黄土高原淤地坝工程水资源利用模式与展望

兰立军，杨 俊，李晓霞，孙栋元，贾 玲，武兰珍，王兴繁，张 军

(1.甘肃省水利厅 水土保持中心，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070)

淤地坝作为黄土高原滞洪、拦泥、淤地的主要水土保持工程，既是有效防治水土流失的关键举措，也是保障小流域水资源高效利用的重要手段。截至2015年，在5 658座骨干坝和11 248座中型坝中，已有1 428座骨干坝和5 003座中型坝失去了拦沙能力[1]。因此，对淤地坝工程开展相关研究迫在眉睫。目前，相关学者针对淤地坝的主要功能[2-6]、运行情况[7-9]、管理[10-12]等方面已经做了大量研究，但对于淤地坝工程水资源利用方面的研究仍显不足。汪子涵等[13]提出一种基于Unity3D的模拟方法，实现了对水资源动态变化调控的模拟，卜崇德等[14]对淤地坝在洪水资源利用方面进行了相关分析，尹惠敏等[15]探讨了淤地坝渔业资源利用情况及存在的问题。以上研究虽涉及淤地坝水资源利用相关内容，但依旧存在水资源配置不合理、利用率低等问题。本研究通过分析淤地坝工程水资源利用中存在的问题，从水资源利用的角度研究淤地坝工程水资源利用模式，初步提出拦蓄灌溉、雨水蓄集、地表水和地下水联合利用3种模式，旨在为淤地坝高效存蓄、科学利用水资源奠定基础，为实现黄土高原水资源可持续发展提供保障。

1 淤地坝工程水资源特点及存在的问题

1.1 淤地坝工程水资源特点

淤地坝工程大多修建在黄土高原小流域，受黄土高原独特的地理位置影响，地下水不易开发利用。黄土高原小流域水资源主要有以下4个特点：①降水是黄土高原水资源的主要补给来源，但其地处干旱半干旱地区，降水极其稀少，蒸发量大，在特别干旱的地区，蒸发量可达降水量的10倍以上；②水资源分布不均，受地形地貌影响，自东南向西北呈递减趋势；③汛期降雨频繁，强度大，但多为暴雨，致使水土流失严重、水资源含沙量高，难以开发利用[16-17]；④黄土高原多为起伏的山丘，植被稀少，风蚀严重，降雨大部分下渗，地表径流较少。

1.2 存在的问题

(1)汛期空库运行时，水资源需求难以得到满足。现行淤地坝设计标准规范及运行管理办法规定，淤地坝汛期不能蓄水利用，要求空库运行，但这很难满足当地人畜饮用、农业灌溉、水产养殖等方面的水资源需求。

(2)沟坡、沟道集水面积没有得到充分利用。淤地坝所处的沟坡、沟道在雨季或者暴雨时会产生坡面径流，但是由于认知不足、技术发展不够，这部分水资源没有受到重视，被归类为难以进行开发利用的水资源，造成了大量浪费。但对于类似黄土高原这样干旱缺水的地区，雨水坡面汇集是水资源最主要的补给来源。

(3)水资源利用不合理。淤地坝水资源主要由洪水和地下水两部分组成。由于大部分淤地坝工程存在配套设施不完善、未形成坝系等问题，因此在降水频发的丰水年会出现坝地不保收的情况，而在枯水年干旱缺水，造成坝地产量低等。总体来说，淤地坝工程水资源利用效率不高，部分工程对水资源利用不合理。

2 淤地坝工程水资源利用模式研究

黄土高原淤地坝工程的水资源利用，除考虑淤地坝工程水资源特点、存在的问题外，还需考虑水资源总量。本研究从拦蓄水资源、雨水资源、地下水和地表水资源3个方面分析淤地坝水资源量，通过建立相应的模式提高水资源的利用率，并对黄土高原淤地坝工程水资源利用模式开展初步探讨研究。

2.1 拦蓄灌溉模式

不同的运行阶段淤地坝具有不同的作用，每一种作用在黄土高原小流域治理中都发挥了重要作用。汛期时，由于淤地坝空库运行，浪费了大部分洪水资源，使得黄土高原长期处于干旱缺水状态。因此，以水资源可持续发展为基本理念，建立淤地坝拦蓄灌溉模式，以解决黄土高原地区水资源紧迫情况，为养殖业、农业等发展提供保障。拦蓄灌溉模式主要包括3种蓄水类型(图1)：①在汛期，淤地坝对洪水资源进行拦蓄，使洪水资源能够得到合理有效使用；②淤地坝可通过坝前蓄水，储存一部分水资源；③通过布设蓄水池、水窖等一些小型蓄水设施，对沟坡、沟道上的水资源进行蓄集，以解决水资源匮乏问题。

2.2 雨水蓄集模式

4—6月是黄土高原大多数作物最需水的时期，但同期降水量却只有全年的25%～30%，在很大程度上制约了当地农业发展[17]。因此，面对水资源如此紧缺的情况，如何合理有效地利用汛期7—9月的雨水已经成为当前相关学者关注的热点问题。本研究针对黄土高原水量不足的实际，提出雨水蓄集模式(图1)，实现从时间和空间上调节自然降水。雨水蓄集模式主要包括窖灌集雨和径流汇集两种方式，以窖灌为主的雨水蓄集方式是指通过修建水窖、水池等小型蓄水设施，将沟坡、沟道汇集的雨水储存起来；以径流汇集为主的雨水蓄集方式是指通过修建梯田、坝地、水平沟等工程将降水储存在土壤中，或者通过防渗集流面收集雨水。

图1 黄土高原淤地坝工程水资源利用模式

2.3 地表水和地下水联合利用模式

黄土高原地区的地表水以淤地坝拦截的洪水资源为主，淤地坝通过有效地滞洪，将高含沙洪水一部分转化为地下水，一部分转化为清水，通过泄水建筑物排放到下游沟道，增加了沟道常流水，涵养了水源，同时，对汛期洪水起到了调节作用，使地表水资源得到了合理利用。大部分排泄条件良好的浅层地下水是可以以泉水的形式转化为地表水的。但目前，淤地坝工程大部分处于设施老化、年久失修、带病运行等状态，有的甚至已经成为险坝，丧失了滞洪能力，使得黄土高原地区水资源紧缺形势更加紧迫。因此，为了提高水资源利用效率，提出地表水和地下水联合利用模式(图1)，以确保当地农业高质量发展。通过在水源区修建小水库、塘坝、蓄水池等水利设施，结合配套的灌区和抽水设备，以自流或提水的方式实现地表水和地下水的综合利用。

3 结论与展望

水资源是制约农业经济发展和绿色生活构建的关键因素，对水资源合理利用、有效配置在黄土高原地区显得尤为重要。目前，由于黄土高原地区降水量少、蒸发量大、水流含沙量大、分布不均，故淤地坝工程存在汛期水资源难以满足需求、沟坡沟道集水面积得不到充分利用、水资源整体利用不合理等问题，基于这些问题，初步探讨了黄土高原淤地坝工程水资源利用模式，提出拦蓄灌溉、雨水蓄集及地表水和地下水联合利用3种模式，以便为黄土高原地区水资源配置提供参考。探索水资源利用模式旨在永久地缓解水资源紧缺的问题，因此在探讨时，不仅要结合当地水资源状况，还要考虑未来水资源的发展趋势。针对前述分析，在今后黄土高原淤地坝工程水资源利用模式研究中，需要注重以下几个方面的研究工作。

3.1 建设淤地坝水资源综合利用示范工程，实现水资源可持续发展

随着黄土高原地区生活、农业、工业等用水需求不断增加，研究淤地坝水资源综合利用成为保障区域水资源可持续发展的必然途径。面对黄土高原地区一系列复杂的水问题，优化水资源配置、建设水资源综合利用示范工程、积极开展节水相关的活动对保障供水安全具有重要意义。水资源综合利用有望实现环境、经济双重效益，因此大力建设淤地坝水资源综合利用示范工程，推进水资源可持续利用，必将是黄土高原地区促进社会进步、发展绿色生活的重要途经。

3.2 建立淤地坝水资源管理系统，推进智慧水利建设

开展基于“三条红线”的淤地坝水资源开发与管理保护研究，建立淤地坝水资源管理系统，以便准确、有效地掌握黄土高原淤地坝水资源利用情况，实现实时监测水资源水情动态的目的。建立淤地坝全范围覆盖的水资源管理系统，通过摄像头、水位计、水尺等收集、分析基础数据，将处理后的数据传输到系统终端，整个过程完整、有效、高效，在一定程度上推进了智慧水利建设。

3.3 加强雨水蓄集利用研究，提高雨水资源的利用效率

雨水蓄集工程是一种在水资源短缺地区能够发挥特殊作用的小型水利工程，虽然目前黄土高原地区已修建了相应的雨水蓄集工程来补充紧缺的抗旱水源，但在工程建设时，往往忽略了系统规划，如未考虑综合配套设施、地形状况等。同时，由于雨水资源是水资源重要的组成部分，建立雨水资源评价体系具有重要的战略意义，而雨水蓄集是一种人为干预的水资源处理技术，可能会对水循环造成负面影响，因此仍需加强对雨水蓄集利用方面的研究，进一步提高雨水资源的利用效率。

3.4 建立淤地坝水资源利用的相关法律法规，加强水资源管理

基于对黄土高原地表水和地下水资源量以及生活、农业需水量的评估，建立黄土高原小流域水权分配、水价改革等方面的法律法规体系，尽快完善小流域水权制度建设，为黄土高原淤地坝水资源规范利用提供有效的法律依据和政策保障。但由于目前研究不足，我国针对淤地坝水资源利用的管理缺少相关法律法规政策，不利于水资源利用科学化、系统化、标准化以及规范化发展。