窟野河流域淤地壩和湖庫洪水調蓄功能價值評價

常斐楊 徐佳 王璽圳

［關鍵詞］ 洪水調蓄；功能價值；淤地壩；水庫；湖泊；窟野河流域

［摘 要］ 窟野河流域是黃土高原水土流失最嚴重的區域之一。淤地壩作為黃土高原水土流失治理的一項重要工程措施，其滯洪作用常被忽略。以窟野河流域為例，基于生態系統服務功能價值核算的理論和方法提出了淤地壩、水庫、湖泊洪水調蓄能力的量化方法，并運用影子工程法計算淤地壩、水庫、湖泊洪水調蓄功能價值，探討將淤地壩納入生態系統洪水調蓄功能價值核算體系的必要性。結果表明：窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊可調蓄水總量為23 671.98萬m3，洪水調蓄功能總價值為120 212.50萬元，其中，淤地壩可調蓄水量為11 575.02萬m3，占可調蓄總水量的48.90%，洪水調蓄價值為46 300.08萬元，占洪水調蓄功能總價值的38.52%，淤地壩洪水調蓄能力和價值不可忽視；建立的淤地壩洪水調蓄功能價值評價方法簡單且易于應用，將淤地壩納入生態系統洪水調蓄功能價值核算體系中，使該體系在黃土高原地區應用更加完善、準確，可為淤地壩壩系規劃、建設、投資及除險加固工作提供參考。

［中圖分類號］ TV122；TV697.13? ［文獻標識碼］ A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.014

生態系統的洪水調蓄功能是指其具有蓄積洪水、削減洪峰、減輕洪水威脅的調節功能。目前，生態系統洪水調蓄能力主要通過湖泊可調蓄水量、水庫防洪庫容和沼澤洪水期滯水量等指標表征。近年來，許多學者以湖泊可調蓄水量、水庫防洪庫容作為評估指標，開展了大量關于湖泊、水庫洪水調蓄功能及防洪效益評估的研究，在減少洪水災害、保障區域防洪安全等方面發揮了重要作用[1-4]。然而，黃土高原地區淤地壩的滯洪作用同樣值得關注。截至2016年，黃河流域潼關以上地區共建有淤地壩55 124座，以小流域為單元，淤地壩通過梯級建設，大、中、小型壩相結合，層層攔蓄，將高含沙洪水一部分轉化為地下水，一部分轉化為清水，通過泄水建筑物排放到下游溝道，具有較強的削峰、滯洪和“上攔下保”作用，能有效地防止洪水泥沙對下游造成的危害，在水土流失區起到重要的滯洪、攔沙、淤地作用[5]。近年來，大部分研究集中在淤地壩的攔沙作用[6]，而關于淤地壩滯洪作用的研究相對較少。本研究以黃河中游支流窟野河流域為例，開展淤地壩洪水調蓄功能價值評價，并與水庫、湖泊進行對比，探討將淤地壩納入生態系統洪水調蓄功能價值核算體系的必要性。

1 研究區概況

窟野河是黃河一級支流，發源于內蒙古自治區東勝區巴定溝，流經內蒙古自治區伊金霍洛旗和陜西省府谷縣，于陜西省神木市沙峁頭村注入黃河，干流長242 km，流域面積8 706 km2。窟野河流域地勢西北高東南低，海拔自1 500 m降至740 m，屬黃土高原與荒漠地帶的接壤地區，氣候干燥，生態環境脆弱。流域內年均氣溫約15 ℃，年均降水量415 mm，降水集中于6—9月，呈現東多西少、南多北少的空間分布特征。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

本研究所需數據包括2021年窟野河流域小流域劃分成果，見圖1，來源于黃河上中游管理局調研數據；淤地壩分布情況及庫容數據，來源于水利普查數據；水庫分布情況及庫容數據，來源于《黃河近年水沙銳減成因》；湖泊分布情況及面積數據，來源于2021年窟野河流域2 m分辨率遙感影像解譯成果。

2.2 研究方法

本研究基于生態系統服務功能價值核算的理論和方法，評價淤地壩、水庫、湖泊洪水調蓄能力，并運用影子工程法，通過淤地壩和水庫單位庫容的工程造價，綜合分析窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊洪水調蓄功能價值。

2.2.1 淤地壩洪水調蓄能力

淤地壩的總庫容包括設計淤積庫容和滯洪庫容。本研究采用淤地壩滯洪庫容表征淤地壩的洪水調蓄能力，其計算公式為

Cd=Vd－Vs（1）

式中：Cd為淤地壩可調蓄水量，單位m3；Vd為淤地壩總庫容量，單位m3；Vs為淤地壩設計淤積庫容量，單位m3。

2.2.2 水庫洪水調蓄能力

防洪庫容是指防洪高水位至防洪限制水位之間的水庫容積，用于控制洪水、滿足水庫下游防洪保護對象的防洪要求。本研究以防洪庫容表征水庫的洪水調蓄能力，而防洪庫容數據往往難以獲取，需根據已有防洪庫容與總庫容之間的數量關系建立經驗方程，通過水庫總庫容估算其防洪庫容。饒恩明等[2]提出水庫防洪庫容與總庫容之間的經驗方程為

Cr=0.35×Vr（2）

式中：Cr為水庫可調蓄水量，單位m3；Vr為水庫總庫容量，單位m3。

2.2.3 湖泊洪水調蓄能力

湖泊洪水調蓄能力與湖泊面積、湖泊換水次數有關。根據《中國湖泊志》，窟野河流域地處蒙新高原區，其湖泊洪水調蓄能力計算公式[3]為

ln Cl=0.680ln A+5.653（3）

式中：Cl為湖泊可調蓄水量，單位m3；A為湖泊面積，單位m2。

2.2.4 洪水調蓄功能價值

洪水調蓄功能價值主要為淤地壩、水庫、湖泊在減輕洪水威脅方面所創造的經濟價值。基于影子工程法，引入淤地壩和水庫單位庫容的工程造價，窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊的洪水調蓄功能價值計算公式為

Wf=Wd+Wr+Wl（4）

Wd=Cd×a（5）

Wr=Cr×b（6）

Wl=Cl×b（7）

式中：Wf為淤地壩、水庫、湖泊的洪水調蓄功能總價值，單位元；Wd、Wr、Wl分別為淤地壩、水庫、湖泊的洪水調蓄功能價值，單位元；a為淤地壩的單位庫容工程造價，單位元/m3，依據調查估算，窟野河流域淤地壩的單位庫容工程造價約為4元/m3；b為水庫的單位庫容工程造價，單位元/m3，依據調查估算，窟野河流域水庫的單位庫容工程造價約為6.11元/m3。

3 結果

3.1 窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊的分布特征

窟野河流域可劃分為13條小流域，流域面積共8 706.00 km2，其中：13號小流域面積最大，為1 753.78 km2；1號小流域面積最小，為376.02 km2。流域共建有大型淤地壩254座，各小流域的淤地壩數量較異較大，其中1號、5號、6號小流域淤地壩數量較多，分別為37、42、40座；除7號小流域無淤地壩外，4號、10號、12號小流域淤地壩數量較少，分別為5、3、3座。流域內淤地壩總庫容量為25 502萬m3，其中1號、5號、6號小流域淤地壩總庫容量較大，分別為4 570、4 399、3 957萬m3，12號小流域淤地壩庫容量最小，僅為248萬m3。窟野河流域有中型水庫2座（烏蘭木倫水庫和常家溝水庫），水庫總庫容量為11 324萬m3，分別位于7號小流域和12號小流域，水庫庫容量分別為9 880和1 444萬m3。窟野河流域湖泊面積45.96 km2，除7號小流域湖泊面積較大，為16.05 km2外，其余小流域的湖泊面積比較接近（見表1）。

3.2 窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊的洪水調蓄能力及價值

窟野河流域可調蓄水量共23 671.98萬m3（見表2），其中淤地壩、水庫、湖泊的可調蓄水量分別為11 575.02、3 963.40、8 133.56萬m3，分別占窟野河流域可調蓄水量的48.90%、16.74%、34.36%。洪水調蓄功能價值共120 212.50萬元，其中淤地壩、水庫、湖泊的洪水調蓄功能價值分別為46 300.08、24 216.37、49 696.05萬元，分別占窟野河流域洪水調蓄功能價值的38.52%、20.14%、41.34%。在13條小流域中，1號、2號、3號、5號、6號、8號、11號共7條小流域的洪水調蓄能力以淤地壩為主，7號、12號共2條小流域的洪水調蓄能力以水庫為主，4號、9號、10號、13號共4條小流域的洪水調蓄能力以湖泊為主。

4 討論

4.1 淤地壩和水庫的空間分布差異大

在小流域規劃設計中，大中型水庫的控制范圍內通常不修建或較少修建淤地壩，如窟野河流域建有水庫的7號和12號小流域，無淤地壩分布或僅建有3座淤地壩。在無大中型水庫的小流域中，淤地壩在攔泥、淤地、滯洪、蓄水等方面發揮了重要作用。自20世紀50年代起，黃土高原地區進入了淤地壩建設示范試驗階段。而后自20世紀80年代起，黃土高原地區開展了以大型淤地壩為骨架的壩系建設，共建成淤地壩11萬余座，至今仍有5萬余座淤地壩在攔水減沙、防洪減災、增加耕地等方面發揮著重要作用[7]。從全國范圍來看，甘肅、陜西、內蒙古等省（區）水庫數量較少，水庫庫容量較小，而這些省（區）正是淤地壩建設的集中區[8]。從區域尺度來看，黃土高原地區的水庫通常建在黃河干流及主要支流，優先選擇寬闊平緩、水源豐富、地質條件好的地區，保證水庫有充足的水源且地基穩固，另選擇建在落差較大的河段以滿足發電需求。此外，由于水土流失會造成水庫泥沙淤積和水源污染，破壞航運條件，因此水庫通常修建在水土流失輕微的區域[9]。然而，淤地壩通常修建在小流域的支毛溝中，可避免集水面積過大造成淤地壩損毀，同時為發揮攔泥淤地、減水減沙的作用，淤地壩通常修建在水土流失嚴重的地區，如水土流失嚴重的黃土丘陵溝壑區淤地壩數量占黃土高原地區淤地壩總數的81.23%[10]。綜上所述，淤地壩和水庫在空間分布特征方面存在很大差異，二者無法相互替代。

4.2 淤地壩洪水調蓄功能價值不可忽視

窟野河流域7號小流域可調蓄水量最大，為5 339.27萬m3，占窟野河流域可調蓄水量的22.56%，其中水庫可調蓄水量占比為64.77%；12號小流域可調蓄水量為863.59萬m3，占窟野河流域可調蓄水量的3.65%，其中水庫可調蓄水量占比為58.52%。可以看出，在具有中型及以上水庫的小流域，其水庫的洪水調蓄能力發揮著巨大作用。然而水庫的控制面積有限，7號小流域的烏蘭木倫水庫控制面積為328 km2，12號小流域的常家溝水庫控制面積僅有44 km2，均小于其所在的小流域面積。而在其余11個小流域中，有7條小流域的淤地壩可調蓄水量占小流域可調蓄水量的40%以上。可以看出，淤地壩的洪水調蓄能力不可忽視。

窟野河流域淤地壩、水庫、湖泊洪水調蓄功能總價值為120 212.50萬元。其中，湖泊洪水調蓄功能價值最高，其次是淤地壩，最后是水庫。湖泊作為地球必不可少的自然資源，其洪水調蓄功能在生態系統洪水調蓄功能中占據重要地位。在小流域中，由于水庫庫容較大，其洪水調蓄能力通常排在首位，但水庫造價較高、數量較少，在其控制面積以外的區域，洪水調蓄能力及價值無法顯現。然而，相比于研究較多的淤地壩攔沙作用，淤地壩的洪水調蓄能力通常被忽視，目前仍然有許多研究未將淤地壩洪水調蓄功能價值納入生態系統洪水調蓄功能價值核算體系中。劉蕾等[11]以黃河上游西柳溝淤地壩壩系為例，研究發現隨著淤地壩數量的增加，流域出口流量明顯減少，攔蓄水體約70%通過土壤下滲，能夠增加土壤含水量、補給地下水。徐小玲等[12]通過對辛店溝、韭園溝、裴家峁3條小流域的典型淤地壩水資源效應研究，表明淤地壩的滯洪蓄水效益非常明顯。冉大川等[13]通過研究發現在1970—1996年黃河中游地區淤地壩減洪量占水土保持措施減洪總量的59.30%，生態效益十分明顯。這些研究均表明淤地壩的滯洪減水效益與其減沙效益同樣重要。因此，作為淤地壩建設的集中區域，黃土高原地區淤地壩的洪水調蓄功能發揮了重要作用，在黃土高原地區生態系統洪水調蓄功能價值核算中需要考慮淤地壩的洪水調蓄功能價值。

5 結束語

窟野河流域地處黃土高原和毛烏素沙地的過渡帶，是黃土高原地區水土流失最嚴重的區域之一。淤地壩是黃土高原地區水土流失治理的一項重要工程措施。本研究以窟野河流域為例，構建的淤地壩洪水調蓄功能價值評價方法簡單且易于應用，完善了生態系統洪水調蓄功能價值核算體系，使其更加適用于黃土高原地區，體現了淤地壩在黃土高原水土流失治理和生態環境建設中具有不可替代的作用。將淤地壩洪水調蓄功能貨幣化，也可為黃土高原淤地壩壩系規劃、建設、投資及除險加固工作提供參考。

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