黄土高原淤地坝风险形成机理与预警

2023-10-22李占斌于坤霞

中国水利 2023年18期

李占斌，李鹏，于坤霞，贾路

（西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，710048，西安）

淤地坝是黄土高原水土保持与生态保护的主要沟道工程措施。在黄土高原多年水土流失治理过程中，形成了以小流域综合治理为基础，加强沟道建设，特别是以骨干淤地坝建设为支撑的成功经验。西部大开发等战略的实施，促使黄土高原水土保持治理投资增大，淤地坝建设规模逐渐增加。2002 年《黄河近期重点治理开发规划》确定了黄土高原水土保持生态建设的基本思路、布局、目标以及措施。2003 年淤地坝建设成为水利部三大“亮点”工程之一。大规模淤地坝建设以及其他生态措施明显改善了黄土高原的生态环境，植被覆盖度明显增加，入黄泥沙量显著减少，生态环境质量持续向好。由于现有淤地坝存在建设时间较早、建设质量不高、病险率较高等问题，为黄土高原淤地坝在汛期的安全运行带来很大风险。在黄河水沙大幅度减少的新形势下，紧紧把握水沙关系这个“牛鼻子”，推动新时期淤地坝高质量建设发展新局面，是实现黄河流域生态保护和高质量发展的重要环节。本研究通过文献查阅和收集大量淤地坝统计数据，在实地考察和试验的基础上，系统分析黄土高原淤地坝建设的历程及其作用和成效，揭示淤地坝风险形成机理，提出淤地坝风险评价方法和预警系统框架，为黄土高原淤地坝高效运行与建设发展提供重要科学建议。

一、研究区与数据

1.研究区概况

黄土高原地势西高东低，高程变化范围为81～4985 m，地势起伏较大，沟道纵横交错，流域众多。黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的区域之一，是黄河泥沙的主要来源区，黄土高原水土流失治理事关黄河流域长治久安和高质量发展。黄土高原总面积64 万km2，降水量较少，植被稀疏，生态环境脆弱，治理难度较大。为了对黄土高原水土流失治理进行合理的规划和有效的措施布设，根据黄土高原地貌分区图（图1），黄土高原被划分为冲积平原区、土石山区、干旱草原区、风沙区、高地草原区、黄土丘陵林区、黄土丘陵沟壑区、黄土阶地区和黄土高塬沟壑区等9个区，其中黄土丘陵沟壑区又被细分为5个副区，在此基础上进一步建立水土保持分区，实施分区治理策略。

2.数据来源

本文收集了2011 年全国水利普查数据、2008 年水利部淤地坝安全大检查数据以及相关省市的骨干淤地坝调查数据；同时还收集了1980—2019 年黄土高原及其周边79 个气象站的逐日降水数据，1960—2020 年潼关水文站逐年径流量和输沙量数据，研究区数字高程模型（DEM）数据和1980 年、1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年、2018 年、2020 年等9期土地利用数据，空间分辨率为1000 m。通过将前一时期土地利用数据作为后一时期之前每年的土地利用数据，可以得到1980—2019 年逐年的土地利用数据。此外还从联合国粮食及农业组织官网收集了土壤数据。

二、分析与讨论

1.黄土高原淤地坝建设历程

淤地坝是黄土高原地区人民在与水土流失灾害的长期斗争中，实践性创造出的一种水土保持高效措施。打坝淤地在黄河流域已历时上百年，成为当地人民进行生产、生活和生态保护不可缺少的工程措施。新中国成立以来，黄土高原淤地坝建设历经4个阶段，分别是20世纪50年代的试验示范阶段、20世纪60年代的全国推广阶段、20世纪70年代的建设高潮阶段以及20世纪80—90年代的骨干工程坝系建设阶段。目前，黄土高原已经建成淤地坝超过11万座，明显改善了黄土高原的生态环境。根据图2 统计的1950—2014 年黄土高原逐年新建骨干淤地坝数量可以看出，20世纪70年代骨干淤地坝修建出现第一个高峰，最多时一年可修建近200座骨干淤地坝，第二个建设高峰出现在2008年，该时期淤地坝大量增加主要是由于2003 年水利部实施了三大水利“亮点工程”，淤地坝建设逐渐恢复，截至2014 年共修建骨干淤地坝5818 座。黄土高原骨干淤地坝建设主要分布在水蚀较为严重的黄土丘陵沟壑区，占黄土高原骨干淤地坝总数77.9%（图3）。从流域角度看，骨干淤地坝主要集中建设在黄河流域河口到龙门区间皇甫川流域、清水川流域、孤山川流域、县川河流域、窟野河流域、秃尾河流域、无定河流域、清涧河流域以及延河流域，这些流域大多为黄河粗泥沙来源区，是黄土高原入黄泥沙重要来源地。

图2 黄土高原逐年新建骨干淤地坝数量

图3 黄土高原骨干淤地坝空间分布

2.黄土高原淤地坝建设作用与成效

众多研究和实践证明，淤地坝在黄河流域减水减沙、农业发展和生态环境改善、滞洪减灾等方面发挥了重要作用，其中减少泥沙的效用最为明显。淤地坝主要通过拦截洪水和抬升侵蚀基准面两个作用发挥减水减沙功能。在淤地坝运行期间，沟壁坍塌和沟道扩展是坝地泥沙的主要来源，重力侵蚀和沟道侵蚀是主要侵蚀类型。冉大川等在河龙区间的研究发现，1970—1996年间淤地坝减洪减沙量分别占水土保持减洪减沙量的59.3%和64.7%，淤地坝建设成效明显。只要河龙区间坝地配置比例在2%左右，就能发挥45%以上的减沙比例。同时刘晓燕等验证了淤地坝拦沙量一般大于或等于相应的入黄泥沙量，淤地坝淤满后仍可发挥减沙作用，体现出淤地坝减沙减蚀的巨大效应。王浩等指出黄土高原淤地坝在滞洪减沙、拦泥淤地、灌溉增产等方面效益显著，通过新建淤地坝可实现更长时间的水沙平衡。黄河潼关水文站1960—2020 年的水沙变化明显减少，输沙量呈现持续减少趋势。袁水龙等通过模型模拟发现，淤地坝的修建可以减少洪峰65.34%、减少洪量58.67%，明显提高防洪能力。

此外，通过修建淤地坝有利于地下水转换，增加陆地生态系统碳汇，促进退耕还林还草，坝地土壤肥沃，氮磷钾等含量是坡耕地的1～5.2倍，产量是坡耕地的3.5倍。通过淤地坝蓄水可以实现农业及果园高效节水灌溉、应急抗旱等综合利用。调查显示甘肃环县17座蓄水淤地坝共计蓄水388万m3，参照该数据黄土高原5818座骨干淤地坝拥有13.27亿m3的蓄水潜力，相当于13座大型水库，具有巨大的社会经济效益和潜力。利用收集的降水、土壤和土地利用数据，根据SCS产流模型计算了5818个骨干淤地坝坝控面积内1980—2019年的产流量，分析显示在99%、95%、90%、75%和50%保证率下对应的所有骨干淤地坝年总产流量分别为0.81亿、1.00亿、1.22亿、1.87亿和3.19亿m3，其中陕西省榆林市和延安市在50%保证率下所有骨干淤地坝年产水量分别为0.70亿和0.31亿m3，通过有效发挥淤地坝蓄水能力，合理利用降水，可以缓解黄土高原干旱缺水问题。1950—2014年黄土高原逐年新建骨干淤地坝已淤积库容如图4所示，20世纪70年代修建的骨干淤地坝已淤积库容最多，表明这一时期黄土高原土壤侵蚀严重，淤地坝在拦沙方面发挥明显作用；2003年以后修建的骨干淤地坝已淤积库容相对70年代较少，主要是由于该时期退耕还林还草明显改善地区植被覆盖状况，坡面土壤侵蚀相对减少，淤地坝拦沙作用有所减弱，但在稳定沟道和减少重力侵蚀方面仍然发挥主要作用。

图4 黄土高原逐年新建骨干淤地坝已淤积库容

3.黄土高原淤地坝风险的形成机理

淤地坝按照库容大小一般分为骨干淤地坝（库容50万m3以上）、中型淤地坝（库容10万～50 万m3）和小型淤地坝（库容1 万～10 万m3），比传统的水工大坝库容相对较小。由于受技术和经济因素影响，以往淤地坝设计建设标准不高，不能过流，缺少泄洪洞，治理控制不严格，遇到暴雨年份容易损毁。此外，由于众多淤地坝建设时间较早，特别是中小型淤地坝超龄服役，库区淤满，加上极端气候变化，近年黄土高原淤地坝水毁现象频发，病险问题日渐严重。1994 年陕北淤地坝水毁调查发现，当年7—8 月冲垮和部分损毁的淤地坝占总数的23%；2016 年8 月内蒙古达拉特旗暴雨导致19座淤地坝溃决；2017年7月无定河大雨导致337座淤地坝损毁。陕西全省38 951座淤地坝中绝大部分修建于20 世纪60—70 年代，骨干淤地坝中存在安全隐患的占48.9%，中型坝中存在安全隐患的占54.7%。淤地坝损毁可能导致下游坝地庄稼被淹没，洪水叠加，威胁人民生命财产安全。王丹等对宁夏典型流域淤地坝运行风险进行了系统评价，发现淤地坝运行风险主要来自4个方面：一是运行时间过长，滞洪库容不足，遇到大暴雨时泄洪能力不足；二是坝系设计不合理；三是建设质量低，坝体易损坏；四是缺乏有效管护。病险类型主要为坝体病险、防水建筑物病险和溢洪道病险，通过进一步对病险机理进行分析，发现造成病险的主要原因是坝体渗水开裂、卧管沉降或堵塞、原设计缺少溢洪道或溢洪道尺寸小等。

4.黄土高原淤地坝风险评价及预警

为了更好地发挥淤地坝的多重效用，减少人民财产损失，对淤地坝风险进行评价和预警是十分必要的。马瑞等运用层次分析法构建了甘肃省淤地坝工程溃坝风险评价模型，并指出该模型可以为汛期淤地坝工程风险评价提供实时预警数据。祖强等建立了极端降雨条件下小流域淤地坝坝系连溃风险评价模型，并指出增设溢洪道能够有效减少风险。王丹等构建了韭园沟流域淤地坝坝系布局评价模型，分析表明骨干淤地坝对坝系布局具有决定性影响。杭朋磊经过系统研究和总结，指出众多的风险评价方法都表明淤地坝风险评价主要是基于环境风险、工程风险、管理风险和经济风险等4 个方面的指标建立的，同时还绘制了淤地坝风险评价的基本流程图，涉及水文分析、溃坝模拟、洪灾损失和风险评价4个重要环节。在建立淤地坝风险评价的基础上，进行及时有效的预警显得更为紧迫，对于保障人民生命财产安全至关重要。通过采用物联网、5G+人工智能技术，整合淤地坝监测数据，进行高效的多源异构数据采集，利用边缘计算及任务调度策略，保证计算任务的时效性，实现基于物联网的淤地坝监测与预警系统，可以为淤地坝监测、基础信息管理、安全评估、风险预警等提供技术支持。

5.黄土高原淤地坝高效运行与高质量发展建议

黄土高原淤地坝建设正在经历从单一拦沙淤地，向全流域、全功能的高质量建设阶段转变。在黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略下，淤地坝建设必须继续服务国民经济建设，实现高效运行与高质量发展。在黄河水沙变化的新情势下，如何高效治理流域侵蚀产沙，提升流域抗侵蚀能力，保障坝系安全运行，实现生产、生活、生态“三生”用水协调和乡村振兴与低碳可持续发展，都是新时期淤地坝建设必须面临的考验。基于此，需进一步加强淤地坝建设，全面评估淤地坝作用，继续增强对淤地坝拦沙滞洪、调峰消能、异地减蚀等机理的认识，建设现代化管理体系，提高建设质量与风险管控水平，进一步提升淤地坝开发利用水平，树立新的开发利用理念，结合乡村振兴和新能源利用服务“双碳目标”。具体可从以下6个方面开展：一是增设溢洪道等淤地坝结构，提升淤地坝汛期风险防控能力；二是开发蓄水型淤地坝，提高流域雨洪水资源利用率；三是构建坝系流域水土资源协同发展模式；四是拓展淤地坝坝系提高流域水土资源承载能力的途径；五是创新淤地坝运行与管护体制机制；六是引领淤地坝坝系产业与新能源绿色发展结合新方向。