解決陜北庫壩群泥沙淤積的根本途徑

摘要：本文在對陜北黃土高原庫壩群泥沙淤積治理模式研究的基礎上，從該區地貌特征、水土流失成因出發，提出解決庫壩群泥沙淤積的途徑。具體采用溝頭、支毛溝、干溝及坡面的綜合治理，實現相對就地攔截泥沙，從而達到控制庫壩淤積的目的。

關鍵詞：陜北庫壩群 泥沙淤積 溝道 坡面 治理

1. 問題的提出

陜北地處黃土高原。現有水庫138座，其中大型1座，中型26座，小(一)型53座，小(二)型58座。現有治溝骨干工程327座，各類淤地壩3萬余座。據統計，經2005年核定的138座水庫中，庫容已基本淤滿的有新橋、舊城、楊伏井等20座水庫，不能滿足防洪標準(GB50201～94)的有98座水庫，占總數的71%以上。1994年8月5日～10日在無定河的源頭河流～紅柳河上曾發生了一次約50年一遇的降水，流域內的西郊、西灣、鮑家灣等11座中小型水庫幾乎于一日內垮壩，該河干流咽喉部位的新橋水庫及金雞沙等下游水庫，出現了岌岌可危的被動局面。同一時間，陜北3萬余座淤地壩，一次水毀7，347座，其中垮掉1，590座。

多年的經驗和教訓已經證明，在陜北地處黃河中游多沙粗沙區修建庫壩，首要解決的問題是泥沙。如在紅柳河流域土壤侵蝕模數高達1.86×104t/km2.a的劇烈侵蝕地區，想以有限的庫容，攔截無限的泥沙，不僅不經濟，而且攔泥庫壩自身也難以逃脫淤滿為患的厄運。因此，片面追求用庫壩攔泥而忽視水土保持綜合治理，短期內雖然有效，但不可能持久，更不可能從根本上解決問題。

2. 庫壩泥沙淤積的緣由

2.1 地貌特征

我國西北黃土高原在白堊紀末期處于準平原階段，始新世初期準平原開始褶皺、拱曲，漸新世末期，準平原徹底解體。在以后漫長的地質年代，新構造運動劇烈，大面積的升降、斷層活動，形成了一系列山體與盆地，這就是黃土沉積以前黃土高原的地貌基礎。從第四紀初開始的大規模沉積過程，依次沉積了午域黃土、離石黃土、馬蘭黃土和全新世黃土。其間多次侵蝕、堆積輪回，在高原上發育了大量的河谷及各種形態的谷間地。直到今天，展現在我們面前的塬、梁、峁與千溝萬壑相間的黃土高原地貌，是歷經二三百萬年的地質歷史產物。而陜北則是我國西北黃土高原的主要組成部分，按成因劃分主要屬黃土高原剝蝕堆積類型。黃土堆積承襲了復雜的古地貌，而且堆積過程既有河流下切，又有局部隆起，因而形成了塬、梁、峁及與之相嵌的溝壑等多種形態的地貌。海拔高程在900～1500m之間，具體可劃分為三大地貌類型，分別是長城以北風沙地貌、長城以南延安以北黃土丘陵溝壑地貌和延安以南黃土高原溝壑地貌。第四系黃土狀土覆蓋厚度一般為50～150m，高者達190m。陜北地貌特征見下表。

2.2 水土流失

陜北黃土高原以其特有的大范圍深厚黃土沉積和強烈的水土流失而為世人矚目。該區是黃河中游水土流失最嚴重的地區，據2003年全國土壤侵蝕遙感普查資料，陜北水土流失面積6.61萬km2，占總土地面積的82.73%。其中，中度侵蝕面積為1.41萬km2，占全區水土流失面積的21.33%；強度侵蝕面積為1.62萬km2，占全區水土流失面積的24.51%；極強度侵蝕面積為1.24萬km2，占全區水土流失面積的18.76%；劇烈侵蝕面積為1.55萬km2，占全區水土流失面積的23.45%。局部地區的侵蝕模數高達40000t/km2.a，為全國之首，世界所罕見，是黃河泥沙及粗沙的主要來源地。

2.3 庫壩泥沙淤積

黃土高原大部分為抗蝕性、抗沖性很弱的土壤，其類型主要有黃綿土、風沙土、黑壚土，其中黃綿土廣泛分布全區的梁、峁、坡、溝、塬面及川臺地，一般粉粒含量50%～60%，遇暴雨易流失；風沙土分布于長城沿線，1.0～0.05mm的粉粒占80%，遇風易流動；黑壚土多零星分布，主要見于黃土丘陵殘塬頂部，粗粉粒含量約占52%，抗沖、抗蝕力較差。在經過日益嚴重的自然和人為因素加速侵蝕后，使原有相對和緩的起伏地形日益溝壑化和陡坡化，溝壑密度達3～5 km/km2，高者達6～8km/km2，>25°的土地面積占總土地面積60%以上，加之失去植物保護的類下墊面，一遇暴雨即產生嚴重的水土流失。陜北庫壩群大多集中分布于入黃的二級支流和一級支流的源頭，這些支流的兩側有很多大小不等的小流域匯入，又為溝道，這些小流域是由毛溝、支溝和干溝三級組成，從而構成了泥沙輸送系統。暴雨季節在坡面上產生的水流和泥沙，首先通過溝谷坡上的切溝（即溝頭）匯入毛溝，毛溝的流量和含沙量過程是由不同切溝的水、沙匯流過程相互疊加構成的，同樣，當各條毛溝徑流、泥沙匯入支溝、再匯入干溝，期間隨著流域面積的不斷加大，水、沙量急劇增加，另外，由于坡面和溝道的比降陡，地表匯流速度快，相對而言，小流域的調蓄能力有限，這樣，眾多大量的小流域水、沙就進入了支流上分布的庫壩內，并逐漸形成了泥沙淤積。

3. 解決庫壩泥沙淤積的根本途徑

在剖析庫壩泥沙淤積來源的基礎上，解決庫壩泥沙淤積的根本途徑是庫壩上游兩岸眾多小流域的溝頭、支毛溝及干溝的治理與防護。

3.1溝頭防護措施

陜北黃土高原丘陵溝壑區強烈的水土流失，泥沙搬移始于溝頭。通過歷次實地考察，可明顯看出溝頭侵蝕的主要形式為溯源和重力侵蝕，從而導致溝壑面積不斷擴大，溝間坡地不斷縮小。溝頭的溯源侵蝕是由向溝頭匯集的坡面徑流順溝頭陡坡急速下切而引起的。為了有效預防和控制因徑流匯集沖掏而引起溝頭前進、溝岸擴張和溝底下切，溝頭防護主要應采用工程和林草兩大措施。

3.1.1溝頭防護工程措施

其形式主要有溝埂式和溝埂澇池式兩種。

溝埂式多在溝頭上部有完整的坡地時采用，溝埂距溝邊的距離一般以1～3倍的溝頭谷深來確定，并按等高線位置定線。具體施工時應采取上挖下墊，挖溝筑埂，層層夯實，一般埂高1m，頂寬0.5m，底寬1m，以形成溝頭防護埂。溝埂定線時應結合考慮地形條件，盡可能使筑埂后埂內蓄水能得以灌溉利用。

溝埂澇池式則是溝埂與澇池相結合的溝頭防護工程措施。一般是在溝頭上方修一土埂，攔截坡面徑流下溝的去路，并在適當地點修筑澇池或連環澇池，將徑流引入池中，用以抗旱或供牲畜飲用。

3.1.2溝頭防護林草措施

水土流失根治在于相對“就地”控制。溝頭水土流失防護除工程措施有效控制外，在溝頭上方較大范圍原面采取林草措施，增加水土就地滯蓄能力，從而達到固土防沖、就地攔蓄的效果。根據陜北黃土高原丘陵溝壑區立地條件，適宜選擇水土保持先鋒樹種——沙棘。該樹種具有耐旱、耐寒、耐土壤瘠薄的特性，其根系發達，蒙蘗性強，成群落生長，在土層互結成網，具有良好的固結土壤作用。在溝頭原面緩坡地帶依據溝頭發育情況，呈扇形分布營造沙棘水土保持林，一般株行距控制1×1m，樹苗選1～2年鍵狀實生苗，栽植采用溝頭沿等高線修土埂式穴狀均可。

通過上述兩大措施的實施，溝頭溯源、重力侵蝕產生的大量沙源將會得以有效控制。

3.2支、毛溝防護工程

溝頭以下，由于溝谷坡上的小切溝發育，匯集形成毛溝，而毛溝的匯集又形成支溝。按照支、毛溝水土流失特點通常采用的防護工程是修建谷坊。

谷坊工程是在支、毛溝內為防止溝底下切及泥沙災害而修建的一種低壩，其高度一般不超過5m，主要作用為固定溝床、防止溝底繼續下切，攔蓄泥沙、抬高溝床、穩定坡腳、防止溝岸擴張。依據“就地取材、因地制宜”的原則，陜北黃土高原丘陵溝壑區宜建土谷坊。

在支、毛溝內規劃布設谷坊主要是確定谷坊的間距，一般確定的原則是下一座谷坊的回淤面與上一座谷坊的底部齊平。谷坊設計的主要任務有兩方面，一是谷坊的壩體斷面，壩高控制1～5m范圍，頂寬1.5～2m，迎水坡比1∶1.2～1∶1.8，背水坡比1∶1～1∶1.5；二是溢洪口斷面尺寸，一般按照設計洪水洪峰流量計算確定。另外，近年來，在晉陜蒙等地區沙棘生態工程建設中推出的“沙棘植物柔性壩”技術，實質上相當于“植物”谷坊，同樣具有防沖促淤功能，且具有施工簡單、易實施、造價省、見效快等特點。依據其主要攔截粗沙、水沙分開、不斷抬高溝道侵蝕基準面的作用，尤宜在支、毛溝中與土谷坊配合布設。一般原則是沙棘植物柔性壩布設在支、毛溝上游為好。總之，在谷坊建設中，要充分發揮谷坊的群體作用，注意分段攔蓄徑流泥沙，逐級抬高溝道侵蝕基準面，以達到固定溝床的目的。

3.3 干溝防護工程

干溝是小流域形成的最末一級，其流域面積、溝道長度、徑流及泥沙搬移量均較支、毛溝大，是黃土高原小流域治理中泥沙不出溝的最后一道防線，因此，控制好這一關是直接減少進入庫壩泥沙的關鍵。其防護工程主要為淤地壩建設和坡面治理。

3.3.1淤地壩建設

3.3.1.1壩系布設基本原則

全面了解流域內的自然條件、社經概況、水土流失特點、水土保持現狀，同時著重了解溝道情況，包括溝道比降、長度、有代表性的斷面等。在此基礎上，從支溝到主溝，從上游到下游，全面系統的布設中、小型淤地壩，同時在適當位置布設治溝骨干工程，從而形成攔、蓄、排相結合，完整的溝道壩群防護體系。具體布設原則：一是面積控制原則，即單壩區間控制面積基本均衡，骨干工程3～5km2，中型淤地壩1～3km2，小型淤地壩0.5～1.0km2；二是單元控制原則，將壩系分成若干子壩系，對洪水泥沙協調調整；三是各級溝道節節控制的原則；四是明確功能原則，即中小型淤地壩以生產為主，骨干工程以攔泥、滯洪為主的原則。

3.3.1.2壩系布設型式

根據以上原則，可在現狀壩系結構的基礎上確定壩系達到成熟期的骨干控制框架，對現狀不合理的壩系結構進行調整和補充，在此基礎上，合理安排發展中、小型淤地壩，形成壩系在各骨干工程分段控制既相互聯系又相對獨立的單元結構，把流域內的全部洪水、泥沙有計劃地、均衡地攔蓄在各單元壩系內，達到分洪分攔的目的。

a）上攔下種、淤種結合

這種規劃形式主要應用于集水面積在1km2左右的小支溝，坡面治理較好、洪水來源少的淤地壩建設。規劃建設順序采用由溝口到溝頭，自下而上分期修壩，當下壩基本淤平種地時，再修上壩，在攔泥淤地過程中，可保護下壩安全生產。依此逐個向上游發展，形成壩系。

b）上壩生產、下壩攔淤，輪蓄輪種、蓄種結合

這種壩系規劃主要適用于集水面積在3～10km2以內的較大溝道。建壩順序一般應從上游向中、下游依次修壩，其壩高、庫容等技術指標應依次逐漸加大。具體實施中，在上游淤地壩基本淤滿可以種植利用時，再修下壩，滯洪攔淤。依次淤成一座，再修一座，由溝頭到溝口，逐步形成壩系；另外，也可在中游和下游同時各修一座中型以上淤地壩，并在上中游適當位置選一壩址，作為治溝骨干工程，形成隔壩攔蓄，所蓄洪水可灌溉下游壩地并可保證壩地安全生產。

c）支溝滯洪、干溝生產，壩庫相間、清洪分治

這種壩系規劃較適用于集水面積在10～20km2的主溝。建壩順序一般應在其上游和兩岸支溝各壩建成之后，再建中、下游淤地壩（一般為大型或骨干工程），形成兩岸支溝以滯洪為主，干溝以生產為主，干支溝各壩按區間集水面積分組調節，控制洪水，使之形成攔、蓄、淤、排和生產有機協調的工程體系，以減輕洪水、泥沙負擔，降低工程造價；另外，在溝道出現泉眼集中的地方考慮修建小型水庫時，應因地制宜合理布設淤地壩工程，充分利用清水和洪水資源。這種布設使洪水泥沙進入攔洪骨干工程或淤地壩淤地肥田，而不進入水庫，以免水庫淤積，泉水蓄在水庫，既能灌溉，又不使泉水淤埋在壩地內，避免造成鹽堿化。

3.3.2坡面治理

在各級溝道進行水土流失的治理中，不可忽視坡面的治理，因為，只有通過坡面的層層治理，才能減輕溝道治理泥沙的負擔，從而達到有效控制泥沙的目的。

水土保持措施的優化配置，也是人們在生產實踐中不斷探索和完善起來的，70年代，黃土高原不少地方，水土保持措施在坡面上的立體配置，形成一種“山上戴帽子（草灌），山腰系帶子（坡改梯），山溝穿靴子（淤地壩）”的配置模式。依據陜北黃土高原的地貌自然形態，以峁邊線、溝腳線為分界線，將流域坡面自上而下劃分為梁峁坡、溝谷坡和溝道三段，并分成梁峁頂、梁峁坡、峁邊線、溝谷坡和溝谷底五節，因地制宜分別配置不同的措施進行治理。梁峁頂地，營造由刺槐、榆樹、檸條、紫穗槐混交防護林帶，帶寬10m。梁峁坡地，選擇小于25o的坡耕地集中連片實施坡改梯田，作為基本農田或經濟林，大于25o的坡耕地實施退耕還林草。峁邊線（亦稱地畔），配置檸條等峁邊生物保護帶，俗稱溝邊長 “胡子”，防止溝岸擴張。溝谷坡地，坡度一般在20o～45o，最陡處70o以上，選擇完整的地段修成水平溝、水平階、反坡梯田或魚鱗坑等整地工程措施，營造喬木或灌木。溝道，如前所述，以淤地壩建設為主。

這樣，以流域坡面自上而下、層層治理，將對泥沙的控制起到很好的效果。

4. 結語

陜北庫壩群大量的泥沙淤積來自庫壩上游兩岸眾多未經系統治理、水土流失程度劇烈的小流域，而這些小流域均是由塬、梁、峁面谷坡上的切溝匯集發展形成毛、支、干三級溝道，這些溝道就是泥沙輸入庫壩的通道，因此，只有通過各級溝道及坡面的綜合治理才是解決陜北庫壩群泥沙淤積的根本途徑。