蒲強(qiáng)（新疆維吾爾自治區(qū)水文局　新疆　烏魯木齊　830000）

流域泥沙資源優(yōu)化配置方法及技術(shù)研究

蒲強(qiáng)
（新疆維吾爾自治區(qū)水文局新疆烏魯木齊830000）

文章對(duì)流域泥沙災(zāi)害及其特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)流域泥沙資源優(yōu)化配置方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

流域泥沙；資源優(yōu)化；技術(shù)；方法

1　流域泥沙災(zāi)害及其特點(diǎn)分析

流域內(nèi)的泥沙產(chǎn)生與人類的頻繁活動(dòng)、植被減少、氣候變化、降雨等因素有著密切的關(guān)系。相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)河流多年平均輸沙量約為27億t左右，其中黃河與長(zhǎng)江流域的年輸沙量就高達(dá)21.3億t之多。泥沙作為一種資源，其具有雙重性，一方面泥沙能夠塑造平原陸地，另一方面泥沙會(huì)給人類的正常生活帶來災(zāi)害，由此所引起的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大?？蓪?duì)泥沙災(zāi)害進(jìn)行如下定義：由泥沙或是泥沙誘發(fā)給其它載體，對(duì)人類生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來的危害被統(tǒng)稱為泥沙災(zāi)害。流域泥沙的災(zāi)害類型及其特點(diǎn)如表1所示。

表1　　流域泥沙災(zāi)害的類型及其特點(diǎn)

1.1局部泥沙沖刷

建筑物修建在河岸附近時(shí)，會(huì)使河道內(nèi)的水體形成高速環(huán)流，由此便會(huì)產(chǎn)生局部沖刷，當(dāng)局部沖刷比較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性造成威脅，極有可能引起建筑物倒塌。

1.2泥沙淤積

根據(jù)泥沙淤積出現(xiàn)的部位不同，可將其細(xì)分為以下幾種情況：一是水庫泥沙淤積，由此產(chǎn)生的危害是庫容量減小，并且會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化；二是河道泥沙淤積，會(huì)使河床抬高，甚至?xí)纬蓱液?，還會(huì)導(dǎo)致兩岸土地鹽堿化程度加劇；三是湖泊泥沙淤積，會(huì)導(dǎo)致湖泊本身的調(diào)節(jié)能力減小，防洪效益會(huì)有所降低；四是河口及渠系泥沙淤積，會(huì)使防洪壓力和泥沙處理負(fù)擔(dān)增大。目前，我國(guó)黃河下游河道的泥沙淤積情況較為嚴(yán)重，平均每年的淤積量約為3億t，河床每年抬高的幅度為0.05m～0.10m左右。

1.3滑坡、泥石流

滑坡、泥石流均屬于山地災(zāi)害的范疇，由此引起的損失約占地質(zhì)災(zāi)害損失的一半左右，近十年來，由滑坡和泥石流引起的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失在萬元以上的災(zāi)害事件超過3萬起。當(dāng)滑坡或泥石流災(zāi)害發(fā)生時(shí)，不但會(huì)危及人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全，而且還會(huì)造成道路堵塞。據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)鐵路沿線分布的大中型滑坡約有上千處，每年會(huì)導(dǎo)致交通運(yùn)輸中斷50余次，嚴(yán)重的滑坡還會(huì)造成河流阻斷，甚至引發(fā)洪澇災(zāi)害。

1.4泥沙污染

據(jù)有關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)在最近二十年內(nèi)約有70%的河流受到不同程度的泥沙污染，其中污染比較嚴(yán)重的河流有150條，由于這些河流中的泥沙表面吸附了大量的污染物，即便外部水質(zhì)污染得到治理后，被污染的泥沙仍會(huì)形成新的污染源，從而對(duì)河水造成二次污染。

1.5土地沙化

由于粗砂大量淤積，致使土地沙化的面積不斷增大，黃河流域內(nèi)的土地沙化現(xiàn)象最為明顯，如引黃灌區(qū)渠首位置處的堆放的大量清淤泥沙，造成渠首附近土地沙化。

為了有效解決流域泥沙的災(zāi)害問題，應(yīng)當(dāng)采取有效的技術(shù)措施對(duì)泥沙資源進(jìn)行優(yōu)化配置，在減輕危害的同時(shí)，提高泥沙資源的利用效益。

2　流域泥沙資源優(yōu)化配置方法及關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)流域泥沙資源進(jìn)行優(yōu)化配置的最終目的是提高泥沙資源的利用效益，減輕泥沙的危害和由此引起的損失。

2.1流域泥沙資源優(yōu)化配置方法

流域泥沙資源的優(yōu)化配置涉及諸多方面的理論，如降雨、蒸發(fā)、侵蝕、護(hù)岸、產(chǎn)沙、滲漏以及坡面治理等。減少減沙是優(yōu)化配置的基礎(chǔ)，優(yōu)化過程則應(yīng)當(dāng)遵循河道輸沙規(guī)律進(jìn)行。大體上可將其理論框架歸納為以下兩個(gè)方面：一方面是分解協(xié)調(diào)，另一方面是多目標(biāo)優(yōu)化配置。

2.1.1分解方式

可將流域視作為一個(gè)大系統(tǒng)，采用水平的方式將系統(tǒng)分解為若干個(gè)分區(qū)，各個(gè)分區(qū)按其支流面積的大小再分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)中通常包含一個(gè)含沙量較大的直流以及一些與其水沙特性較為相近的小支流。一般不將含沙量較小的直流列入到計(jì)算范圍內(nèi)，系統(tǒng)出口的輸水與輸沙量可作為干流泥沙資源優(yōu)化配置的邊界條件。

2.1.2協(xié)調(diào)方法

對(duì)流域泥沙資源進(jìn)行優(yōu)化配置的過程中，需要采用一定的協(xié)調(diào)方法，借此來使大系統(tǒng)與各個(gè)分區(qū)的泥沙優(yōu)化配置目標(biāo)和配置變量具有可分離性，這樣能夠有效避免復(fù)雜的迭代計(jì)算，從而使流域泥沙的配置能夠得到逐層優(yōu)化。通常情況下，系統(tǒng)、子系統(tǒng)、各個(gè)分區(qū)的豐水、枯水、平水期都大體相同，在這一前提下，系統(tǒng)與分區(qū)之間的增沙量具有不可分離性，所以應(yīng)當(dāng)采用相應(yīng)約束條件的協(xié)調(diào)方法。例如，來沙總量與人為增沙量可按照如下方法進(jìn)行協(xié)調(diào)：各分區(qū)及子系統(tǒng)的總沙量與人為增沙量按協(xié)調(diào)前的比例，對(duì)上級(jí)配置單元進(jìn)行分配協(xié)調(diào)，這樣便可以使協(xié)調(diào)后的系統(tǒng)與各個(gè)分區(qū)的來沙總量與人為增沙量具有可分離性。

2.1.3多目標(biāo)優(yōu)化配置方法

對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的泥沙資源進(jìn)行優(yōu)化配置時(shí)，可以采用多目標(biāo)規(guī)劃層次分析法，整個(gè)配置層次包含總目標(biāo)層、子目標(biāo)層、效益指標(biāo)層、配置方式層以及相應(yīng)的配置措施等，各種減沙方式則包括具體的減少形式。

2.2優(yōu)化配置的關(guān)鍵技術(shù)措施

2.2.1引洪淤灌

流域內(nèi)的泥沙與該流域的土壤在元素上具有同一性，相關(guān)研究表明，汛期的泥沙具有一定的肥效，其能夠成為一種優(yōu)良的土壤改良劑。流域引洪淤灌的主要形式如下：淤改、稻改、渾水灌溉等，其具體作用是借助流域泥沙改善鹽堿地與坑洼地。例如，上個(gè)世紀(jì)90年代初期，黃河下游地區(qū)采用放淤改土的方法，改良土地23 萬hm2，發(fā)展水稻改地12萬hm2；而黃河上游則通過對(duì)高含沙水流進(jìn)行利用，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，由此不但緩解了作物干旱缺水的狀況，而且還進(jìn)一步擴(kuò)大了灌溉面積，同時(shí)還增加了肥力，淤灌后的作物產(chǎn)量獲得了顯著提升。由此可見，放淤改土和引洪灌溉能夠顯著提升鹽堿荒地的生產(chǎn)能力，既改善了灌區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)，又使大量的泥沙得以充分利用，緩解了泥沙淤積帶來的防洪壓力。

2.2.2淤臨淤背

該技術(shù)在我國(guó)黃河下游、海河河口以及洞庭湖水域均有所應(yīng)用，其主要作用是借助河道泥沙，提高防洪能力。在泥沙較多的河流上，僅憑借水流的自然沖刷是很難達(dá)到疏通河道的效果，而利用疏淤和放淤等技術(shù)手段進(jìn)行堤防淤臨淤背，除了可以達(dá)到加固堤防的目的外，還能進(jìn)一步增強(qiáng)河道自身的泄洪能力。此外，淤背是靠近河道大堤背后布設(shè)沉砂池，經(jīng)沉砂之后的水能夠用于農(nóng)田灌溉，這樣一來水資源和泥沙都獲得了有效利用。如黃河下游的一些灌區(qū)中采用了淤背技術(shù)，不僅加固了黃河大堤，還實(shí)現(xiàn)了清水灌溉的目的，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益得到了大幅度提高。

2.2.3填海造地

泥沙本身是自然界的產(chǎn)物，在人類尚未出現(xiàn)前，泥沙已經(jīng)在大自然的作用下開始了堆積造地的過程，由高處侵蝕所產(chǎn)生出來的大量泥沙堆積到了流域的低洼處，形成了人類賴以生存的土地資源，截止到今日，這一過程仍在繼續(xù)。我國(guó)的河流每年挾帶入海的泥沙將近20億t左右，這些泥沙中的絕大部分全都堆積在河口，由此使得海岸線不斷向大海推進(jìn)，通過人工的方式進(jìn)行填海造陸，將海上采油變?yōu)殛懙夭捎?，由此能夠產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.4用泥沙加工建材

在我國(guó)古代，人們便開始從河道中挖取泥沙來燒制建材，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)沙石料的需求量日益增大，河道采沙現(xiàn)象越來越普遍。由于北方河流中的泥沙相對(duì)較細(xì)，無法直接作為建材使用，但卻可將之轉(zhuǎn)化為建筑材料。如可將洪水泥沙引入到磚廠的取土坑內(nèi)淤積，由此產(chǎn)生的清水可用于農(nóng)田灌溉，淤改后的土地即可還耕，又能供磚廠取土之用。

3　結(jié)語

綜上所述，流域泥沙雖然具有一定的危害性，但若是對(duì)其進(jìn)行合理的利用，則能夠在減輕泥沙危害的同時(shí)，發(fā)揮出其資源效益。為此，應(yīng)當(dāng)在對(duì)泥沙特性進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，采取科學(xué)、可行的優(yōu)化配置方法，并輔以相應(yīng)的技術(shù)措施，使泥沙資源得到有效的利用。陜西水利

［1］王延貴，胡春宏.流域泥沙的資源化及其實(shí)現(xiàn)途徑［J］.水利學(xué)報(bào)，2013（1）:21-24.

［2］胡春宏，王延貴.流域水沙資源配置的調(diào)控技術(shù)與措施［J］.水利水電技術(shù)，2014（8）:55-57.

［3］趙海鏡.黃河上中游干支流輸沙特性及其流域泥沙優(yōu)化配置研究［D］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.2013.

［4］陳緒堅(jiān).流域水沙資源優(yōu)化配置理論與模型及其在黃河下游的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2013（12）:46-48.

［5］毛偉兵，王景元，張玉明.小開河引黃灌區(qū)泥沙資源的合理利用與優(yōu)化配置［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（12）:79-81. ［6］李寧，楊寶中，林斌文.引黃灌區(qū)水沙綜合利用及渠首治理 ［J］.泥沙研究，2012（2）: 39-43.

（責(zé)任編輯：李蕊）

S275

B