黄河粗泥沙集中来源区实施拦沙工程回顾和思考

黄河粗泥沙集中来源区是对下游淤积危害最大的粗泥沙主要来源区,也是区域水土流失治理的重中之重,其面积占黄河中游多沙粗沙区面积的23.9%。据统计,粗泥沙集中来源区多年平均(1954—2007年系列)输入黄河泥沙2.55亿t/a,侵蚀模数高达1.36万t/(km^(2)·a),是黄土高原强烈侵蚀的中心,因此在该区域实施拦沙工程,构建拦截入黄泥沙的第一道防线势在必行。阐述了黄河粗泥沙集中来源区的水土流失现状和治理现状,回顾和梳理了拦沙工程项目四个阶段的发展历程,从前置要件办理环节多周期长,地方配套资金未能足额到位,财政预审核减中央投资和工程勘察设计费、监理费等,竣工验收工作滞后,监测站点布局不完善、监测内容单一及信息化水平低,工程建设急需中期评估调整等6个方面分析了当前拦沙工程实施过程中存在的问题,并提出了意见和建议。

黄河粗泥沙集中来源区区域地形因子比较研究

在黄河粗泥沙集中来源区的清水川流域,以1∶10 000比例尺地形图上的小流域为基本单元,在1∶250 000比例尺DEM上提取地表起伏度、高程变异系数和等高线密度等区域土壤侵蚀地形因子,以1∶10 000比例尺计算的地形因子为真值,拟合各区域土壤侵蚀地形因子的计算方法。结果表明,等高线密度是合适的区域土壤侵蚀地形因子计算指标。应用该方法在皇甫川下游进行检验,模拟结果误差小于10%,效果良好,可作为土壤侵蚀区域地形因子计算时指标选择的参考。

黄河粗泥沙集中来源区输沙模数研究

黄河粗泥沙集中来源区输沙模数是淤地坝拦沙库容规模设计最重要的参数。受人类活动影响,1970—2007年实测多年平均输沙模数明显偏小,必须对其还原修正后方可应用于工程设计。采用长短系列对比分析法分析黄河粗泥沙集中来源区各水文站长系列(1954—2007年)实测多年平均输沙模数较短系列(1954—1969年)变化情况,并对长系列输沙模数进行还原,得出还原后黄河粗泥沙集中来源区多年平均年输沙总量和年输沙模数分别为3.19亿t、1.7万t/(km2.a),介于短系列和长系列实测值之间,多年平均年还原量为0.64亿t。

黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程布局

利用黄河粗泥沙集中来源区水文、地质研究成果以及实地调查和勘测资料,采用典型分析和综合对比分析的方法,依据现行规范和规定,以及提出的工程布局原则,通过对典型小流域建设目标分析、单坝工程设计、布局方案设置、控制面积对比、防洪能力对比、拦沙能力对比、淤地面积对比等,论证确定每条典型小流域中小型拦沙坝布局与规模成果。利用典型小流域布局成果,确定黄河粗泥沙集中来源区布置拦沙坝10 165座,其中中型拦沙坝1 995座、小型拦沙坝8 170座。

黄河粗泥沙集中来源区洪水泥沙阶段变化研究

黄河粗泥沙集中来源区为治理黄河泥沙的核心区域。根据建站至2016年黄河中游粗泥沙集中来源区皇甫川、窟野河、孤山川、秃尾河、佳芦河、大理河和延河等支流次暴雨洪水泥沙资料,以支流为分析单元,通过Pettitt检定法把各支流划分为早期、中期和近期三个时段,按照暴雨洪水和暴雨泥沙的关系分析了区内各支流的变化特征。结果表明:各支流中期和近期时段不完全一致,这主要是与支流下垫面治理有关;按照支流入选标准在研究区内各支流中共选取486场洪水参与计算,对建立的暴雨洪水和暴雨泥沙关系进行分析得出,与早期下垫面相比,中期和近期所表现出来的减洪减沙比例不尽相同,总体上次洪径流量中期减少1/3、近期减少3/4,次洪输沙量中期减少2/5、近期减少9成以上,减沙比例大于减洪比例。

黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程规划关键技术研究

黄河难治的症结是泥沙,其中关键在粗泥沙。经多年研究,黄河中游1.88万km2的粗泥沙集中来源区是控制入黄粗泥沙的重点区域。在这一区域建设拦沙工程,对改善当前水沙关系不协调矛盾加剧的局面,遏制主槽萎缩和"二级悬河"不断发展的态势,减少下游河道泥沙的淤积和延长干流水库拦沙库容使用年限具有十分巨大的作用。围绕黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程规划实践中需要解决的重大技术问题,分析了拦沙工程建设对减少黄河下游河道泥沙淤积的重大影响,研究了拦沙工程设计洪水关键参数、侵蚀模数计算等核心设计指标的合理取值,论证了工程总体布局与建设规模确定的方法和成果,探讨了工程地质对工程建设的影响、工程监测任务和工作内容、工程建设对水资源的影响等关键问题。

黄河粗泥沙集中来源区沙棘生态项目减沙效果分析

自1985年将沙棘作为黄土高原治理的突破口以来,黄河水利委员会在黄河粗泥沙集中来源区北部砒砂岩地区大规模开展了沙棘资源建设工程,并取得显著成效;水利部1998年以来相继在国家立项实施了晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态工程和晋陕蒙砒砂岩区窟野河流域生态减沙工程,形成了更大规模的治理效益。总结了3个沙棘治理项目的完成情况,分析了其建设效益和减沙效果。3个项目在粗泥沙集中来源区累计保存沙棘面积22.679万hm2,平均每年减沙2 414.6万t。

黄河粗泥沙集中来源区界定

“黄河粗泥沙集中来源区界定研究”项目通过自主、集成创新，界定了全沙模数大于5000t／（km2·a）、粒径≥0．1mm的粗泥沙输沙模数大于等于1400t／（km2·a）的区域即为粗泥沙集中来源区，其面积为1．88万km2，涉及内蒙古鄂尔多斯市和陕西省榆林市、延安市的9条支流。

《黄河粗泥沙集中来源区治理方向研究》课题组考察黄土高原

为进一步摸清黄土高原地区尤其是粗泥沙集中来源区治理状况及存在问题，提出该区域拦减泥沙的关键措施布局及治理方向，2005年5月中旬，黄河上中游管理局组织黄委内外水土保持专家、学者和《黄河粗泥沙集中来源区治理方向研究》课题组（下称课题组）主要成员赴黄河粗泥沙集中来源区，开展了为期10天的考察调研。

黄河中游粗泥沙集中来源区产沙规律综述

在前人研究的基础上分析总结了该区特有的暴雨洪水产沙规律:暴雨是侵蚀产沙的主要动力,暴雨、洪水、泥沙之间存在着必然的关系;洪水发生时间集中,峰高量大,暴涨暴落,对黄河中游大洪峰的形成具有决定性影响;侵蚀产沙强烈而粗泥沙集中,输沙能力强,洪水含沙量高,是黄河粗泥沙的集中来源地;河龙区间特别是粗泥沙集中来源区频繁或连续的暴雨洪水对黄河输沙有重要影响;随着治理水平的提高,区域洪水有减小趋势,但泥沙量变化不明显,大部分支流的洪峰流量、洪水含水量反应不敏感,说明一般规模和水平的治理工程还不能有效控制区域大洪水特别是特大洪水的泥沙。

用边际分析法确定黄河中游粗泥沙集中来源区

为进一步寻找并治理对黄河下游主槽淤积危害最严重的粗泥沙集中来源区,根据1960年未建三门峡水库前自然水沙条件下下游河槽淤积物粒径组成,确定出黄河中游粗泥沙集中来源区界定中的粗泥沙界限为0.1 mm。利用边际分析法在黄河中游多沙粗沙区确定粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2。该面积仅占黄河中游多沙粗沙区面积的23.9%,可产生的全沙、粒径大于0.05 mm和0.1 mm的泥沙分别占同期多沙粗沙区相应沙量的34.5%、47.6%和68.5%。由此看出,该区是名副其实的粗泥沙集中来源区。

黄河中游粗泥沙集中来源区重点支流的遴选

通过来沙粒径、输沙模数、水土流失面积占流域面积的比例等指标遴选出黄河粗泥沙集中来源区重点治理的支流。按水文站实测悬移质粒径粗细分析的重点支流的排序为:皇甫川、窟野河、秃尾河、佳芦河、孤山川、无定河、延河和清涧河;根据各支流坝地淤积物钻孔取样分析的d≥0.10 mm泥沙所占百分数由大到小排序是:窟野河、皇甫川、清水川、孤山川、石马川、秃尾河、无定河、佳芦河、乌龙河、延河和北洛河;在此基础上,再按粗泥沙输沙模数大小最后遴选的重点治理支流的顺序是:窟野河、皇甫川、清水川、秃尾河、孤山川、石马川、佳芦河、乌龙河、无定河。

黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究中粗泥沙界限的确定

针对黄河粗泥沙界限问题,介绍了粗泥沙界限0.05 mm的由来,利用下游河床质钻孔资料分不同时段研究主槽淤积物粒径组成,利用输沙率平衡法计算下游河道不同时段的区间淤积比和排沙比,利用小浪底水库运用以来下游河床质淤积物钻孔资料分析淤积物粒径变化。依据1960年以前天然情况下、对长系列资料分析结果显示、小浪底水库运用以来的黄河下游主槽淤积物中d≥0.10 mm的泥沙淤积特点,确定应以0.10 mm作为黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究中的粗泥沙界限。

从自然地理背景宏观判析黄河中游粗泥沙集中来源区

为在黄河中游多沙粗沙区确定粗泥沙集中来源区,从黄河中游多沙粗沙区地质构造、地层岩性、地貌类型、水文气象等因素与产粗泥沙关系的区域差异对粗泥沙集中来源区进行了宏观判析,认为在黄河中游多沙粗沙区范围内,吴旗—志丹—延安—延长一线以北、东胜—准格尔—清水河一线以南、吴旗—榆林—神木—大柳塔一线以东(风沙区以东)至晋西北黄河沿岸的范围是侵蚀最为严重的地区,也是粗泥沙集中来源区的宏观待选范围。

黄河中游粗泥沙集中来源区重点支流深化研究

在黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究的基础上,基于数字高程模型、卫星影像、电子地图及有关研究成果,在地理信息系统软件支持下,分析研究了窟野河、皇甫川、清水川等9条支流的特性。经过分析认为,支流内上中下游、左右岸差异较大,从支流上游向下游坡度增大,治理措施密度减小,土壤抗蚀性增大;区域内以自然侵蚀为主,侵蚀类型总体表现以水蚀为主,有部分区域为水蚀和风蚀复合侵蚀,侵蚀等级从南向北递增,治理难度相应增大。

黄河中游粗泥沙集中来源区的确定

利用d≥0.10 mm的粗泥沙输沙模数≥1 400 t/(km2.a)的指标在黄河中游多沙粗沙区中界定出粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2,该面积占黄河中游多沙粗沙区面积的23.9%,年产沙量为4.08亿t,占多沙粗沙区年产沙总量的34.5%,产生d≥0.05 mm和d≥0.10 mm的粗泥沙量分别为1.52亿和0.61亿t,占多沙粗沙区相应输沙量的47.6%和68.5%,该区是名符其实的产粗泥沙“大户”。

黄河中游粗泥沙集中来源区治理方向初探

黄河中游粗泥沙集中来源区总面积18803km2,涉及陕西、内蒙古两省区的榆林、延安、鄂尔多斯3市共15个县(旗、区)的11条黄河支流。该区域可建治沟骨干工程1500座,建拦泥库86座,治坡措施中可完成修梯田、造林、种草13162km2,三项措施的年拦泥沙量分别为1.63亿、1.43亿、1.54亿t。实行以小流域为单元、以支流为骨架统一规划,统筹安排淤地坝(系)、拦泥库、治坡措施及其他治理措施并实行不同措施的科学组合,能够满足黄河年减沙4.08亿t的要求。

黄河中游粗泥沙集中来源区现有治理措施拦沙能力分析

黄河中游粗泥沙集中来源区现状治理措施年拦沙能力为1.03亿t,占区域年泥沙流失量4.08亿t的25.2%。其中:淤地坝(系)年拦沙能力为2757万t,占现状措施年拦沙能力的26.8%;水库年拦沙能力为2688万t,占现有措施年拦沙量的26.1%;治坡措施年拦沙能力为4842万t,占现状措施年拦沙量的47.0%。