垣曲山區(qū)小流域治溝骨干壩系工程優(yōu)化改造研究

張瑞潔

(運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 運(yùn)城 044000)

近年來(lái)，在自然環(huán)境和人為因素影響下，黃土地區(qū)中小流域雨水侵蝕較為嚴(yán)重，導(dǎo)致水土流失、滑坡和泥石流等災(zāi)害，甚至損壞農(nóng)田、沖毀公路，對(duì)環(huán)境保護(hù)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的影響。隨著國(guó)家計(jì)委將水土保持治溝骨干壩系作為專項(xiàng)實(shí)施，在小流域水土流失的綜合治理中，治溝骨干工程壩系不僅能防止水土流失，而且能攔泥淤地，其社會(huì)、生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益顯著，并受到當(dāng)?shù)卣腿罕姎g迎和喜愛(ài)。

山區(qū)小流域溝道地形復(fù)雜，具有山高谷深、單點(diǎn)暴雨集中、汛期洪水陡漲、攜帶泥沙多、沖刷力強(qiáng)等特點(diǎn)，合理布局和規(guī)劃以骨干壩為主的壩系建設(shè)，提高了水資源利用率，促進(jìn)了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，并確保退耕還林成果及實(shí)施生態(tài)自然修復(fù)的需要，還兼顧經(jīng)濟(jì)效益。多年水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工程措施屬于單項(xiàng)措施蓄水?dāng)r沙效益最大，其中淤地壩攔沙量占小流域水土保持措施總攔沙量的66%。壩體建設(shè)改善了生產(chǎn)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，壩體土壤有機(jī)質(zhì)和水解氮含量比坡地高37%～76%，含水率比坡地高62.5%～168%。

本文以垣曲地區(qū)閆家河小流域?yàn)槔?，依?jù)已有現(xiàn)狀條件，分析出現(xiàn)的問(wèn)題，從相對(duì)穩(wěn)定性、防洪能力和經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮后，進(jìn)行治溝骨干壩系工程優(yōu)化改造，并為同類型黃河地區(qū)小流域的壩系工程提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 流域水土流失及治理現(xiàn)狀概況

閆家河小流域位于垣曲縣的東南部、小浪底水庫(kù)沿岸，距離縣城約55km，屬黃河一級(jí)支流，地質(zhì)構(gòu)造為自西北向東南由老到新，總體上為向南傾斜的單斜構(gòu)造，海拔在200～1000m范圍內(nèi)，丘陵起伏，溝谷發(fā)育，地形支離破碎，溝壑縱橫，切割深度在80m左右，支毛溝上游溝道橫斷面多呈“V”字形，較大的支溝下游及主溝道橫斷面呈“U”字形。整個(gè)流域面積為73.05km2，其中黃土丘陵溝壑區(qū)占總面積的79%，是垣曲縣水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域。閆家河小流域在水力侵蝕作用下，水土流失面積約66.1km2，平均溝壑密度為3.22km/km2，年土壤侵蝕模數(shù)為6080t/(km2·a)，每年向黃河輸送泥沙44.41萬(wàn)t，泥沙直接泄入小浪底水庫(kù)。

截至目前，該流域內(nèi)建有2座骨干壩、3座中型壩以及15座谷坊，如圖1所示。水土保持治理過(guò)程中堅(jiān)持“因地制宜，因害設(shè)防”的原則，取得了一定的成效，但治理程度仍然不高，由于缺少控制性骨干工程和發(fā)展生產(chǎn)的中小型淤地壩，該流域內(nèi)的洪水泥沙未得到有效控制，治理任務(wù)仍然較為艱巨，因此擬在本流域進(jìn)一步修建小流域壩系工程，特別是控制性骨干壩改造修建工作。

圖1 閆家河小流域壩系工程概況示意圖

2 骨干壩系工程改造增建

本文以小流域內(nèi)單西骨干壩為例，單西骨干壩上游控制流域面積5.24km2，是一座以滯洪、攔泥、淤地為主的治溝骨干壩。原設(shè)計(jì)壩頂長(zhǎng)115m、寬4m，壩頂高程374.0m，壩高24.1m；設(shè)計(jì)總庫(kù)容為64.88萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)高程為372.0m；攔泥庫(kù)容為29.9萬(wàn)m3，但由于原設(shè)計(jì)沒(méi)有進(jìn)行流域壩系的整體防洪設(shè)計(jì)，且單西骨干壩無(wú)泄洪設(shè)施，根據(jù)安全認(rèn)定結(jié)論與建議，決定單西骨干壩的增建內(nèi)容為新建溢洪道。

2.1 建設(shè)目標(biāo)

(1)防洪

加強(qiáng)大型(骨干)壩工程建設(shè)，防洪能力提高到200年一遇，確保流域壩系整體防洪安全。

(2)蓄水?dāng)r泥

建立一個(gè)安全有效的壩系落水?dāng)r沙體系，把壩系的總體攔泥能力由不足5年提高為10～15年，新增攔泥沙能力73.0萬(wàn)t，使壩系達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定、程度較高的狀態(tài)。

(3)生產(chǎn)利用

進(jìn)一步搞好骨干壩與一般壩及蓄水(塘)壩的總體布局，把壩地利用率提高到75%以上，使壩系相對(duì)穩(wěn)定的土地保收頻率由10年一遇提到20年一遇。

2.2 水文計(jì)算

因單西骨干壩為梯級(jí)骨干壩，上游有陳南中型壩，為保障工程安全，水文計(jì)算不考慮中型壩調(diào)洪影響。根據(jù)洪水計(jì)算結(jié)果，作為確定單西骨干壩增設(shè)溢洪道的必要條件，確保上游洪水經(jīng)溢洪道安全泄入下游河道，保證大壩安全運(yùn)行。

采用SD 175—86《水土保持治溝骨干工程暫行技術(shù)規(guī)范》中的推薦經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算公式如下：

Qp=CNFn

(1)

式中，Qp—重現(xiàn)期為N的洪峰流量，m3/s；F—流域面積，km2；CN，n—重現(xiàn)期為N的地理參數(shù)。

設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算公式：

WN=0.1aH24F

(2)

式中，WN—重現(xiàn)期為N的洪水總量，萬(wàn)m3；a—24h暴雨徑流系數(shù)；H24—年最大24h暴雨均值。

2.3 調(diào)洪演算

2.3.1設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線推算

洪水過(guò)程依據(jù)山西省晉Q834—85《淤地壩工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1，洪水總歷時(shí)計(jì)算公式如下：

(3)

式中，T—設(shè)計(jì)洪水總歷時(shí)，h；WN—重現(xiàn)期為N的洪水總量，萬(wàn)m3；Qp—重現(xiàn)期為N的洪峰流量，m3/s。

表1 單西骨干壩洪水過(guò)程線計(jì)算表

2.3.2粗調(diào)法確定溢洪道底寬

為了提高大壩滯洪能力，最大限度地?cái)r蓄泥沙，建議溢洪道堰頂高程為367.6m，即壩高17.7m處，初擬控制段過(guò)流凈寬為8m。單西骨干壩設(shè)計(jì)洪水和校核洪水粗調(diào)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單西骨干壩設(shè)計(jì)洪水和校核洪水粗調(diào)結(jié)果表

2.3.3溢洪道從零到最大泄流量時(shí)段排出的洪水總量計(jì)算

經(jīng)詳調(diào)確定，初擬溢洪道的斷面符合水力條件，溢洪道控制段凈寬為8.0m，堰上水深：設(shè)計(jì)洪水時(shí)2.5m，校核洪水時(shí)4.4m；溢洪道最大泄流量：設(shè)計(jì)洪峰流量50.4m3/s，校核洪峰流量110.8m3/s；溢洪道設(shè)計(jì)洪水時(shí)下泄洪量18.53萬(wàn)m3，校核洪水時(shí)下泄洪量28.81萬(wàn)m3；總庫(kù)容64.88萬(wàn)m3。

2.3.4剩余攔泥庫(kù)容計(jì)算

現(xiàn)狀已淤庫(kù)容為0.65萬(wàn)m3，根據(jù)調(diào)洪結(jié)果本次攔泥庫(kù)容為36.49萬(wàn)m3，故剩余攔泥庫(kù)容為35.84萬(wàn)m3。

3 骨干壩改建后分析

3.1 相對(duì)穩(wěn)定分析

對(duì)壩體改造后發(fā)現(xiàn)，在較小來(lái)水情況下，壩體既能保證攔蓄泥沙且不影響壩體種植利用，在較大暴雨洪水條件下，能夠及時(shí)防止水排走，改建后壩體達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 防洪能力分析

防洪能力分析計(jì)算骨干壩在改建后第5、第10、第15、第20、第25年的壩控流域面積(上游控制面積5.24km2)比例分別為100%、100%、100%、62.30%、32.20%，防洪能力滿足要求，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在使用年限達(dá)25年以上，其防洪能力下降較快，可以適當(dāng)進(jìn)行維護(hù)處理。

3.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析

工程改建后，攔泥庫(kù)淤積，不斷增加新的壩體面積，并能減少下游清淤和加堤費(fèi)用；與此同時(shí)，因該小流域地區(qū)屬于較缺水地區(qū)，蓄水后能夠更好地灌溉農(nóng)田，提高作物產(chǎn)量，項(xiàng)目15年內(nèi)預(yù)計(jì)效益為5312.99萬(wàn)元，取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)

本文通過(guò)以垣曲山區(qū)中閆家河小流域?yàn)槔?，根?jù)小流域內(nèi)骨干壩工程的現(xiàn)狀出發(fā)，在提高其防洪能力、攔泥和生產(chǎn)利用等方面的要求下，對(duì)原骨干壩進(jìn)行增設(shè)溢洪道等改建工程，并分析其改建后相對(duì)穩(wěn)定性、防洪能力及經(jīng)濟(jì)性。

(1)原骨干壩改建后，溢洪道最大泄流量：設(shè)計(jì)洪峰流量50.4m3/s，校核洪峰流量110.8m3/s；溢洪道設(shè)計(jì)洪水時(shí)下泄洪量18.53萬(wàn)m3，校核洪水時(shí)下泄洪量28.81萬(wàn)m3；均能滿足防洪設(shè)計(jì)要求。

(2)原骨干壩改建后，壩體相對(duì)穩(wěn)定性較好，具有較好的防洪攔泥功能，滿足目標(biāo)要求，但隨著使用年限的增加，需要對(duì)壩體進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)保證；另外增加了壩體面積，提高了作物產(chǎn)量，減少了清淤和加堤的費(fèi)用，整體經(jīng)濟(jì)性不錯(cuò)。