3.5.2.1　拦沙、淤地效果比较

小流域坝系规划的主要目标是拦沙和淤地造田，而且由于淤地造田与拦沙量的多少有关，所以最重要的目标是拦沙目标，在此基础上确定经济和生态效益目标。本研究通过半比尺模型试验比较两种不同布坝方案对小流域坝系拦沙、淤地效果的影响。

由于建坝前流域的下垫面状态相同，建坝后历次降雨动力及地形的雨前初始含水量也一致，因此两种方案中，历次降雨集积产沙量较小者，拦沙效果较为显著。模型试验的结果表明，经过10次特征降雨，若按A方案布坝，小流域总计产沙32.6万t；若按B方案布坝，小流域总计产沙41.6万t，前者比后者少产沙27.4%。尤其在初期的几场降雨中，A方案的拦沙效益更为显著。因此，从拦沙的角度而言，A方案优于B方案。图3.16显示了两种布坝方案历次降雨后累计的出口产沙量，图3.16中两种方案的次降雨产沙量已通过产沙量比尺转换成原型值。

图3.16　两种布坝方案产沙量比较

淤地造田目标是根据小流域的沟道形态、经济社会现状及农村经济发展需求综合确定的。经过一定的年限后，坝系中集积形成的坝地面积越大，则沟道的侵蚀就越小，且坝系农业的效益就可能越高。

本研究中两种布坝方案历次降雨后累计的坝地面积如图3.17所示。由图3.17可以看出，除了在第3次降雨以外，在其他历次降雨中，A方案的淤地面积都大于B方案。经历10次特征降雨后，若按A方案布坝，累计淤地0.423km2；若按B方案布坝，累计淤地0.345km2。前者约为后者的1.23倍。因此，从淤地造田的角度考虑，A方案亦优于B方案。

图3.17　两种布坝方案淤地面积比较

当然，如果继续对模型实施降雨，随着降雨次数的增多，A方案各坝已经淤满，B方案的个别坝库仍然还有库容，达到一定年限后，两种方案最终的拦沙量应趋于一致。但是由于A方案较早地拦截了大量的泥沙，因此按该方案建坝，不仅较快地形成了坝地，有益于农业生产，而且能尽早地实现水土保持的治理效果。

3.5.2.2　拦水拦沙机理分析

（1）流量与产沙浓度对比。通过比较试验中两种布坝方案模型出口处降雨径流的平均含沙浓度和平均流量，可以得出两种布坝方案拦沙效果发生差异的原因。两种布坝方案历次降雨平均径流的流量相差不大，如图3.18所示。10次模拟降雨后，总的径流量几乎相等（A、B方案分别为14.52m3和14.56m3）。但两种布坝方案对流域出口处径流的含沙浓度影响很大。由图3.19可以看出，在前4次降雨中，A方案的出口径流平均含沙浓度都小于B方案，尤其是第一次高强度降雨，A方案的径流平均含沙浓度（25.32kg/m3）仅为B方案浓度（174.39kg/m3）的14.5%。这说明，本试验中建造在主沟沟口的库容最大的1号淤地坝拦截了大量泥沙，而且这种拦泥作用在坝系建设的初期流域产沙浓度较大时，效果最为明显：A方案第一次降雨产沙量为40.89kg，占总产沙量的6.9%；B方案第一次降雨产沙量为223.10kg，占总产沙量的30.3%。当然，由于1号坝的库容较大（超过9～12号4座淤地坝的库容总和），降雨后蓄积在库内的浑水量也相对大一些，但在B方案中，虽然1号坝的库容与A方案无异，由于入库水流的含沙浓度较小，大库容1号坝的拦沙优势没有发挥出来，所以总的来说，10次模拟降雨以后，A方案的拦沙量仍然大于B方案。

图3.18　径流量比较

图3.19　平均产沙浓度比较

（2）淤地面积与拦沙减蚀的关系。模型试验的研究成果证实：沟道侵蚀量大于坡面侵蚀量。淤地坝建成后，由于泥沙的淤积使库区原来侵蚀剧烈的沟道变成平整的坝地，减小了沟道侵蚀，但由于小流域不同部位的侵蚀程度不同，安排建坝顺序时及早控制土壤侵蚀剧烈的区域，必将有助于控制整个小流域的水土流失。相对于方案A，方案B按自上而下、先支后主的顺序建坝，在起初的几场降雨中，发生在侵蚀现象最活跃的主沟道和支沟的下游沟道中的水土流失完全没有控制，因而造成了巨大的水土流失。方案B中，前两场降雨的产沙量约占总产沙量的60%；而在方案A中，前两场降雨的产沙量仅占总产沙量的31%。另外，在相同的初始地形、同样的建坝条件下（淤地坝的数量及各坝的坝高、坝址相同），由于建坝顺序的不同，导致淤地面积形成的速度不同，即相同场次的降雨后，累计的坝地面积不同。图3.20反映了两种布坝方案的淤地速度：按照A方案布坝，经过6场模拟降雨后，主沟道的所有淤地坝均已淤满；而按B方案布坝，10场模拟降雨以后，库容最大的1号坝仍然没有淤满。较慢的坝地淤积速度也耽误了农业生产，影响了坝地经济效益的发挥。

图3.20　主沟道沟底纵剖面图

（a）方案A：6场模拟降雨后；（b）方案B：10场模拟降雨后

坝系建成后，由于坝地的增加，一方面控制了更多的沟底冲刷，增加了淤地坝的减蚀能力；另一方面由于坝库滞洪能力的减小，削弱了淤地坝的拦沙能力。但总体来看，随着坝地面积的增加，坝系的拦沙能力是逐渐减弱的。从图3.20可以看出，当坝系建成后，随着降雨的持续，A、B两种布坝方案的拦沙能力趋于接近，并且都逐渐减小（流域次降雨出口的累计产沙量增大），即坝系建成后随着坝地的扩大，坝系的拦沙能力是逐渐减小的。

3.5.2.3　淤地坝实现相对稳定的表现

淤地坝是控制沟道侵蚀的有效措施。淤地坝（系）的水沙平衡主要体现在坝地高程抬高量的减小及建坝后沟道比降的重新稳定两个方面。以下从这两个方面进行分析。

（1）坝地抬高量减小。上述单坝的放水试验和沟道坝系的降雨模拟试验结果都表明，随着放水（或降雨）模拟次数的增多，坝地淤积的高程增加量也出现逐渐减小的现象，从而说明沟道逐步趋于稳定。

在坝系的降雨模拟试验中，由于模型的次降雨侵蚀度比较大，2号、7号和8号坝均在布坝后经历一次或两次降雨即告淤满。1号坝库容较大，又在后期布坝，因此坝库没有淤满，历次降雨后坝地一直在抬高。图3.21是主沟道建1号坝后，历次降雨的坝地淤积情况。由图3.21可知，随着降雨次数的增多，次降雨的坝地增高量逐渐减小。(www.daowen.com)

图3.21　1号坝历次放水（降雨）后坝地的增高量

（2）沟道平均比降趋于稳定。随着淤地坝上游坝地的抬高，沟道的侵蚀基准面提高，沟道的平均比降逐步减小。参照Casalý加权平均比降的计算办法，可定义沟道的长度加权平均比降为

式中：Li为坡长；Pi为Li段坡面所对应的比降。

事实上，由于坝地的比降接近于0，坝地的面积越大，根据式（3.13）计算得出的PL值越小。PL值实际上反映了一定初始地貌条件下，坝地面积与坝控流域面积的比值。在本试验中，每隔0.1m间距沟底各点的高程都已经测出，根据各点的平面坐标和高程，就可计算出相邻两点间的比降和坡长，进而可根据式（3.13）计算出平均坡度。

试验中主沟道历次模拟放水（降雨）后，模型主沟道的平均比降计算结果如图3.22所示。由图3.22中可以看出，沟道的初始比降较大，随着放水（降雨）试验的进行，坝地的范围逐渐增大，沟道的平均比降随之逐渐减小。起初比降的下降速度很快，然后逐渐趋缓。

图3.22　1号坝历次放水（降雨）后主沟道的比降

由图3.22可以看出，大约在第7组放水以后，沟底的纵立面地形、坝前淤地的平均高程和沟道的平均比降等参数都已经趋近于一个恒量，这时候虽然淤地坝尚有一定的库容，并仍能拦截洪水从上游携带下来的泥沙，但由于坝前的淤地增高非常缓慢，淤地坝的高度不用再增加。可以说，坝前泥沙的冲淤状态已经满足了淤地坝相对稳定的要求。

诚然，如果放水（降雨）的试验不断继续，坝地仍然将不断地增高——尽管增长的幅度是逐渐变小的。本试验只是定性地展示了淤地坝实现水沙相对稳定的一种趋势，证明了淤地坝实现相对稳定的可能性，而并无意于定量地研究出某一具体小流域淤地坝实现相对稳定所需的坝地增高临界值。事实上，坝地的增高量究竟要达到多少才能使当地的农民可以忍受，即满足相对稳定的要求，还涉及经济和社会科学领域内的问题，应该通过实地调查和与当地政府部门的配合，根据大量沟道坝系多年的运行状态和当地的经济结构和经济发展水平来决定。在黄土高原小流域水土流失治理实践中，一般坝地的年抬高量小于0.3m，即最终需要加高坝体的工程量相当于基本农田岁修量时，即可认为坝系在水沙平衡方面达到相对稳定状态。

3.5.2.4　淤地坝实现相对稳定的原因

（1）探讨淤地坝的拦沙减蚀作用。淤地坝拦截的泥沙使沟道的侵蚀基准面抬高，这是沟道侵蚀减小的一个重要原因。由于坝前部分沟道已经被泥沙淤埋，不再发生侵蚀；淤积面以上沟道，也由过去的侵蚀型转化为淤积型或平衡型，于是沟道的侵蚀大为减小。图3.21和图3.22反映了侵蚀基准面抬高、平均比降减小的情况。

另外，沟道表面泥沙的粗化也是促使沟道侵蚀减小并趋于稳定的另一个原因。图3.23反映了单坝放水试验前后沟床表面泥沙颗粒的粗化现象（坝系试验中也有类似现象）。由于淤地坝的存在，减小了水流的挟沙力，从坡面汇集下来的洪水中易于搬运、颗粒较细的泥沙被洪水带走，而洪水中颗粒较大的泥沙被留于沟床表面，并形成一层较为致密的保护层，减轻了沟道的侵蚀，促进了沟道的稳定。图3.23中虚线部分表示放水试验前沟底泥沙的中值粒径，实线部分表示18组次放水后泥沙中值粒径的沿程分布。由图3.23可以看出，放水冲刷后沟底的泥沙中值粒径明显比放水前增大，距离淤地坝越远，沟底的粗化现象越显著。

图3.23　沟床表面泥沙的粗化

淤地坝的减蚀作用控制了原来水土流失最为严重的沟谷和沟床，这就相当于减少了大量的流域来沙，从而使淤地坝后期坝前淤积增长缓慢。

（2）落淤面积的变化。主沟道历次放水（或降雨）后泥沙落淤的面积大小如图3.24所示。2号、7号和8号坝在第6次降雨模拟试验前已经淤满，建1号坝后，坝地的增长主要体现在1号坝的坝地增长上。由图3.24还可知，坝地的面积几乎都是呈线性增长的。由于泥沙淤积范围的增大，即使来沙体积相同，因为泥沙平铺在较大的面积上，其增长厚度也将变小。

图3.24　历次放水（降雨）后沟道坝地面积的增长

另外，由于坝前淤地的抬高，淤地坝库容逐渐减小，其拦沙减蚀效果逐渐减弱，这也是坝地增高趋缓的一个因素。而且，在治理黄土高原的生产实践中，人们采用“沟坡皆治”的小流域综合治理方针，由于采用了营造梯田、挡墙、绿化造林等治坡措施，上游的来流来沙量亦将得到削减，也促使淤地坝实现相对稳定。

（3）沟道的自平衡机制。冲淤平衡是沟道地貌演变现象的一种共性，国内外学者对其他流域沟道的研究也发现了这一现象。Foster的研究证实，各种形式的沟道，如坡面细沟、沟谷等发育到一定程度时，沟道将展宽，使侵蚀大大减小。当沟道宽度达到某一值时，该沟道在一定的坡面流下几乎不发生侵蚀，此时沟道的抗侵蚀能力与坡面流的侵蚀动力相平衡，即达到了相对稳定状态。Novak推导出没有人为干扰的沟道实现相对稳定所需要的时间。Sidorchuk认为沟道的发育分为两个阶段，第一阶段是沟道的形成阶段，这一阶段以沟底冲刷和沟壁快速扩张为主，沟道的地貌特性（长度、深度、宽度、面积等）变化剧烈，但其持续时间仅占沟道寿命的5%左右；第二阶段是沟道的相对稳定阶段，这一阶段以沟底的泥沙输移和沉降为主，侧向侵蚀引起的沟壁扩张很小。在自然界中，如果当地的地质和地貌条件满足要求，水沙输移达到了相对稳定状态，有的河道就可以历经百年保持不变。

在黄土高原小流域的沟道中建设淤地坝后，相当于改变了当地的地貌条件。在历年降雨洪水的作用下，大量泥沙在坝地淤积，导致沟道的平均比降不断缩小（见图3.22），洪水对沟道的侵蚀不断减小，逐步达到相对稳定状态；另一方面，即使坡面来沙没有得到有效控制，由于坝地面积的增大，在相同的泥沙淤积量下，坝地的增高也渐趋缓慢。黄土高原淤地坝建设的实测资料也表明，建坝后沟道比降明显减小。据黄河水利委员会西峰水土保持站对南小河沟流域3座淤地坝的测算，沟道比降由建坝前的11%～1.5%下降到淤积后的0.5%～0.1%。

因此，在特定的水沙和地质地貌条件下，存在着一个临界坝高，当淤地坝达到这一高度时（这时坝控面积也是一个定值），沟道的平均比降达到了临界比降，沟道的侵蚀量大大减小，坝前淤地“年均淤积厚度较薄，后期的坝体加高维修工程量小，群众可以承担养护”。这是建坝后淤地坝相对稳定特性在水沙平衡方面的体现。