司家溝流域骨干壩防洪能力分析及存在的問題

高雅玉，田晉華，金 霞

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

在黃土高原半干旱區建設的淤地壩，是我國廣大勞動人民智慧的結晶，是一項有效防治水土流失、提高防洪能力的重要水土保持措施。淤地壩建設有效地改善了人居環境，增加了農民收入，促進了地區經濟發展，帶來了巨大的社會、經濟和生態效益，概括來說主要有以下幾點：①大大提高了流域的防洪和抗旱能力；②大量減少了向下游的輸沙量，有效遏制了水土流失；③淤地壩蓄積的部分水資源在安全的前提下被利用，大大提高了水資源的利用效率；④增強了土壤肥力，使荒溝變成了良田，增加了農民收入；⑤促使黃土高原地區的水土保持工作大見成效。近些年來，淤地壩的建設發展也從單純攔泥淤地向流域壩系綜合高效利用、從單壩向壩系綜合控制的方向轉變[1-3]。但是，淤地壩建設仍舊存在一些明顯的問題，如何進一步地提升淤地壩的效能，更好地發揮其水土保持效益，在此基礎上高效存儲、利用壩系內部的水資源都是值得進一步深入研究的問題。

1 典型流域介紹

1.1 司家溝流域概況

司家溝流域位于甘肅省慶陽市西峰區的東北角，地處中緯度地帶，屬半干旱大陸性氣候區，具有季風及黃土高原氣候的雙重特點，流域面積為7.20 km2。四季風向有明顯的變化，冬季風向多偏北，夏季風向多偏南，而春季和秋季為季風的轉換季節，風向多變且偏北風居多。區內多年平均氣溫為9.6℃，其中7月份最高，平均氣溫為28.1℃；1月份最低，平均氣溫為-8.4 ℃；年極端最高氣溫為34.3℃，最低為-14.5℃；最大凍土深為0.8 m，年平均蒸發量為1 471.0 mm，最大年蒸發量為1 835.0 mm(1995年)，最小年蒸發量為996.0 mm(1964年)。區內夏秋雨水較多，暴雨多集中在七八月份，而春冬季多風且干燥，總體上屬干旱缺水地區。耕地以黑壚土為主，微堿性，土壤肥沃、疏松、保水保肥、垂直滲透力強。農作物以小麥、玉米為主，盛產谷子、馬鈴薯、油菜，蘋果栽培處于最佳緯度區。地表水資源貧乏，自然條件嚴酷，農業生產困難[4]。

1.2 司家溝流域土地利用情況

利用ArcGIS操作平臺和Quickbird資料(Quickbird影像是從美國DigitalGlobe公司訂購的4波段捆綁數據，其中多光譜和全色波段影像的空間分辨率分別為2.4和0.61 m)，將司家溝流域土地利用類型分為林地、草地、水體、裸地和耕地5種類型，采用人機交互目視解譯的方法，確定了遙感影像的提取規則。①林地。林地的影像特征為幾何形狀不規則，與其他地類間邊界滑潤清晰；影像呈現為鮮紅和暗紅色，紋理粗糙，在同一色調中差異不大。林地主要分布在溝道兩側及溝谷。②草地。草地的影像特征為形態各異，連片分布地類邊界明顯；影像以暗紅、淡紅、粉紅為主色調，質地較細膩、紋理清晰、不同地類間色差較明顯。主要分布在溝道坡地及溝谷。③裸地。裸地的影像特征為幾何特征不明顯，地類邊界線不規則；影像質地較細、均勻，呈現灰白色。主要分布在溝道陡坡區。④水體。水體影像幾何形狀明顯，呈現深藍色、藍色或淡藍色，質地較細膩、紋理清晰、顏色均勻。主要分布在溝谷低地。⑤耕地。耕地的影像特征為幾何特征規則，地塊排列整齊；影像呈現出紅、淡紅和鮮紅等顏色，質地較細膩、紋理清晰、顏色均勻。主要分布在溝道兩側。

根據提取規則，提取司家溝流域的各土地利用類型[5]。司家溝流域土地利用類型以草地為主，面積4.34 km2，占土地總面積的60.2%；其次為林地2.00 km2，占比27.6%，裸地面積也較大，為0.75 km2，占比10.0%；除此之外，司家溝還有少量的水體(0.05 km2，0.7%)和耕地(0.09 km2，1.3%)。草地、林地和裸地在整個溝道內均有分布，所不同的是草地主要分布在溝道兩側較高處的坡地，林地主要分布在溝谷或是溝道兩側較低處的坡地，而裸地主要分布在溝道地形比較陡峭的坡地上。水體則主要是兩個較大的人工淤地壩集水區。耕地主要是以坡耕地和梯田的形式存在，零星分布在溝道兩側的坡地上[5-6]。

2 司家溝流域內骨干壩情況

在司家溝流域內，已經建有司家溝東溝和西溝兩座骨干壩。

2.1 司家溝東溝骨干壩情況

司家溝東溝骨干壩(圖1、圖2)于1996年11月竣工，設計淤積年限為16年，設計總庫容50.2萬m3，壩高22.3 m，壩控面積3.11 km2，目前淤泥面距壩頂高度13.6 m。設計攔泥庫容22.20萬m3，目前已淤積13.20萬m3，已經超過設計淤積年限，但未淤滿。目前蓄水量11.60萬m3，防汛道路基本不暢通，以旅游養殖模式進行開發，壩體維持較好，但是沒有溢洪道等泄洪設施，僅有放水臥管。

圖1 東溝骨干壩情況

圖2 東溝骨干壩壩頂情況

2.2 司家溝西溝骨干壩情況

司家溝西溝骨干壩(圖3、圖4)于1996年11月竣工，設計淤積年限為10年，設計總庫容81.00萬m3，壩高21.3 m，壩控面積6.50 km2，淤泥面距壩頂高度11.60 m。設計攔泥庫容29.00萬m3，目前已淤積18.70萬m3，已經超過設計淤積年限，但未淤滿。目前蓄水量12.40萬m3，防汛道路基本不暢通，壩體維持較好，壩體水土資源未得到開發利用，為防止汛期暴雨洪水發生，基本屬于空庫運行狀態，沒有溢洪道等泄洪設施，僅有放水臥管。

圖3 西溝骨干壩壩體情況

圖4 西溝骨干壩壩頂情況

3 司家溝骨干壩的防洪能力校核

淤地壩運用前期主要是攔蓄洪水泥沙，形成壩地后則依賴滯洪庫容調節洪水，其最危險的時期主要是在壩地形成前按水庫運用這個階段。淤地壩的防洪能力涉及壩系的安全運行和水資源的調控等重大問題，因此對司家溝流域內兩座骨干壩進行防洪能力校核。根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)，并參考《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》，壩系防洪能力分以下幾種情況進行校核：①單壩無溢洪道。此類壩分布在支溝，主要起攔泥、淤地、生產作用，校核時不考慮涵洞泄洪量。若該壩的工程質量符合要求，一旦洪水漫頂即出現垮壩，則校核方法是以壩控集水區內不同頻率下的洪水總量與現有實際剩余庫容比較，取接近且小于庫容的洪量值，該值相對應的頻率即為該壩可抵御洪水的最大頻率。②單壩有溢洪道。以不同頻率下的洪水進行試算調洪，求出最大單寬流量，然后反查溢洪道水深，直接獲得接近且小于溢洪道的最大水深值，該值相對應的洪水頻率即為可抵御的洪水頻率。③壩系。校核壩系防洪能力時，先校核不同控制性子壩系的防洪能力，再校核整個壩系的防洪能力[7-9]。

根據以上原則，在對司家溝流域內現有的2座骨干壩進行現有防洪能力校核的同時，分別預測10年、20年后壩系不增高也不配置泄洪工程條件下的防洪能力，結果見表1和表2。

表1 現狀年司家溝流域骨干壩防洪能力校核

采取上述方法對司家溝流域僅有的兩座骨干壩的防洪能力進行校核，司家溝東溝骨干壩現階段可抵御10年一遇的洪水，可抵御的洪水總量為40.00萬m3，西溝骨干壩可抵御20年一遇的洪水，可抵御的洪水總量為62.30萬m3。分別選擇10、20年為預測年限，按照現在的水土流失治理水平，10年后，東溝骨干壩的平均淤積速率為0.58萬m3/a， 剩余庫容為34.20萬m3，可抵御10年一遇的洪水；西溝的平均淤積速率為0.77萬m3/a，剩余庫容為54.60萬m3，可抵御20年一遇的洪水。20年后，骨干壩的淤積量越來越大，在不加泄洪設施的情況下，抵御洪水的能力越來越小。今后的10～20年間，水土流失的治理水平進一步加強，因此，東溝的平均淤積速率取0.46萬m3/a，剩余庫容為29.60萬m3，可抵御5年一遇的洪水；西溝的平均淤積速率為0.51萬m3/a，剩余庫容為50.50萬m3，仍可抵御20年一遇的洪水。

表2 規劃年份司家溝流域骨干壩防洪能力校核

4 流域內淤地壩存在的問題

經過多次對司家溝流域的調查發現，流域壩系尚未實現水土資源高效利用，存在的主要問題有：

(1)2座骨干壩的布局未經過規劃，到達淤積年限仍未淤滿，溝道壩系尚未形成，不能充分發揮壩系的作用。在溝道壩系工程的布局和配合運用中，必須經過合理規劃，科學布設，才能充分發揮壩系的整體作用。

(2)溝道治理投入較少，不能滿足司家溝流域治理需要，更沒有達到高效利用水土資源的要求。建設1座治溝骨干工程需要投資90萬元，而國家實際投入只有35萬元左右，且中小型淤地壩建設國家沒有投資補助，加之黃土高原地區地方財政困難、群眾生活貧困，拿不出更多的資金投入淤地壩建設，影響了淤地壩的發展。

(3)在壩系建設中，只有極少的控制性工程布設了永久性泄水建筑物，絕大多數標準較低的淤地壩采用臥管和土質溢洪口泄洪，遠遠不能滿足防汛要求。

(4)缺乏壩系規劃，設施不配套，存在病險隱患。流域壩系缺乏總體規劃，控制性骨干壩少，骨干壩和淤地壩配置比例不合理，設施不配套，防御洪水標準低，綜合效益差。同時，許多工程年久失修，設施老化，存在不同程度的毀壞。另外，由于多年淤積，相當一部分淤地壩已喪失了繼續攔泥和防洪的能力，存在病險隱患。

(5)管理水平低，管護不到位。以國家投資為主建設的淤地壩建成后大多交給當地群眾管理，但群眾一般管理粗放，加之沒有專項維護資金，管護不到位，導致壩系工程病險嚴重。

5 結 語

傳統的壩系建設主要目的是攔沙和淤地造田，但由于近年來水土流失治理成果顯著，溝道植被較多，水土流失量大大減少，很多壩系到達淤積年限后仍未淤滿，在極為缺水的甘肅地區，若在保證淤地壩系安全的前提下，高效利用壩內水資源，將為緩解半干旱區水資源危機起到至關重要的作用。