摘  要  根据水利部第二期水沙基金研究成果，对黄河中游河龙区间及泾河、北洛河、渭河流域淤地坝减洪减沙作用进行了深入分析和研究，对淤地坝减洪量及拦泥量计算方法进行了重大改进：将淤地坝的减洪量分为淤平坝地的减洪量和仍在拦洪时期淤地坝的减洪量两部分，分别进行计算；将淤地坝的减沙量分为拦泥量和减蚀量两部分，分别进行计算；在拦泥量计算中又分为已淤成坝地拦泥量和未淤成坝地拦泥量两部分，考虑因素比较周全。计算结果比较全面地反映了黄河中游地区淤地坝的减洪减沙作用，可供黄土高原地区淤地坝建设规划参考。
    关键词  淤地坝  减洪减沙  减蚀  拦泥指标

    一、研究区域概况

    黄河中游河口镇至龙门区间（简称河龙区间）及泾河、北洛河、渭河流域，合计面积约２４．８５万ｋｍ２，是黄河流域水土流失最为严重的地区，是黄河中游洪水及粗泥沙的集中来源区。其中河龙区间干流全长７２５．１ｋｍ，总面积约１１．３万ｋｍ２，土壤侵蚀模数大于５０００ｔ／ｋｍ２·ａ的强度侵蚀面积６．９３万ｋｍ２，粗沙模数大于１３００ｔ／ｋｍ２·ａ的面积５．９９万ｋｍ２，多沙粗沙区面积５．９９万ｋｍ２。多年平均（１９５０～１９６９年）径流量７３．２５亿ｍ３，占三门峡以上对应的多年平均径流量４３８亿ｍ３的１６．７％；多年平均输沙量９．９４０５亿ｔ，占三门峡以上对应的多年平均输沙量１４．４１６亿ｔ的６９．０％。有关研究表明，河龙区间洪水出现概率只有黄河下游洪水概率的１０％，但造成黄河下游泥沙的淤积量却占下游总淤积量的４０％～６０％。因此，控制和减少该区间的洪水、泥沙，特别是粗颗粒泥沙，是黄河下游防洪减淤的根本途径。

    二、计算方法研究

    １．减洪量计算方法

    淤地坝的减洪量计算包括两部分：一部分是计算已经淤平后作为农地利用的坝地减洪量，另一部分是计算仍在拦洪时期的淤地坝减洪量。淤地坝淤平后，坝地已经利用，其减洪作用就与有埂的水平梯田一样。仍在拦洪时期的淤地坝，其拦泥和拦洪是同时进行的，分析计算这部分减洪量时，只计算淤泥中所含的水量。

    （１）已淤平坝地减洪量计算公式

    已淤平坝地减洪量的计算公式为：
    δｗ１＝ｆｉ·ｗｉ·η        （１）

    式中δｗ１——已淤平坝地的减洪量，万ｍ３；ｆｉ——计算年流域坝地的面积，ｋｍ２；ｗｉ——计算年流域天然状况下的产洪模数，可以根据流域水量平衡原理通过试算确定，ｍ３／ｋｍ２；η——减洪系数，以有埂水平梯田看待，取η＝１．０。

    （２）仍在拦洪时期坝地减洪量计算公式

    仍在拦洪时期的淤地坝，其减洪量可根据淤地坝的总拦泥量δｗｓｇ反推。计算公式为
    δｗ２＝ｋ·（δｗｓｇ）／γｓ     （２）

    式中：δｗ２——仍在拦洪时期淤地坝的减洪量，万ｍ３；ｋ——流域淤地坝拦洪时的洪沙比；γｓ——淤泥干容重，取γｓ＝１．３５ｔ／ｍ３。

    对于ｋ值，根据黄委绥德水土保持科学试验站对陕西绥德韭园沟实测资料的分析，黄丘区淤地坝拦洪时的洪沙体积重量比为１．９７７∶１，即１．９７７ｍ３的洪水携带１ｍ３的淤泥；１９９１年黄委绥德水土保持科学试验站对３次洪水后的１０座淤地坝进行了典型调查，得出淤地坝拦泥后的洪沙体积重量比为１．７９７∶１。根据上述资料，最后综合确定河龙区间ｋ＝１．４３３～２．４，泾河、北洛河流域ｋ值分别为２．４６２和２．６５２，渭河流域ｋ＝１．５～２．０。

    由此可以求出淤地坝的总减洪量δｗ坝为：
    δｗ坝＝δｗ１＋δｗ２      （３）

    ２． 减沙量计算公式

    淤地坝减沙量包括淤地坝的拦泥量、减轻沟蚀量以及由于坝地滞洪及流速减小对坝下游沟道侵蚀量的影响减少量。目前拦泥量、减蚀量可以通过一定的方法来进行计算，削峰滞洪对下游沟道的影响减少量还无法计算，因此仅计算前两部分量。

    （１）拦泥量计算公式

    淤地坝总拦泥量的计算分两部分：

    第一部分是截至１９９６年已淤成坝地部分的拦泥量。计算公式为： 
    ｗｓｇ１＝ ｆ·ｍｓ·（１－α１）·（１－α２）   （４）

    式中：ｗｓｇ１——截至１９９６年，已淤成坝地的拦泥量，万ｔ；ｆ——截至１９９６年坝地的累计面积，ｈｍ２；ｍｓ——拦泥定额，即单位面积坝地的拦泥量，万ｔ／ｈｍ２；α１——人工填垫及坝地两岸坍塌所形成的坝地面积占坝地总面积的比例，黄河中游取α１＝０．１～０．２；α２——推移质在坝地拦泥量中所占的比例系数，黄河中游取α２＝０．１。

    第二部分是截至１９９６年未淤成坝地部分的拦泥量。这部分拦泥量由于缺乏实测资料，无法直接进行计算，但在淤地坝总拦泥量中占有一定的比例。根据大量的调查资料分析，淤地坝的拦泥年限一般在１２年左右，因而采用了淤积年限ｎ（ｎ＝１３年）这一指标，并根据历年坝地累计面积的变化趋势，将截至１９９６年仍在拦洪的淤地坝进行“淤成”预测，以此求出未淤成坝地部分的拦泥量。计算公式为：
    ｗｓｇ２＝ｆｉ－１２ｆ·ｍｓ·（１－α１·（１－α２）（５）

    式中：ｗｓｇ２——截至１９９６年，未淤成坝地部分的拦泥量；ｆｉ——１９９６年后预测年每年“淤成”的坝地面积，ｈｍ２。

    由此可得淤地坝总拦泥量ｗｓｇ为：
    ｗｓｇ＝ｗｓｇ１＋ｗｓｇ２        （６）

    对于各年代的拦泥量，按照各年代坝地面积的增长值占１９９６年累计面积的百分比，将总拦泥量分配到各年代；在各年代内，按照每年侵蚀模数的大小将各年代值分配到具体年份。

    上述分配计算方法的依据是：淤地坝每年拦泥量的多少，与淤地坝的库容和坡面产沙量的多少有关。而经过数年之后，这两个值的大小被充分反映在坝地增长面积上。因此，用以上分配方法分配的年代值和具体年份值，符合流域坡面来沙量多、库容大时淤地坝拦泥多、坝地面积增长快这一客观事实。

    （２）减蚀量计算公式

    淤地坝的减蚀作用在沟道建坝后即行开始。其减蚀量一般与沟壑密度、沟道比降及沟谷侵蚀模数等因素有关，其数量包括被坝内泥沙淤积物覆盖下的原沟谷侵蚀量和波及影响的淤泥面以上沟道侵蚀的减少量。后一部分的数量较难确定，通常是在计算前一部分的基础上乘一扩大系数。减蚀量的计算公式是：
    δｗｓｊ＝ｆ·ｗｓｉ·ｋ１·ｋ２      （７）

    式中：δｗｓｊ——计算年淤地坝减蚀量，万ｔ；ｆ——计算年淤地坝的面积；ｗｓｉ——计算年内流域的侵蚀模数，ｔ／ｋｍ２，按各控制区的年输沙模数扩大１．１５倍而得；ｋ１——沟谷侵蚀量与流域平均侵蚀量之比；ｋ２——坝地以上沟谷侵蚀的影响系数。

    在淤地坝中还有一部分是修建在沟道比较平缓、沟床已不再继续下切、沟坡多年来比较稳定、沟谷侵蚀已达到相对稳定程度的流域内，当坝建成后基本无减蚀作用，在计算减蚀量时还应扣除这一部分。由于对这一部分不减蚀坝地目前还没有更好的办法来分割，但又确实存在，研究中可假设这一部分未扣除的减蚀量和对坝地以上沟谷侵蚀的减少量相互抵消，即取ｋ２＝１．０。由此可以求出淤地坝的减沙量δｗｓ坝为：
    δｗｓ坝＝δｗｓｇ＋δｗｓｊ      （８）

    ３．计算方法的优点

    ①计算年内各流域的年产洪模数及年输沙模数参与计算。

    ②在研究中将淤地坝的减洪量分为已淤平坝地的减洪量和仍在拦洪时期淤地坝的减洪量两部分，分别进行计算；将淤地坝的减沙量分为拦泥量和减蚀量两部分，分别进行计算；在拦泥量计算中又分为已淤成坝地拦泥量和未淤成坝地拦泥量两部分，分别进行计算；考虑因素比较周全。

    ③比较符合淤地坝蓄洪拦泥的实际情况，实用价值较高。

    三、研究成果与分析

    １．淤地坝减洪减沙量计算成果分析

    （１）河龙区间

    １９７０～１９９６年，河龙区间淤地坝减洪减沙量分别占水土保持措施减洪减沙总量的５９．３％和６４．７％。因此，作为多沙粗沙区核心地区的河龙区间，淤地坝的减洪减沙作用占主导地位。从河龙区间淤地坝较多的四大重点支流黄甫川、窟野河、无定河、三川河流域计算结果看，１９７０～１９９６年淤地坝减洪量分别占水土保持措施减洪总量的５６．６％、４０．８％、６２．３％和７１．２％；淤地坝减沙量分别占水土保持措施减沙总量的５７．８％、３７．２％、６２．１％和７２．２％。除窟野河外，其余三大支流淤地坝的减洪减沙作用均占主导地位，三川河流域最高。最低的窟野河流域淤地坝减洪减沙量所占比例也在４０％左右。

    从分年代计算结果看，河龙区间淤地坝的减洪减沙作用随着时间的延续呈明显的下降趋势，具有时限性及非持续性。现在，这些工程经过几十年的运行，大都已经淤满，老化失修严重，淤地坝的总体质量明显下降，基本失去了继续滞洪拦泥的作用。因此，需要在黄土高原淤地坝建设坝系规划的基础上，按照坝系建设的总体要求，对河龙区间现有淤地坝进行除险、加固、改建和配套，充分发挥骨干坝的“上拦下保”作用和淤地坝系的整体减沙效应，快速减少入黄泥沙，实现黄河下游“河床不抬高”。

    （２）泾河、北洛河、渭河流域

    １９７０～１９９６年，泾河、北洛河、渭河流域淤地坝减洪量分别占水土保持措施减洪总量的３３．６％、４３．９％和５．４％，淤地坝减沙量分别占水土保持措施减沙总量的１７．２％、２９．９％和２７．６％。显然，淤地坝减洪减沙所占比例明显低于河龙区间。这与各流域淤地坝保存面积的大小和水土流失类型区的分布密切相关。

    ①泾河流域计算结果。１９７０～１９９６年，泾河流域淤地坝年均总减洪量１６１０万ｍ３，其中拦洪时期淤地坝减洪量占总减洪量的９５．９％，淤平坝地年均减洪量仅占总减洪量的４．１％。

    １９７０～１９９６年，泾河流域淤地坝年均拦泥５９５万ｔ，其中未淤成坝地年均拦泥５３．６万ｔ，占年均拦泥量的９％；减蚀３９．６万ｔ；年均减沙总量６３４．６万ｔ，减蚀量占减沙总量的６．２％。在减蚀总量中，黄土丘陵沟壑区所占的比重最大，黄土高原沟壑区次之，其他类型区最小；其减蚀量分别占总减蚀量的５５．５％、３２．３％和１２．２％。

    ②北洛河流域计算结果。１９７０～１９９６年，北洛河流域淤地坝年均总减洪量为１３５０万ｍ３，其中拦洪时期淤地坝减洪量占总减洪量的９４．１％，淤平坝地减洪量仅占总减洪量的５．９％。

    １９７０～１９９６年，北洛河流域淤地坝年均拦泥４４３万ｔ，其中未淤成坝地年均拦泥３５．４万ｔ，占年均拦泥量的８％；减蚀２６．４万ｔ；年均减沙总量４６９．４万ｔ，减蚀量占减沙总量的５．６％；在减蚀总量中，仍是黄土丘陵沟壑区所占比重最大，黄土高原沟壑区次之，其他类型区最小；三个类型区减蚀量分别占总减蚀量的７２．２％、１５．３％和１２．５％。
显然，两大流域淤地坝减洪量的主体是拦洪时期的淤地坝，黄土丘陵沟壑区淤地坝的减蚀作用最为显著。两大流域淤地坝的减蚀量占减沙总量的６％左右，不容忽视。黄委西峰水土保持科学试验站对河龙区间晋西北地区８条支流（即浑河、偏关河、县川河、朱家川、岚漪河、蔚汾河、湫水河、三川河）淤地坝的减蚀作用研究结果表明：淤地坝的减蚀量占淤地坝年均减沙总量的２．７％。

    ③渭河流域计算结果。１９７０～１９９６年，渭河流域淤地坝年均总减洪量５８８万ｍ３，其中拦洪时期淤地坝减洪量占总减洪量的９７．９％，淤平坝地年均减洪量仅占总减洪量的２．１％，在泾河、北洛河、渭河三大支流中所占比例最小。

    １９７０～１９９６年，渭河流域淤地坝年均拦泥５８７万ｔ，减蚀１６．９万ｔ，年均减沙总量６０４万ｔ，减蚀量占减沙总量的２．８％。其中支流葫芦河流域（１９７０～１９９６年）年均拦泥８７．５万ｔ，减蚀６．２万ｔ，年均减沙９３．７万ｔ，减蚀量占减沙总量的６．６％，减蚀作用明显高于其他地区。

    葫芦河流域地处黄土丘陵沟壑区，属于黄河流域多沙区，水土流失严重，侵蚀强烈。其把口站秦安水文站控制面积９８０５ｋｍ２，多年平均（１９５７～１９９６年）径流量３７１４０万ｍ３，仅占渭河华县水文站（不包括泾河张家山水文站以上）多年平均径流量的６．２％；多年平均输沙量５６４０万ｔ，占华县水文站多年平均输沙量的４２．１％，是渭河流域泥沙的主要来源区。根据实测资料统计，葫芦河流域次洪水含沙量最高达１２１０ｋｇ／ｍ３（１９７０年），一般年份次洪水含沙量都在５００ｋｇ／ｍ３以上，属高含沙水流。葫芦河流域筑坝的地理条件和水文泥沙条件较好，是渭河流域淤地坝建设的重点地区。在葫芦河流域大力兴建淤地坝，对减轻渭河下游河道淤积、降低潼关高程意义十分重大。

    由于淤地坝减少的是相对难以利用的洪水，并且汛期拦蓄的洪水有相当一部分在非汛期释放，增加了河川基流和沟道长流水。淤地坝的有效滞洪调节了汛期高含沙洪水，涵养了水源，对流域水资源的可持续利用起到了十分重要的促进作用。淤地坝在减沙的同时也减少了黄河下游冲沙用水。黄河下游为了减轻河道淤积，平均每年需要２００亿ｍ３的水量用于冲沙。若按照冲沙１ｔ需要２０ｍ３的水量计算，以上区域淤地坝年均减沙１．１３８亿ｔ，可减少冲沙用水２２．８亿ｍ３，亦即可为黄河下游增加用于输沙以外的可调水量２２．８亿ｍ３。

    根据水利部２００３年对黄河流域黄土高原地区小流域坝系建设可行性研究的要求，淤地坝的减淤量占其拦泥量的１／４。按此比例粗略推算，以上区域淤地坝年均减沙１．１３８亿ｔ，可为黄河下游减少淤积０．２８５亿ｔ。

    ２．淤地坝减沙量计算成果的验证

    根据研究成果综合分析对比，河龙区间及泾河、北洛河、渭河流域淤地坝实际拦泥指标平均值均小于河龙区间及三大流域治理前（１９７０年以前）的平均洪水输沙模数，说明淤地坝减沙量计算结果合理可信。

    此外，根据本次研究成果综合分析，黄河中游地区单座淤地坝可淤地面积平均为３ｈｍ２，淤成１ｈｍ２坝地需要７５０００ｔ泥沙，则每座淤地坝淤满共需要泥沙２２．５万ｔ。根据笔者２００３年春参加编制的《黄河流域黄土高原地区水土保持淤地坝建设规划》的要求，要实现２０２０年新增高产稳产坝地面积５０．６万ｈｍ２的目标，需要新建淤地坝１６．９万座（含骨干坝），可拦沙３７９．５亿ｔ。

    参考文献：
    １ 冉大川，柳林旺，赵力仪等． 黄河中游河口镇至龙门区间水土保持与水沙变化．郑州：黄河水利出版社，２０００．５．
    ２ 汪岗，范昭主编． 黄河水沙变化研究（第二卷）． 郑州：黄河水利出版社，２００２．９．
    ３ 冉大川，刘斌，王宏． 水土保持措施对黄河减水减沙作用的分析．中国水土保持，２００２．１０．

    （作者冉大川、罗全华、刘斌工作单位为黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，王宏、马勇为黄河水利委员会天水水土保持科学试验站，白志刚为黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站）