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        延安市淤地壩示范壩系建設(shè)及監(jiān)測(cè)體系布置

        2016-06-29 01:33:08
        關(guān)鍵詞:淤地壩延安市監(jiān)測(cè)

        蘇 瑜

        (安塞縣水資源辦公室,陜西 延安 717400)

        延安市淤地壩示范壩系建設(shè)及監(jiān)測(cè)體系布置

        蘇瑜

        (安塞縣水資源辦公室,陜西 延安 717400)

        摘要:延安市淤地壩建設(shè)歷史悠久,但淤地壩系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和研究卻相對(duì)滯后。為認(rèn)識(shí)和掌握淤地壩對(duì)流域水沙的攔截、調(diào)節(jié)和蓄存機(jī)理,揭示壩系相對(duì)穩(wěn)定規(guī)律,分析坡面侵蝕與溝道侵蝕間的相互聯(lián)系和作用,選擇距延安市8 km的麻莊流域、50 km的高莊流域開展淤地壩示范壩系建設(shè),通過分析壩系概況、監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法,提出了科學(xué)的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布置方案。

        關(guān)鍵詞:延安市;淤地壩;監(jiān)測(cè);建設(shè);研究

        1概況

        1.1流域基本情況

        麻莊流域位于寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn),為延河二級(jí)支流,流域面積58.63 km2[1]。屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)過渡地帶,流域溝壑密度3.2 km/km2,多年平均侵蝕模數(shù)為6500 t/(km2·a)。流域內(nèi)土壤主要是黃綿土、紅壚土和紅膠土,抗侵蝕能力低。流域林草覆蓋率59.2%,多年平均降水量567.1 mm,降水年際變化大,且多以暴雨形式出現(xiàn)。流域主溝和較大支溝有常流水,流量為0.0007 m3/s。流域涉及寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn)的8個(gè)行政村2680人。

        高莊流域位于寶塔區(qū)梁村鄉(xiāng),屬延河三級(jí)支流,流域總面積 33.62 km2。屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū),流域主溝道長(zhǎng)15.1 km,溝壑密度1.82 km/km2,多年平均降水量484.2 mm,主溝道有長(zhǎng)流水,流量約0.03 m3/s,平均侵蝕模數(shù)高達(dá)12 000 t/(km2·a)。流域區(qū)土壤主要是黃綿土、粉質(zhì)壤土和紅膠土,流域內(nèi)植被覆蓋率38.25%。流域涉及1個(gè)鄉(xiāng)、5個(gè)行政村,總?cè)丝?280人。

        1.2壩系建設(shè)規(guī)模

        麻莊流域建設(shè)淤地壩30座(其中配套加固6座),總控制面積57.22 km2,總庫容596.40萬m3,淤地面積47.22 hm2。高莊流域建設(shè)淤地壩40座,總控制面積30.15 km2,總庫容881.70萬m3,淤地面積100.10 hm2。

        2監(jiān)測(cè)體系建設(shè)原則和目標(biāo)

        2.1建設(shè)原則

        淤地壩示范壩系監(jiān)測(cè)體系建設(shè),應(yīng)堅(jiān)持監(jiān)測(cè)與生產(chǎn)運(yùn)用和科研相結(jié)合、近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合、不同空間尺度相結(jié)合,還應(yīng)遵循系統(tǒng)性、實(shí)用性、先進(jìn)性和標(biāo)準(zhǔn)化原則。2個(gè)示范壩系的監(jiān)測(cè)體系建設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌考慮,各有側(cè)重,避免重復(fù)投資;對(duì)2個(gè)示范壩系的蓄水?dāng)r沙、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,以及淤地壩的主要指標(biāo)和溝道、坡面的水土流失等進(jìn)行系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)和研究。

        2.2建設(shè)目標(biāo)

        結(jié)合流域水土流失和壩系建設(shè)特點(diǎn),通過布設(shè)雨量站、徑流站、徑流小區(qū)、壩體監(jiān)測(cè)站和GPS網(wǎng)等,采取自動(dòng)遙測(cè)、人工監(jiān)測(cè)、調(diào)查統(tǒng)計(jì)等方法,實(shí)現(xiàn)降水、徑流、泥沙、壩體變形、滲透等信息的監(jiān)測(cè),快速獲取淤地壩系建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的水文氣象及淤地壩運(yùn)行情況信息。各流域需布設(shè)的站網(wǎng)情況如表1。

        表1 站網(wǎng)布設(shè)情況匯總表

        3監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

        3.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容

        監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括水沙監(jiān)測(cè)、壩體監(jiān)測(cè)和效益監(jiān)測(cè)。

        3.1.1水沙監(jiān)測(cè)

        監(jiān)測(cè)流域降雨、水位、含沙量、地下水位等水文泥沙信息,以及日照、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、蒸發(fā)等氣象信息[2]。包括坡面水土流失規(guī)律觀測(cè)、溝道侵蝕和重力侵蝕監(jiān)測(cè)以及壩系水沙監(jiān)測(cè)等。

        3.1.2壩體監(jiān)測(cè)

        淤地壩壩體監(jiān)測(cè)包括變形和滲流。變形監(jiān)測(cè)包括表面變形、裂縫及接縫和岸坡位移;滲流監(jiān)測(cè)包括滲流量和壩體滲流壓力(即觀測(cè)斷面上的壓力分布和浸潤(rùn)線位置)。

        3.1.3效益監(jiān)測(cè)

        監(jiān)測(cè)淤地壩建設(shè)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的影響,包括流域及其典型地塊的植被度、土壤理化性質(zhì)、水質(zhì)及小氣候等,以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

        3.2監(jiān)測(cè)方法

        3.2.1自動(dòng)遙測(cè)

        典型的自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)可由遠(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站、現(xiàn)場(chǎng)總控站、中繼站、遠(yuǎn)程監(jiān)控總站和通信網(wǎng)、主控中心等構(gòu)成[3]。為節(jié)約投資和減少監(jiān)測(cè)人員,高莊流域不建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控總站,而通過中繼站將信號(hào)傳送到麻莊流域的遠(yuǎn)程監(jiān)控總站。而且高莊、麻莊2條流域示范壩系監(jiān)測(cè)體系共同承擔(dān)1個(gè)主控中心的建設(shè)費(fèi)用。

        3.2.2人工監(jiān)測(cè)

        由于現(xiàn)階段技術(shù)手段的限制,有些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目無法進(jìn)行自動(dòng)遙測(cè),如淤地壩庫容淤積等;有些項(xiàng)目1年只需進(jìn)行幾次監(jiān)測(cè),如土壤理化性質(zhì)、水質(zhì)、地下水水位等;同時(shí)為校核自動(dòng)遙測(cè)數(shù)據(jù)的正確性和精確度,及考慮到自動(dòng)遙測(cè)的費(fèi)用較高等因素,也需必要的人工監(jiān)測(cè)。人工監(jiān)測(cè)包括長(zhǎng)期駐測(cè)和臨時(shí)定位監(jiān)測(cè)等[4]。其中定位法是用GPS、全站儀等測(cè)出每次暴雨洪水前后高精度(厘米級(jí))三維地形坐標(biāo),通過兩次測(cè)量結(jié)果的比較,監(jiān)測(cè)每次暴雨洪水治理溝和未治理溝溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張,及溝道下切的長(zhǎng)度、寬度、深度和侵蝕量,監(jiān)測(cè)淤地壩的減蝕作用、庫容淤積和壩體位移等。埋樁法是在治理溝和非治理溝中,從溝口至溝頭,按侵蝕輕重情況,劃分成2~3段,選擇2~3個(gè)固定斷面,設(shè)置永久性水準(zhǔn)標(biāo)志,利用全站儀等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        3.2.3調(diào)查統(tǒng)計(jì)

        用于監(jiān)測(cè)崩塌、瀉溜、滑坡、泥石流等重力侵蝕,以及生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益等。包括遙感普查、典型調(diào)查和抽樣調(diào)查等。

        4站網(wǎng)布設(shè)

        4.1水沙監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)

        4.1.1雨量站網(wǎng)布設(shè)

        麻莊流域:根據(jù)該流域以梁為主,梁頂間偶有孤立峁,近分水嶺處以寬梁、長(zhǎng)梁居多,溝口處以短梁居多的特征,共布設(shè)11個(gè)遙測(cè)雨量站,平均1個(gè)雨量站控制5.33 km2;在典型小流域柳溝上、下游和寺溝的下游的遙測(cè)雨量站內(nèi),各布設(shè)1個(gè)自計(jì)雨量計(jì);柳溝下游同時(shí)布設(shè)1個(gè)氣象園。

        高莊流域:該流域形狀狹長(zhǎng),共布設(shè)6個(gè)遙測(cè)雨量站,平均1個(gè)雨量站控制5.60 km2;在流域下游和左莊溝的遙測(cè)雨量站內(nèi),各布設(shè)1個(gè)自計(jì)雨量計(jì);流域下游布設(shè)1個(gè)氣象園。

        4.1.2徑流站網(wǎng)布設(shè)

        麻莊流域:該流域治理程度較高,右岸和流域上游部分,天然次生林較多,而左岸坡耕地較多,治理程度較低,水土流失較嚴(yán)重;同時(shí)流域右岸溝道發(fā)育已基本穩(wěn)定,相對(duì)高差、地面坡度、溝道比降都較左岸小。故選擇流域左岸建設(shè)3座中小型淤地壩的柳溝(2.37 km2)和右岸建設(shè)1座骨干壩、2座中小型淤地壩的寺溝(4.80 km2)作為典型小流域,進(jìn)行壩系水沙演進(jìn)過程、溝道侵蝕等監(jiān)測(cè),并布設(shè)壩體監(jiān)測(cè)站和徑流小區(qū)。選擇未安排淤地壩的橋溝(0.86 km2)作為未治理溝,與柳溝和寺溝對(duì)比,進(jìn)行對(duì)比溝監(jiān)測(cè)。在非治理溝橋溝出口,布設(shè)三角量水槽;在典型小流域柳溝和寺溝的每座淤地壩下,結(jié)合淤地壩放水明渠布設(shè)梯形量水槽,并在柳溝出口的龍寺村建1座現(xiàn)場(chǎng)總控站。

        高莊流域:該流域右岸和流域上游治理程度較高,左岸治理程度較低,溝道比較發(fā)育。在流域左岸下游選擇建設(shè)1座骨干壩的支溝左莊溝(1.19 km2)作為治理溝,未安排淤地壩的支溝石溝子(0.37 km2)作為非治理溝,進(jìn)行對(duì)比溝水沙監(jiān)測(cè)。結(jié)合淤地壩放水明渠,在左莊溝骨干壩下布設(shè)梯形量水槽;在非治理溝石溝子出口布設(shè)三角量水槽。

        4.1.3徑流小區(qū)布設(shè)

        徑流小區(qū)布設(shè)主要考慮土地利用、坡度、坡長(zhǎng)和不同地貌部位等因素。根據(jù)站網(wǎng)布設(shè)原則,考慮麻莊流域的典型小流域柳溝和寺溝,治理程度差別較大,但地形比較完整,在這2條小流域內(nèi),選擇自然條件、土壤剖面、土壤理化性質(zhì)等一致的坡面布設(shè)徑流小區(qū)51個(gè)。徑流小區(qū)一般采用人工觀測(cè),全坡長(zhǎng)小區(qū)采用自動(dòng)遙測(cè)。高莊流域不布設(shè)徑流小區(qū)。

        4.2淤地壩庫容淤積監(jiān)測(cè)布設(shè)

        在2條流域內(nèi)選擇14座淤地壩進(jìn)行庫容淤積監(jiān)測(cè)。麻莊流域在柳溝和寺溝內(nèi)選擇6座淤地壩;高莊流域在干溝的上、中、下游和支溝左莊溝、高莊溝內(nèi)選擇8座(分別為閃天玉壩、高家溝壩、呼家灣壩、左莊壩、高莊溝骨干壩,高莊溝1#、2#、3#壩)淤地壩。在這些淤地壩迎水坡面設(shè)置永久固定水尺,同時(shí)自溝道入庫區(qū)直至壩前設(shè)置2~3個(gè)觀測(cè)斷面,并布設(shè)水尺,進(jìn)行淤地壩庫容淤積監(jiān)測(cè);在淤地壩附近布設(shè)地下水水位觀測(cè)設(shè)施。

        4.3壩體監(jiān)測(cè)布設(shè)

        壩體變形的水平位移和岸坡位移利用布設(shè)的GPS網(wǎng)采用定位法監(jiān)測(cè);豎向位移觀測(cè)即沉降,可采用埋設(shè)沉降管、沉降環(huán)的方法來完成,埋設(shè)可隨壩體填筑完成,也可在工程完成后,通過打孔完成儀器的安裝埋設(shè)。

        壩體滲流壓力觀測(cè)可在壩體橫斷面內(nèi)間隔同樣高程等距離地布置滲壓計(jì),由滲壓計(jì)測(cè)值加測(cè)點(diǎn)對(duì)基準(zhǔn)面的位勢(shì)得出測(cè)點(diǎn)的總勢(shì)能,便可繪出斷面的等勢(shì)線和浸潤(rùn)面;在壩址下游附近布設(shè)導(dǎo)滲溝,導(dǎo)滲溝出口設(shè)量水堰觀測(cè)其滲流量。

        壩體監(jiān)測(cè)布設(shè)按不同施工方式、土質(zhì)類別、壩高、壩坡坡比和岸坡削坡的不同組合進(jìn)行,施工方式考慮碾壓、水墜、定向爆破三種;壩高按30 m以上、20~30 m、10~20 m考慮;壩坡坡比水墜施工按1∶2.25~1∶2.75,碾壓施工按1∶1.25~1∶2.0考慮;岸坡削坡考慮1∶1~1∶1.5。按上述不同因素的組合,結(jié)合淤地壩建壩實(shí)際,麻莊流域選擇5座淤地壩,采用自動(dòng)遙測(cè)結(jié)合人工監(jiān)測(cè)的方式,監(jiān)測(cè)壩體的變形和滲流。高莊流域不進(jìn)行壩體監(jiān)測(cè)。

        4.4效益監(jiān)測(cè)布設(shè)

        為準(zhǔn)確反映項(xiàng)目實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益,在項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi),以村民小組為單元,分典型農(nóng)戶和典型地塊兩個(gè)層次布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)長(zhǎng)期固定,連續(xù)監(jiān)測(cè)。麻莊流域和高莊流域每個(gè)村民小組布設(shè)一組典型農(nóng)戶,每組典型農(nóng)戶由好、中、差各1戶組成。上述2條流域的壩地一般種植玉米,梯田一般種植豆類、糜谷、玉谷,坡耕地一般種植土豆、豆類、糜谷、草。壩地的布設(shè)考慮開始耕種和耕種多年兩種情況,并按流域位置(分干溝和支溝的左右岸組合)布設(shè),每塊壩地一般為0.033~0.067 hm2;梯田和坡耕地的布設(shè)考慮半陽坡、半陰坡和作物種類,每塊梯田和坡耕地一般為0.067 hm2。生態(tài)效益監(jiān)測(cè)的植被樣方布設(shè)和水質(zhì)、土壤取樣地點(diǎn)結(jié)合淤地壩庫容淤積監(jiān)測(cè)和典型地塊進(jìn)行。

        4.5GPS網(wǎng)布設(shè)

        在麻莊流域的支溝柳溝上游流域分水嶺處、馬克義溝右岸中游流域分水嶺處、大吳家溝上游流域分水嶺處,各分布1個(gè)三角點(diǎn),高程分別為1361.0 m、1307.4 m、1413.8 m;在高莊流域的左莊自然村東北約2 km的山頭和石家灣自然村北2 km的高圪垯分布的三角點(diǎn)高程分別為1331.1 m、1416.1 m,同時(shí)距高莊流域分水線8 km內(nèi)還在李家峁(高程為1335.7 m)、張家峁(高程為1341.73 m)等處也分布著一些高程點(diǎn)。GPS網(wǎng)的布設(shè),應(yīng)充分利用原有的高程點(diǎn),同時(shí)在治理溝和非治理溝及典型小流域中,需加密GPS網(wǎng)點(diǎn)[5],以保證能滿足大比例尺(如1∶500或更大)GPS測(cè)圖的要求;同時(shí),在各流域現(xiàn)場(chǎng)總控站和需要進(jìn)行壩體和淤積觀測(cè)的淤地壩附近,也應(yīng)加密GPS網(wǎng)點(diǎn)。

        麻莊、高莊流域GPS網(wǎng)新布網(wǎng)點(diǎn),分別不少于9個(gè)、8個(gè),應(yīng)滿足全流域,尤其是典型小流域等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要。

        5結(jié)語

        淤地壩建設(shè)的目的是攔泥蓄水淤地,減少入黃泥沙,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收,屬社會(huì)公益事業(yè)。作為淤地壩建設(shè)的配套項(xiàng)目,壩系監(jiān)測(cè)與科研的目的是認(rèn)識(shí)和掌握淤地壩建成后流域的水沙規(guī)律,跟蹤工程建設(shè)質(zhì)量。通過科學(xué)布設(shè),可以積極反饋淤地壩建設(shè)后流域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,為宏觀決策提供依據(jù)。

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        作者簡(jiǎn)介:蘇瑜(1982-),女,工程師,主要從事水土保持、水資源管理與保護(hù)工作。

        中圖分類號(hào):TV649

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):2096-0506(2016)04-0077-04

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