实测。笔者对该实测淤积量信息进行了深度挖掘，发现了淤地坝拦沙量（Ws-warpingdam）与“有效坝控面积占流域面积的比例R”和“流域输沙量Wdischarge”的关系[11]，进而得到了陕北老坝集聚区的淤地坝拦沙量计算方法，见式（2）。其中，现状有效淤地坝的识别方法见文献[11]和文献[12]。

我们充分挖掘了1989年陕北淤地坝普查数据蕴藏的拦沙信息，以及2000年以前所建淤地坝的控制面积和地理位置信息，对前人提出的淤地坝1956—1999年拦沙量成果进行了修正。

计算结果（见表1）表明：黄土高原淤地坝迄今共拦沙约85亿t（含1950—1959年拦沙量），其中20世纪70年代是淤地坝拦沙作用最大的时段，拦沙量约为2.12亿t/a;2010—2019年拦沙量约为1.29亿t/a。河龙间是拦沙最多的地区，占黄土高原淤地坝拦沙总量的85.7%。大、中型淤地坝是淤地坝拦沙的主体，2010年以来贡献率约为97%。

3 水库拦沙量

考虑水库相关信息及其实测淤积数据的丰富度和可信度，提出了计算水库拦沙量的4种方法。

（1）实测法。凡有逐年实测淤积量数据者，例如龙羊峡、刘家峡、青铜峡、海勃湾、万家寨、龙口、王窑、巴家嘴和汾河水库等大型水库，直接采用实测数据计算拦沙量。

（2）输沙率法。以黄河李家峡以上水库群为例，该区水库死库容高达78.7亿m3，可拦截坝址以上全部来沙，故可利用唐乃亥以上某时期实测的产沙模数，推算出李家峡以上水库群的同期年均拦沙量。该方法适用于兰州以上青藏高原地区，以及水库仍有较大剩余拦沙库容的类似地区。

（3）参考水库在某时间点的实测淤积量，结合水文站测得的输沙量，推算拦沙量。例如，陕北曾于2002年和2013年对大、中型水库和部分小水库进行过淤积测量，参照式（1），即可推算出拦沙量。

（4）参考大型淤地坝控制区的实测产沙模数推算。

充分利用前人研究成果[1，2，5，6]，采用以上方法计算结果（见表2）表明：研究区水库迄今共拦沙约107亿t（含1950—1959年拦沙量），其中支流水库占53.3%、干流水库占46.7%;20世纪60年代至80年代是水库拦沙最多的时期，在2亿t/a以上。2010—2019年，黄河干支流水库拦沙量约为1.13亿t/a，其中青藏高原水库拦沙0.3亿t/a;大、中型水库是拦沙主力军，占总拦沙量的90%。

4 灌溉引沙量

黄河上中游地区引水灌溉由来已久，引水必有引沙。图5为1919—2019年潼关以上灌溉引沙量的变化情况，其中：1959年以前引用文献[1]的分析成果，1960年以来大部分大型灌区采用其实测引沙量、其他灌区利用引水量和同期河道含沙量推算;未考虑黄河龙门以下扬黄灌区引沙量。由图5可见，进入21世纪，由于水流含沙量大幅降低，因此流域灌溉引沙量已减少至20世纪前半期的平均水平，其中2010—2019年引沙量约3 100万t/a。

5 百年产沙情势反演与展望

1950—2019年水库、淤地坝和灌溉工程的拦（引）沙量变化情况，见图6。由图6可见，20世纪70年代是水库、淤地坝和灌溉工程拦（引）沙最多的时期，合计拦（引）沙量达5亿t/a，之后逐步降低，2010—2019年为2.73亿t/a。

基于实测输沙量，还原坝库拦沙和灌溉引沙后，可反演过去100 a黄河流域潼关以上地区的产沙量变化过程，见图7。20世纪30年代至70年代，是过去百年流域产沙最丰的时期;50年代以来，由于坝库及灌溉工程拦（引）沙，因此输沙量与产沙量的差值越来越大，2000年以来该差值达流域产沙量的1/2。2000—2019年，还原坝库拦沙、灌溉引沙和河道采砂后，潼关以上黄河流域实际产沙量约为6.01亿t/a（见表3）。

进一步研究发现，在20世纪30—60年代，虽然流域产沙量有所不同，但考虑有效降雨因素后，单位有效降雨产沙量的变化很小，即产沙能力相当;70年代是过去100 a中产沙最剧烈的时期，这与持续不断的坡面扩耕和毁林毁草有关[13]。1980—1999年、2000—2009年和2010—2019年与1930—1969年相比，黄河流域的单位有效降雨产沙量分别降低了13%、54%、79%。

基于淤地坝有无拦沙功能的判断标准[11-12]，加之实地调查可知：至2019年，黄土高原近一半的大、中型淤地坝已经失去拦沙能力，其中陕北1989年以前建成的淤地坝拦沙功能失效的比例达84%、90年代以后建成坝的失效比例约为17%;黄河盐锅峡至潼关区间的干流水库拦沙库容均已淤满，80年代以前建成的多沙支流水库也有1/3以上已失去拦沙能力、其中小型水库失去拦沙能力者超过1/2。总体上，除青藏高原水库群具有超长的拦沙寿命（近10 a年均拦沙约3 000万t/a）、灌溉引沙将持续存在外，其他已建和在建坝库的拦沙功能将在未来50 a内逐渐丧失。

按过去10 a的淤积速率判断，预计2070水平年，黄河潼关以上现有坝库拦沙量约4 000万t/a（其中青藏高原3 000万t/a）、较现状降低83%。因此，如果维持2010—2019年林草植被、梯田和坝地的面积及其质量不变，且不再新建坝库，预计2070年以后黄河流域多年平均入黄沙量为4.55亿t/a，其中青铜峡站输沙量为0.79亿t/a、黄河中游入黄沙量为3.66亿t/a，黄河龙门、汾河河津、北洛河头、泾河张家山和渭河咸阳等5站输沙量合计约4.3亿t/a。

拦沙功能失效后，淤地坝将主要靠坝地稳定发挥耕种和减蚀作用。值得注意的是，坝地减蚀作用并非在淤地坝拦沙功能失效时刻突然出现，而是伴随拦沙量的增加而一直存在，且会不断增大，一旦拦沙量停止增加，坝地减蚀作用将稳定（见图8）。目前，因现状淤地坝拦沙量已达其拦沙潜力的80%，故其坝地减蚀作用也已发挥了80%的潜力。

目前，黄土高原淤地坝已拦沙85亿t、支流小水库已拦沙15亿t，其中90%以上集中在河龙间和北洛河上游，该区来沙对黄河中下游威胁最大。鉴于超标准、大范围的超强暴雨难以避免，建议相关方面再次组织对黄土高原水库和淤地坝进行普查，并做好水毁应对措施。

本研究不仅可在相当程度上回答过去几十年黄河沙量减少的原因，而且可为黄河重大工程的拦沙量设计提供参考。

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