黃土高原淤地壩及其壩系試驗研究進展

黨維勤 黨恬敏 高璐媛

摘 要：修建淤地壩是黃土高原地區治理水土流失的一種行之有效的水土保持措施，為了使淤地壩在黃河流域生態保護和高質量發展中發揮更大的作用，開展淤地壩及其壩系試驗研究尤為重要。對淤地壩及其壩系試驗研究的有關情況進行了系統梳理，以期為今后淤地壩建設和進一步開展相關研究等提供參考。20世紀50年代以來，有關水土保持科研單位、行業管理單位、高等院校等針對淤地壩建設開展了大量卓有成效的試驗研究工作，可將已開展的試驗研究分為單壩試驗研究和壩系試驗研究，在單壩研究方面開展了淤地壩設計防洪標準、工程結構、最優壩體斷面、“水墜法”和定向爆破法等筑壩技術、壩體分期加高、攔泥減蝕作用測算、淤地壩分類及運行管理、壩地防洪保收、鹽堿化防治、壩地綜合利用模式等研究，在壩系研究方面開展了以骨干壩布局、規模及建壩順序為重點的壩系優化規劃技術研究、壩系相對穩定條件研究、壩系結構級聯研究、壩系監測技術研究及壩系安全運行評價研究等。提出了淤地壩及其壩系研究的學科定位、研究體系及急需開展研究的重大課題：淤地壩及其壩系研究屬多學科交叉的綜合性應用學科，淤地壩及其壩系研究體系可以分為基礎理論、技術和管理三方面，當前急需開展攔沙和減蝕機理研究、水毀機理研究、筑壩新材料和新技術研究、監測預警預報技術研究、淤地壩病險加固技術研究、壩系水資源利用研究等。

關鍵詞：淤地壩;壩系;試驗研究;黃土高原

中圖分類號：S157.2;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.09.026

Abstract： The check dam is an effective measure for controlling the soil and water loss on the Loess Plateau. It is especially important to carry out the research on the check dam and its dam system in order to make the check dam play a better role in the ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin. The relevant researches on the check dam and its dam system were systematically reviewed， with a view to providing reference for the studies and constructions of check dams in the future. Since the 1950s， fruitful experimental researches on the construction of check dam were carried out by some research institutions， industry management units and universities relevant to the soil and water conservation， mainly including the single dam test and the dam systems test. The single dam research included the flood control standard for check dam design， engineering structure， optimal dam cross section， dam body heightening by stages， hydraulic filling method and directional blasting method， the calculation of mud retaining and erosion reducing effect， the classification and operation management of check dam， flood control and harvest protection dammed land， the prevention and control of salinization and the comprehensive utilization mode of dammed land. The dam system research included the dam system optimization and planning techniques focusing on the arrangement， scale and construction order for the key dams， the relatively stable condition for dam system， dam system cascade， dam system monitoring technology and dam system safety operation evaluation. The great issues on the subject orientations， research system and urgent research of check dam and its system were also put forward by these organizations. Research on the check dam and its system is a multidisciplinary and comprehensive application discipline. The system of check dam and its system can be divided into three aspects of basic theory， technology and management. At present，it is urgent to study the mechanism of sediment retention and erosion reduction， the mechanism of water damage， the new materials and technologies for dam construction， the technology of monitoring， early warning and prediction， the technology of endangered check dam reinforcement and the water resources utilization of dam system.

Key words： check dam; dam system; experimental; Loess Plateau

淤地壩是黃土高原地區人民群眾在治理水土流失的長期實踐中創造的一種行之有效的水土保持措施，能攔截泥沙、保持水土、淤地造田、增產糧食、改善交通條件和生態環境等。據調查統計，截至2014年黃土高原地區已建成淤地壩59 037座，其中骨干壩5 829座、中型壩11 265座、小型壩41 943座，共可攔沙280億t，已淤壩地面積10.59萬hm2（2007年調查統計數字，約占黃土高原耕地面積的10%），在有效控制黃土高原水土流失、減少入黃泥沙、改善當地生態環境和發展農業生產等方面發揮了重要作用。2019年9月18日習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上明確要求，中游要突出抓好水土保持和污染治理，有條件的地方要大力建設旱作梯田、淤地壩等。為了使淤地壩在黃河流域生態保護和高質量發展中發揮更大的作用，開展淤地壩及其壩系試驗研究尤為重要。筆者對20世紀50年代以來淤地壩及其壩系試驗研究的有關情況進行了系統梳理，以期為今后淤地壩建設和進一步開展相關研究等提供參考。

1 單壩研究

20世紀50—90年代的試驗研究對象以單壩為主，部分研究涉及壩系。1952年黃河水利委員會綏德水土保持科學試驗站（簡稱黃委綏德站）成立后，以陜西省綏德、米脂、佳縣、吳堡等4個縣為重點試驗區，通過2 a示范推廣，共建成214座淤地壩，壩高集中在5～10 m，單壩控制流域面積大都在0.5 km2以下。

1.1 淤地壩攔泥減蝕作用

從20世紀50年代開始，有關水土保持研究單位對淤地壩的攔泥減蝕作用開展了大量的研究，探索了確定淤地壩攔沙量的實測法、淤地面積—壩高—庫容曲線法、不同年代地形信息源法等多種方法。有關研究表明：單位面積壩地的攔泥量與壩高成正比，壩越高，單位面積壩地攔泥量越大[1];淤地壩淤積總量占總庫容的比例（淤積比）達到77%左右時，淤地壩就失去了攔沙的功能[2];淤地壩具有抬高侵蝕基準面、控制溝道下切和溝岸坍塌擴展的作用，進而減輕重力侵蝕，具有減蝕作用，如無定河趙石窯以上壩庫的減蝕量約為多年平均輸沙量的20.8%[3];淤地壩減沙量是攔沙量和減蝕量之和，且減蝕量是淤地壩的可持續減沙量[4-7]。

1.2 淤地壩設計技術

對于淤地壩設計技術，主要開展了設計防洪標準、工程結構、最優壩體斷面等方面的研究。設計洪水標準方面的研究從20世紀50年代后期開始，提出了推求設計洪水的經驗公式法、鄰近地區暴雨資料推算法、水文手冊法等多種方法。在1977—1978年大暴雨后制定了淤地壩技術規范[8-9]，確定骨干壩控制面積為3～5 km2、設計防洪標準為20 a一遇、校核防洪標準為200 a一遇。在工程結構方面，1953年開始參照水利工程（土壩）建設的相關結構，確定了淤地壩結構為“三大件”，即壩體、溢洪道和放水建筑物，在具體的建設中一大件（即悶葫蘆壩）、兩大件（即壩體和放水建筑物或壩體和溢洪道）、三大件的淤地壩分別以小型壩、中型壩、骨干壩為主。黃委綏德站開展了壩體分期加高、配套溢洪道、配套放水建筑物等研究工作[8-10]，同時在水毀淤地壩研究的基礎上，提出了“減小壩控面積，提高設計標準，采用高壩大涵洞（兩大件），以庫容制勝”的淤地壩設計理論，為骨干壩（治溝骨干工程）設計提供了理論依據。

1.3 筑壩技術

傳統的淤地壩筑壩方式主要有人工夯實和機械碾壓兩種。1957年黃委綏德站開始與有關單位合作在韭園溝開展“水墜法”筑壩技術試驗，用機械方式提水到山坡上的取土場，沖動松土成稠泥漿，沿人工控制的流路流入預先圍埂的壩體填畦，經脫水固結成為密實的壩體。1973年水電部組織有關單位（共43個單位）開展水墜壩試驗研究（壩體穩定觀測和施工技術試驗研究等），1978年“水墜法筑壩及水力充填技術”獲得全國科學大會獎，1985年“水墜法筑壩的研究和推廣”獲得國家科技進步二等獎。水墜法筑壩在國內13個省（自治區）得到了推廣。

從1958年開始，山西省水土保持研究所等單位開展了定向爆破法筑壩試驗，由于試驗次數少，沒有形成系統性成果，因此未得到推廣[11]。1990年黃河上中游管理局針對部分地區筑壩時缺乏砂石料、做反濾排水設施成本高的情況，開展了采用土工織物代替砂石料試驗研究，結果表明，用土工織物代替砂石料可節省投資26.7%、省工62.6% [12-13]。

1.4 淤地壩管理

在淤地壩管理方面主要開展了壩地防洪保收、防治鹽堿化和壩地綜合利用模式研究。1979—1990年，黃委綏德站和山西省水土保持研究所開展了壩地防洪保收試驗研究，試驗表明高稈作物的耐淹深度不超過0.8 m、耐淹時間為5～7 d、耐淤厚度不超過0.3 m/次。黃委綏德站在橫山縣趙石畔流域開展壩地鹽堿化防治研究，總結出治理壩地鹽堿化的措施：開挖排水溝、降低地下水位;打井挖泉，修池蓄水，排灌結合，變旱壩地為水壩地，降低地下水位;引洪漫地，墊土壓堿，引溝洪、坡洪、渠洪漫淤壩地，淋洗壩地土壤，降低含鹽量;種植水稻等耐堿作物[14-15]。在壩地綜合利用方面，提出了以下幾種模式：壩系防洪、攔泥、生產綜合運用，即上壩攔洪、下壩生產，上壩生產、下壩攔洪，輪蓄輪種、蓄種灌結合，支溝滯洪、干溝生產;淤地壩滯洪、灌溉、治堿利用，即淤排結合、防洪保收，涵洞排水、治堿保收，修池圍井、變壩地為水地;淤地壩土地合理種植，即以種植秋季作物為主、秋夏季作物結合，深翻改土、科學施肥，合理密植、科學管理[16-18]。

2 壩系研究

2.1 壩系規劃技術

1959年，黃委綏德站基于韭園溝小流域淤地壩建設和試驗研究，把一條溝道中的壩分為主壩和腰壩，初步提出了“壩系”的概念。之后，提出了“小多成群、骨干控制、綜合利用”的原則[19-20]，以合理利用水沙資源，充分發揮淤地壩防洪、攔泥、生產、灌溉等綜合功能。在建壩順序方面，提出支毛溝由下到上、干溝由上到下或上下結合的方法。1963—1990年黃委綏德站采用正交試驗、線性規劃、非線性規劃、動態仿真等方法，對李家寨溝、孫家溝、王茂溝、馬連溝、埝堰溝等小流域壩系的布壩密度、骨干壩位置、放水建筑物形式、打壩順序及建壩時間間隔等進行試驗研究[21-23]，取得了以骨干壩布局、規模及建壩順序為重點的壩系規劃方案，此后壩系規劃的理念得到推廣和應用。

2.2 壩系相對穩定

1991年黃委原主任龔時旸提出對壩系相對穩定開展調查研究，此后至2007年，壩系相對穩定研究被陸續納入國家“八五”科技攻關項目[7]、黃委水土保持科研基金項目[24-26]、國家科技支撐計劃項目等[27]，研究的核心內容就是壩系相對穩定系數即壩系淤地總面積與控制面積之比應達到多大，所得主要結論：已淤面積與控制面積之比為1/25～1/20，可淤面積與控制面積之比為1/15～1/10;小流域控制性骨干壩總剩余滯洪庫容應大于壩系設計洪水總量（一般為100～200 a一遇）;壩系由骨干壩和中、小型淤地壩等組成，不同的壩發揮防洪、攔泥、生產和蓄水等不同功能，壩系中骨干壩（治溝骨干工程）安全無病險。

2.3 壩系結構級聯

根據A.N.Strahler提出的溝道分級方法，取最小等級溝長≥300 m對溝道進行分級和分析表明，Ⅰ級溝道的集水面積一般為0.15～0.30 km2，可修建小型淤地壩;Ⅱ級溝道的集水面積一般為0.6～2.0 km2，一般溝道可修建1～2座中型壩和小型壩;Ⅲ級溝道的集水面積一般為3.0～10.0 km2，可修建1座或多座骨干壩，并形成相對獨立的壩系單元;Ⅳ級溝道的集水面積一般為30～50 km2，應在適當位置配置骨干壩、生產壩和蓄水塘壩。小流域壩系是由主溝壩系、干溝壩系和支溝壩系單元構成的，最終形成一個巨大的脈狀壩系結構。對各壩系單元之間的相互聯接方式進行概化，得到不同壩系單元之間的級聯物理模式，即串聯、并聯、混聯三種模式。在各級溝道組成中，當Ⅰ級溝道較多時，小型壩配置比例較高，淤地壩的串聯模式比例最高;當Ⅱ級溝道較多時，中型壩配置比例較大，控制不同支溝的壩系單元以并聯為主;當Ⅲ級溝道較多時，由骨干壩控制的壩系單元相對較多，壩系單元之間基本屬于并聯關系;Ⅳ、Ⅴ級溝道分段控制的骨干壩較少，但各壩控單元處在同一溝道上，屬于典型的串聯關系[28]。

2.4 壩系安全運行評價

2002年黃委在“十五”重大科研項目中安排了“黃河多沙粗沙區壩系工程安全評價方法研究”，其對小流域壩系安全評價的研究內容包括工程安全、攔泥安全、生產安全等三方面。項目承擔單位黃委綏德站通過研究歸納出了4個層次2個系統共14個指標的壩系工程安全評價指標體系及各指標的賦值標準，同時構建了14個評價模型，進而構建了壩系工程安全度模型[9]。2012年水利部將“小流域淤地壩壩系防洪風險評價技術”列入公益性行業科研專項，項目承擔單位西安理工大學在調查淤地壩水損特征基礎上，確定了影響淤地壩安全的主要因素，進而揭示了淤地壩壩系水損與水毀的機理，構建了涉及洪災風險、管理風險和經濟風險的三方面9個因子作為評價的指標體系[29]。

2.5 壩系監測技術

2003年，“小流域壩系監測方法及其評價系統研究”被列入黃河水土保持世行貸款二期科研項目，項目組采用調查統計、地面觀測、遙感、地理信息系統等多種方法，進行了淤地壩工程建設動態、攔沙蓄水、壩地利用及增產效益、壩系安全等四方面的監測，形成了一套完整的小流域壩系監測方法[30]。2007年，水利部把“小流域壩系監測評價技術研究”列入公益性行業科研專項，在不同水土流失類型區選擇12條典型小流域壩系布設監測點，采用實地調查、遙感、水沙觀測等多種方法，連續開展前述四方面的監測[31-35]。

3 對淤地壩及其壩系研究體系的認識

3.1 對淤地壩及其壩系的再認識

淤地壩及其壩系布設于黃土高原千溝萬壑之中，淤地壩單壩控制面積一般小于10 km2，壩高一般在30 m以下，工程規模較小，對地基要求低，其運行方式是蓄渾排清，即攔泥淤地、排走清水，不允許長期蓄水，短期內有滯洪作用，壩體一般為均質土壩，建在有常流水溝道的淤地壩下游壩腳設較簡單的反濾排水體，根據其控制流域水文氣象狀況和壩址區地形地貌、土壤、植被條件等配置放水建筑物和溢洪道等，完整的淤地壩組成應包括壩體、溢洪道、放水建筑物（即三大件）。

壩系是小流域內水土流失綜合治理體系中溝道工程措施最為關鍵的一道防線，由骨干壩、中型壩、小型壩等組成，通過攔、蓄、淤等，既能將洪水泥沙就地攔蓄、削峰減能、固溝減蝕，有效控制水土流失、減少入黃泥沙，又能形成壩地，充分利用水土資源，使荒溝變成高產穩產的基本農田，從而有效解決黃土高原地區水土流失嚴重、洪水災害和干旱缺水等三大難題，同時促進生態環境得以改善、經濟得到發展。

當前淤地壩存在的主要問題：①運行時間過長，形成大量病險淤地壩。黃土高原地區現有中型以上病險淤地壩多數建于20世紀六七十年代，目前大多已淤滿，喪失了滯洪能力，另外淤地壩壩體大都是人工夯實的均質土壩，受施工管控條件限制，質量較差，年久失修、設施老化，面臨著垮壩危險，形成了大量的病險淤地壩，當前黃土高原地區有中型以上病險淤地壩7 336座，其中骨干壩1 983座 、中型淤地壩5 353座。②工程配套設施不完善，缺乏科學規劃。現有大量淤地壩沒有進行過壩系整體布局規劃和工程設計，缺少骨干壩，缺少溢洪道和放水建筑物、蓄水池、灌渠等配套設施，重施工建設、輕規劃設計，重泥沙攔蓄、輕水資源的利用。③管護責任不明確，疏于維護管理。淤地壩很長時間以來一直存在管護責任不明確、維護維修不力的問題，淤地壩的所有權、建設權、管理權、收益權不明確，因此出現只建設不維護、只種植不管理、只經營不維修等多種不合理現象，存在壩體上種植、溢洪道中種植、放水建筑物旁種植等不合規現象，壩體、溢洪道、放水建筑物存在不同程度的病險現象。據2009年黃土高原淤地壩安全大檢查時統計，已建成骨干壩和中型壩中病險淤地壩占骨干壩和中型壩總數的43.8%，大量的病險淤地壩亟待維修和加固。

黃土高原地區淤地壩建壩資源潛力比較大，建設前景十分廣闊。黃土高原地區長度大于0.5 km的溝道有27萬條，其中多沙粗沙區約有8萬條，研究表明，該地區共可修建淤地壩33萬座，其中骨干壩6萬座，因此淤地壩發展潛力仍然比較大。

3.2 淤地壩及其壩系研究的學科定位與研究體系

淤地壩研究屬于自然科學和社會經濟科學交叉的邊緣學科，既是水土保持科學的分支學科，也是環境科學與技術、生態學的分支學科。目前，淤地壩研究偏重于應用研究和技術研究，具有較為明顯的應用學科的特點。因此，淤地壩研究屬多學科交叉的綜合性應用學科。淤地壩及其壩系研究體系可以分為基礎理論、技術和管理三方面，見圖1。

淤地壩基礎理論研究分為支撐理論研究和獨特理論研究兩方面：支撐理論研究主要是與土壩相關的研究，主要包括理論力學、材料力學、結構力學、土力學、水力學、工程水文學和工程地質學等方面的理論研究;獨特理論研究包括壩系相對穩定、溝道侵蝕特征與機理、淤地壩減水減沙、水毀機理、防洪保收理論、病險淤地壩運行管理等理論研究。

淤地壩及其壩系研究是一門技術性和應用性很強的學科，根據淤地壩規劃、建設和管理過程中的需要，淤地壩技術研究包括監測技術（水文泥沙監測、安全穩定監測、效益監測等）、規劃設計技術（壩系規劃布局和土壩設計、溢洪道設計、放水建筑物設計等）、施工技術（碾壓法、水墜法、定向爆破法等）、林草技術（壩坡植物防護技術、壩地經果林生產經營技術等）、其他技術（壩地鹽堿化防治技術、病險壩除險加固技術、新材料新工藝和新方法等）等多項內容。

淤地壩運行管理研究包括運行管理、養護維護、監管和政策、效益等方面的研究，以促進淤地壩及其壩系管理更加科學化、規范化，保障淤地壩及其壩系功能與效益的持續發揮。

3.3 淤地壩及其壩系研究的主要內容

淤地壩及其壩系研究的內容主要包括：淤地壩及其壩系的基礎理論與原理，規劃、設計、施工關鍵技術，淤地壩及其壩系土地的土壤重構與地貌重塑，壩體保護與壩地生產生物技術，淤地壩及其壩系運行管理技術，淤地壩及其壩系安全運行監管技術，淤地壩和壩系在不同尺度（小流域、支流、省區、黃河中上游等）的滯洪攔沙效益、生態保護效益、社會經濟效益監測技術等。

3.4 亟待進一步研究的課題

幾十年來，試驗研究促進了淤地壩及其壩系在黃土高原地區的發展和效益的發揮，但在基礎理論研究方面不夠深入，主要是攔沙、減蝕和水毀機理研究不足，影響著淤地壩安全運行、效益分析和管理有關標準的制定，筑壩新材料與新技術、安全預測預警預報、各類效益監測、病險診斷與加固技術、水資源利用技術等方面的研究滯后于生產需求。筆者認為，當前亟須開展淤地壩及其壩系研究的課題如下。

（1）攔沙和減蝕機理研究。選擇典型壩系，從淤地壩及其壩系攔沙、蓄水、淤積、減蝕、抬高基準面的機理開展研究，通過坡面和溝道耦合，根據次暴雨和坡溝侵蝕產沙、淤地壩淤積過程的物理機理研究，建立淤積厚度與暴雨徑流產沙的對應關系，進而反演淤地壩淤積過程，探究壩系對區域產沙及輸沙的影響，探明淤地壩及其壩系對不同尺度流域（或區域）的攔沙和減蝕效益。

（2）水毀機理研究。在具有典型性和代表性的小流域壩系內選擇病險壩開展暴雨洪水條件下淤地壩的連續觀測，收集淤地壩壩體變形與壩體潰決、溢洪道垮塌及損壞、放水建筑物位移和破損過程等[36-37]，在單壩水毀過程機理研究的基礎上，從壩系單元—支溝壩系—小流域壩系的關系開展水毀過程研究，尤其是連鎖潰壩的機理研究。

（3）筑壩新材料與新技術研究。開展淤地壩關鍵部位如溢洪道、放水建筑物和壩體的土石結合部位新材料與新技術的研究，以提高建設效率、建設質量及安全性能，降低病險度、建設成本，避免水毀。

（4）監測預警預報等技術研究。在淤地壩及其壩系中布設水尺或雷達水位計、雨量計等，在重要骨干壩及其壩系關鍵點位安裝攝像頭，對所在流域暴雨、洪水、徑流及壩庫蓄水、泥沙淤積、壩體與泄放水建筑物安全等進行監測監控，及時發布壩系水毀風險等預警信息，為科學合理的調度決策提供支撐[38]。在監測方法中，注重高精度DEM、5G技術、智能化、云技術、大數據等新技術的應用研究，如利用智能雷達機器人監測涵洞內混凝土剝落、滲流、沉陷、塌空、裂縫等隱患[39]。

（5）淤地壩病險加固技術研究。在淤地壩普查的基礎上，對病險淤地壩進行科學分類，研究各類病險淤地壩的加固技術等，研究水毀放水建筑物的修復加固技術、損毀溢洪道的補救措施、損毀壩體的恢復技術等。

（6）壩系水資源利用研究。開展壩系組成方面的研究，即在不同區域壩系中適當配套小水庫、蓄水池、塘壩等，提高壩系水資源可持續利用率，最大限度發揮壩系的效益。

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【責任編輯 張智民】