第二节　淤地坝科学研究的作用与地位

经过几十年的辛勤工作，广大科技人员在淤地坝的拦泥减蚀机理、坝系规划布局、坝库设计、工程施工、管理养护、新技术应用等方面取得了大量科研成果，对黄土高原的淤地坝建设起到了科技支撑的作用。

一、淤地坝拦泥减蚀机理研究，基本摸清了沟壑中产水产沙规律，为科学决策提供了依据

20世纪80年代以来，国家自然基金、水利部水沙基金、黄委会水土保持科学研究基金等相继开展了河龙区间水沙变化分析研究，其中，淤地坝拦泥减蚀作用分析是很重要的一部分。在淤地坝拦泥减蚀作用研究中，重点开展了小流域水沙变化、淤地坝减水减沙作用和效益计算方法研究，对黄河来水来沙区域和趋势进行了分析预测。对于淤地坝的减水减沙作用，我们看到从大量的实测和调查资料中分析，得到每公顷坝地的拦泥量随坝高的不同而不同，坝愈高，单位面积坝地拦泥量愈大。通过对河龙区间21条支流分析，淤地坝减沙量占水土保持措施减沙量的42％～80％，坝系的拦泥减沙效益是其他水土保持措施所无法相比的；淤地坝具有抬高基准面、防止沟道下切和沟岸坍塌、扩张的作用。据甘肃省的西峰水土保持科学试验站在南小河沟的观测，该流域泥沙主要来自沟床下切、红土泻溜和坍塌，其侵蚀量占全流域产沙量的25.5％～60％左右。熊贵枢等用支流把口站的资料分析了无定河赵石窑以上坝库的减蚀量，得到其减蚀作用约为多年平均输沙量的20.8％。这一系列的研究成果表明，坝库的设置，顺应了水土流失的自然规律，其减蚀作用是肯定的、有效的，坝库是沟道治理中举足轻重的工程措施。

二、坝系规划布局研究，使淤地坝建设逐步迈入规范化、科学化和区域化的轨道

20世纪50年代以来，围绕坝系建设，各地科研单位在规划原则、工程结构、合理布局、建坝密度，洪水调节等方面开展了科学研究。

1959年，黄委会陕西省绥德水土保持科学试验站在韭园沟小流域修筑淤地坝时，将一条沟道中的坝分为主坝与腰坝，以拦截上游的洪水，保护坝地安全生产，从此开始出现“坝系”的概念。此后，随着淤地坝的增多，坝地防洪保收问题愈来愈突出，1961年，该站在坝地较多的王茂沟流域进行坝地防洪保收试验研究时，有意识地进行了坝系规划。当时提出坝系规划的原则是“因地制宜，全面规划，大小结合，蓄种相间，轮蓄轮种，计划淤排”；在坝系布局上选用“全面利用，以排为主”和“蓄种相间，蓄排结合”两种形式；在建坝顺序上采用了支毛沟由下到上、干沟由上到下或上下结合的办法。1970年以后，由于水坠坝技术的应用推广，淤地坝建设发展到一个新阶段。淤地坝的坝系布设在王茂沟坝系布设的基础上，各地结合实际，又开展了多种形式的坝系规划试验。

20世纪70年代中后期，黄河中游地区连续发生暴雨洪水毁坝事件，在总结20年淤地坝建设经验和洪水毁坝教训的基础上，提出坝系中应增加控制性骨干淤地坝（即骨干坝），1979年将王茂沟坝系规划原则改为“因地制宜，全面规划，骨干控制，滞洪排清，全面利用，一次设计，分期加高，防洪、拦泥生产相结合”，这一规划布设体现了防洪保收原则，首先是坝系中应增设骨干坝，以提高其防洪能力；其次，淤地坝的结构以两大件为主，以便于滞洪排清；再次，反映出坝系建设的目标是长期发挥防洪、拦泥和生产效益，以便实现相对稳定。

进入20世纪80年代，坝系研究由总结经验为主转入建模型与理论研究为主的阶段。1983年，黄委会绥德水土保持科学试验站应用正交试验分析法，对小流域坝系的布坝密度、骨干坝位置、泄水建筑物形式（结构组成）、打坝顺序及建坝时间间隔等进行优化研究。1987年黄委会第一期水保基金，研究提出了晋西、内蒙古、陇东、海东等不同类型区小流域坝系规划的方法及总体布局；全面总结了无定河流域40多年来大型淤地坝的建设经验，首次开发了集数据库、模型库、图形库及专家系统为一体的无定河治沟骨干工程决策系统。20世纪90年代，西安理工大学（原陕西机械学院）、山西农业大学、西北农业大学、中国科学院水利部水土保持研究所和山西省水土保持研究所对坝系规划时空优化进行了研究，并建立了相应的数学模型。与此同时，国家“八五”攻关项目和黄河水利委员会水土保持科研基金项目，也曾设专题进行坝系相对稳定试验研究，结合课题研究建立了榆林沟、韭园沟实体模型。

三、设计技术的研究，提高了淤地坝的防洪标准，使工程结构更趋合理

坝库的设计技术主要开展了设计洪水标准、工程结构、最优土坝断面确定的研究。

在设计洪水标准研究方面，建国初期，大部分地区缺少气象水文资料，沟中修坝一般用调查洪水作为设计洪水，或用暴雨推求设计洪水。从20世纪50年代后期，有关试验研究站（所），经过研究提出适应一定范围的小洪水设计计算方法与经验公式，供部分地区使用；大部分无资料地区则引用邻近地区暴雨资料来推求洪水。20世纪70年代以来，黄河流域各省（区）和许多地、市相继编写出当地的水文手册、水文图集等。1986年由黄河上中游管理局主持编写《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》，由水利部颁发执行。同时各省（区）也根据工作需要，编写了技术手册，供设计使用。陕西省编印了《陕西省水土保持骨干工程手册》、山西省编印了《山西省淤地坝设计、施工实施细则》等。这些规范、手册，实施细则等的制定，使淤地坝建设走上了规范化道路。

在工程结构方面，1953年起，原西北黄河工程局在中游地区建设沟壑土坝工程，其设计标准、施工技术都是参照水利工程中土坝建设的有关要求进行的：设计标准为P=10％，校核标准为P=5％～2％，设计拦泥年限为5～10年；坝体结构组成以“三大件”为主，也有少数坝不设溢洪道；施工方式均为夯实法。并在建设过程中与有关试验站配合，做了大量的试验观测工作，取得了丰富的资料，总结编写了《沟壑土坝工程设计手册》、《设计工作细则》及《沟壑土坝施工简则》，这是黄土高原地区第一套指导淤地坝建设的试验研究成果。与此同时，黄河水利委员会水利科学研究所通过对332个筑坝土样的试验分析，研究确定了不同土料筑坝的经济断面，与水工土坝相比，显著地减小了淤地坝的断面，降低了筑坝成本。绥德水土保持科学试验站和榆林地区水电局，在总结多次洪水毁坝教训的基础上，得出了“减小坝控面积，提高设计标准，采用高坝大泄水洞（两大件），以库容制胜”的淤地坝建设指导思想，为后来骨干坝的建设提供了理论依据。在提高淤地坝设计水平和设计效率方面，黄河上中游管理局和陕西省水土保持研究所从20世纪90年代初开始，进行了计算机CAD辅助设计探索和研究，极大地提高了淤地坝的设计效率和精度。目前，淤地坝设计中的洪水计算、调洪演算及制图等，都可以在计算机上完成。

四、筑坝技术的研究，加快了淤地坝的发展速度，提高了工效，降低了成本

淤地坝的施工技术主要是针对土坝施工而言的，传统的施工方式主要有夯实和碾压两种，从20世纪50年代开始，山西省水土保持研究所、黄委会水利科学研究所、天水水土保持科学试验站和绥德水土保持科学试验站等单位，先后在定向爆破法筑坝和水坠法筑坝等方面进行了大量的试验研究，同时对特殊材料的筑坝方法也做了一些探索。

定向爆破筑坝技术。由山西省水土保持研究所于1958年首先在吕梁地区的两座淤地坝的施工中试验，此后，天水水土保持科学试验站、西峰水土保持科学试验站与部分教学单位合作，在土坝、水库中进行了试验。试验主要围绕选好适宜爆破的坝址、搞好爆破方案和设计开展，其中爆破方案中的参数确定是关键。在试验过程中，爆破药量从几十千克到几十吨，爆破土方从几百立方米到几万立方米不等。由于没有一个单位进行过系统的试验研究，使得该项技术的研究未能推广，在工程实践中未得到有效应用。20世纪90年代黄河上中游管理局、西安理工大学（原陕西机械学院）、清水河水保局三家联合，在内蒙古自治区又进行了定向爆破——水坠筑坝试验，这次试验的成功，为干旱少水、交通不便、缺乏大型机械地区筑坝提供了一条新的途径。

水坠法筑坝技术。首先由黄委水利科学研究所和绥德水土保持科学试验站合作，于1958年在韭园沟进行试验，采用了水中倒土、土中倒水、引水拉土等许多方法，为水坠法筑坝技术的深化研究奠定了基础。1973年黄委会与陕、晋两省共同组成陕晋水坠坝试验研究工作组并正式开展研究，1979年成立黄河流域水坠坝试验研究协调小组。至此，水坠筑坝技术在黄河流域乃至全国范围内普遍推广。该小组在短短几年中取得科研成果80余篇，其中《水坠法筑坝》系列研究成果包括《水坠坝设计要点》、《水坠坝施工须知》及《水坠坝技术规范》等，1978年获全国科学大会科技成果奖，1981年获国家科委和国家农委的“水坠坝的研究与推广”奖，1985年获国家科技进步二等奖。

水坠筑坝法由于对施工条件要求不高、成本低、技术简单便于群众掌握，得以在黄土高原普遍推广。此外，对特殊筑坝材料也进行过试验研究。陕西、内蒙等地在盖沙丘陵区，利用风沙土筑坝获得成功。绥德站于20世纪90年代初曾进行过砒砂岩筑坝材料的研究，包括砒砂岩的物理、力学性质、化学成份测试分析和冻融对力学性质影响的试验，取得了大量第一手资料。

五、淤地坝的管理机制研究，为小流域的水土资源高效利用及可持续发展奠定了基础

淤地坝的管理机制研究，主要开展了管理养护、汛期防洪抢险、坝地防洪保收、防治盐碱化和淤地坝运行管理等方面的研究。

在管理养护方面，主要针对坝库竣工后，如何保证淤地坝的安全和充分利用。一般实行分级管理制度，县办县管，乡办乡管，村办村管，建立工程管理委员会。采取制止或排出山坡径流，草皮护坡、截水沟护坡和暴雨后及时检查，消除隐患等措施。提高了淤地坝水土资源的利用率。

在汛期防洪抢险方面，主要针对防洪保坝保收，研究布置防洪抢险方案，坝库出现险情时的技术处理措施，制定一些乡规民约等。

在淤地坝防洪保收技术研究方面，绥德水土保持科学试验站于1979～1985年在王茂沟及黄土坬等五个坝系，进行坝系防洪保收观测试验，通过分析总结，得出在侵蚀模数1.8～2.0万t/km2的地区，坝地面积相对稳定指标为流域面积的1/20，坝地高秆农作物的耐淹深不超过0.8m，耐淹时间为5～7天，耐淤厚度不超过0.3m/次；山西省水土保持研究所，自1986年起，结合王家沟流域综合治理，启动了“坝地防洪保收技术研究”课题。在对全流域防洪能力分析的基础上，通过对坝地玉米和高粱等高秆作物的耐淹试验和对汾西县坝地防洪保收经验进行调查总结，提出了影响坝地防洪保收几个因素的量化衡量指标。同时提出了晋西地区《坝地防洪保收技术要点》。并针对暴雨中庄稼被淹被冲，严重影响作物产量，总结出一套坝地防洪保收的办法。其中比较普遍采用的是“上拦下排，中间淤漫”。在坝地上游修一座拦洪坝，拦住上游来的洪水；在坝地一侧开挖排洪渠，把洪水有计划地排走；同时在坝地上筑起滞洪围堰，将部分洪水有计划地引入坝地滞洪落淤。

在防治盐碱化研究方面，有常流水的沟道，往往因盐碱化的危害，坝地有1/3左右不能利用。从认识“盐随水来，盐随水去”的规律，总结出治理坝地盐碱化的根本措施是排水。即：开挖排水沟，降低地下水位；打井挖泉，修池蓄水，排灌结合，变旱坝地为水坝地，降低地下水位；引洪漫地，垫土压碱，将沟洪、坡洪、渠洪引入漫淤坝地，淋洗坝地土壤，降低含盐量；种植水稻等耐碱作物。

在淤地坝运行管理研究方面，针对淤地坝的建、管、用脱节的问题，提出实施淤地坝产权制度改革和解决淤地坝管理问题的关键措施，按照“谁投资、谁建设，谁受益、谁管护”的原则，采用有限使用权拍卖、租赁、承包、股份合作等多种形式，将管护责任与经济利益挂钩，使工程的建管用、责权利关系得以统一，调动了群众的管护积极性，对促进和提高淤地坝的水土资源可持续利用奠定了基础。

六、新技术、新材料应用研究，为淤地坝建设提供了科技支撑

围绕水坠坝的排水防渗、土坝防冲等实际问题，开展了聚乙烯微孔波纹管网状和土工织物排水，植物和灰土的过水土坝试验等新技术、新材料的试验。

在加快水坠坝脱水固结方面，黄河上中游管理局、宁夏自治区水保学会，在甘肃定西播山沟、庄浪堡子沟，青海乐都干条湾及宁夏西吉高同、下坪、彭阳县阳洼小流域水坠坝中进行了聚乙烯微孔波纹管网状排水试验。取得了良好效果。

在淤地坝反滤、排水中，1990年黄河上中游管理局针对部分地区缺乏砂石料，做反滤排水设施成本高的问题开展了《土工织物在治沟骨干工程中应用研究》，试验表明应用土工织物反滤体代替石反滤体，可节省投资26.7％，省工62.6％，其研究成果为进一步推广土工织物在淤地坝建设中应用，起到了很好的试验、示范作用。

在土坝防冲方面，水利部水利科学研究院和伊克昭盟水利处、黄河上中游管理局、定西水土保持试验站等单位，先后开展了石灰土和植物的过水土坝试验。1986年曾在武家沟坝的宽浅式溢洪道上分别铺设了三合土、水泥土和砖块，进行过洪试验，经过四个寒暑的考验，溢洪道三种护面材料未被冲刷；1985年～1989年水利部水利科学研究院、山西省水土保持局和黄河上中游管理局联合在岚县上明水库土质溢洪道上进行石灰土、水泥土护面过水防冲试验，经过九年的冻融侵蚀及洪水冲刷考验，其溢洪道护面材料的耐久性和安全度达到了设计要求，适用于黄土高原小流域洪水峰高、汇流时间短、淤地坝浸润线低的淤地坝，解决了治沟骨干工程修溢洪道难的问题。

针对淤地坝建设中普遍存在防洪标准低，容易引起洪水漫顶导致垮坝问题，根据山区沟道洪水峰高、量小、历时短的特点，为探求有效又易推广的淤地坝护坡措施，黄河上中游管理局、山西省水土保持研究所、定西水土保持试验站在定西县、离石县、中阳县、平陆县开展了植物护坡试验。选用野牛草、羊草和柠条、紫穗槐、狗牙根等灌木和草本植物，研究其抗冲性能和防护效果，获得成功。