馬建業(yè), 張 揚(yáng),，袁水龍

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

淤地壩作為黃土高原治理水土流失的重要工程措施，在攔蓄徑流泥沙、調(diào)峰消能和利用水沙資源等方面發(fā)揮了積極作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過50多年的建設(shè)，黃土高原地區(qū)已經(jīng)建成淤地壩10萬余座，淤地面積達(dá)38萬hm2 [1]。然而，隨著淤地壩運(yùn)行時間的增加，部分淤地壩存在滯洪庫容不足的現(xiàn)象，加之初期設(shè)計(jì)有缺陷、施工質(zhì)量不高、管理措施不到位等多方面因素影響，在遇到連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致發(fā)生極端洪水事件時，會嚴(yán)重增加淤地壩的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，如何實(shí)現(xiàn)淤地壩工程的安全運(yùn)行成為亟待解決的問題。雖然部分學(xué)者針對病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固措施及運(yùn)行管理體制已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)分析[3-4]，但是隨著淤地壩的發(fā)展和生產(chǎn)建設(shè)的需要，一條溝內(nèi)可能會修建多座淤地壩，逐步在小流域溝道中形成壩系，由單壩相對平衡逐步發(fā)展成為壩系相對平衡[5]，而不同的壩系配置會影響流域的防洪標(biāo)準(zhǔn)。為此，研究者們在壩系調(diào)控效益及穩(wěn)定性、運(yùn)行管理措施方面做了一些工作[6-7]，但是壩系安全運(yùn)行保障等方面仍有不少技術(shù)問題亟待解決，尚未形成完整的技術(shù)體系，不能滿足對區(qū)域生態(tài)建設(shè)工程與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的科技支撐。而淤地壩系安全運(yùn)行保障技術(shù)是一種集風(fēng)險(xiǎn)診斷、安全運(yùn)行、布局配置為一體的技術(shù)體系，該技術(shù)體系的構(gòu)建對于提高流域壩系安全運(yùn)行管理水平具有重要的指導(dǎo)意義。

1 淤地壩系發(fā)展存在的問題

經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，黃土高原地區(qū)相當(dāng)一部分淤地壩，經(jīng)過多年淤積已喪失了繼續(xù)攔泥和防洪的能力，并且由于年久失修、設(shè)施老化，淤地壩工程基礎(chǔ)功能逐漸減弱甚至喪失，許多工程存在病險(xiǎn)安全隱患，潰壩風(fēng)險(xiǎn)日益增大，若不及時除險(xiǎn)加固，一旦失事，可能會威脅下游區(qū)域人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[8]。經(jīng)調(diào)查，目前黃土高原地區(qū)有中型以上病險(xiǎn)淤地壩5 282座，其中骨干壩3 025座、中型淤地壩2 257座，存在較大的安全隱患。有研究表明，淤地壩存在的問題主要集中于建設(shè)期和后期運(yùn)行管理中：建設(shè)期由于工程設(shè)計(jì)質(zhì)量不高、建設(shè)主體不明確、施工不規(guī)范、資金不到位等[9-10]，造成部分淤地壩工程質(zhì)量偏低；而后期運(yùn)行管理過程中則存在專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)缺乏，未形成有效的管護(hù)機(jī)制，淤地壩除險(xiǎn)加固矛盾突出等問題，極大地縮短了淤地壩使用年限。為確保淤地壩系安全運(yùn)行和功能的正常發(fā)揮，提出系統(tǒng)可行的運(yùn)行保障技術(shù)體系十分必要。

2 安全運(yùn)行保障技術(shù)內(nèi)容

淤地壩系安全運(yùn)行保障技術(shù)主要是通過辨識淤地壩系病險(xiǎn)類型及風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)特征，建立病險(xiǎn)淤地壩的快速診斷方法，提出淤地壩降等報(bào)廢和除險(xiǎn)加固辦法；闡明環(huán)境變化條件下淤地壩運(yùn)行特征和庫壩轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究有利于蓄洪與泄洪的淤地壩系級聯(lián)新型設(shè)計(jì)，促進(jìn)壩系上下聯(lián)合運(yùn)用，提出淤地壩系的安全運(yùn)行措施。該技術(shù)主要有三個方面，分別為淤地壩系風(fēng)險(xiǎn)診斷技術(shù)、安全運(yùn)行技術(shù)和壩系優(yōu)化布局配置技術(shù)。

2.1 淤地壩系風(fēng)險(xiǎn)診斷技術(shù)

淤地壩系風(fēng)險(xiǎn)診斷技術(shù)主要是通過層次分析確定影響壩系安全運(yùn)行的各影響因素如滯洪庫容、剩余庫容、壩高等因子的權(quán)重，篩選對壩系安全運(yùn)行影響較大的因子，建立小流域壩系安全性評價(jià)指標(biāo)體系，對小流域壩系穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行綜合評價(jià)和診斷的一種技術(shù)體系[11]，該體系由安全影響因素分析、病險(xiǎn)壩診斷和穩(wěn)定性評價(jià)3方面組成。研究表明，黃土高原地區(qū)影響淤地壩系安全的因素主要?dú)w納為4類：淤地壩投入運(yùn)行時間較長(滯洪庫容不足、泄水建筑物損壞)，淤地壩系設(shè)計(jì)不合理(串聯(lián)淤地壩較多)，淤地壩建設(shè)質(zhì)量較低(淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、攔泥庫容較小)，缺乏管護(hù)措施[2]。在遇到不同重現(xiàn)期超標(biāo)洪水的情況下，有發(fā)生壩體潰決的風(fēng)險(xiǎn)，對下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。而無論淤地壩系是處于初建階段、改(擴(kuò))建階段、調(diào)整階段還是相對穩(wěn)定階段，引起淤地壩水毀的主要原因均是暴雨洪水[11]。

根據(jù)《黃土高原地區(qū)中型以上病險(xiǎn)淤地壩認(rèn)定暫行辦法》要求，凡是下游有居民點(diǎn)、學(xué)校、工礦、交通等重要設(shè)施，對人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅的中型以上淤地壩皆為病險(xiǎn)壩。因此，在病險(xiǎn)淤地壩認(rèn)定前，應(yīng)先對壩體穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。該技術(shù)體系將壩系控制單元方法理論引入到壩系防洪安全研究中，以各壩系控制面積為標(biāo)準(zhǔn)將淤地壩劃分為骨干壩、中型壩、小型壩等不同等級壩系單元；分別對不同規(guī)格的壩體滲流與安全穩(wěn)定性及控制性壩的蓄洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。結(jié)合上游淤地壩配置數(shù)量、庫容和布局分析壩系的防洪標(biāo)準(zhǔn)，識別淤地壩體系中的關(guān)鍵淤地壩；構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評價(jià)體系，確定壩系中各級關(guān)鍵淤地壩的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，評價(jià)流域壩系的防洪能力，分析壩系的穩(wěn)定性。按風(fēng)險(xiǎn)值由高到低，可將其穩(wěn)定性劃分為Ⅰ～Ⅴ五個風(fēng)險(xiǎn)等級，分別為極危險(xiǎn)狀態(tài)、危險(xiǎn)狀態(tài)、一般危險(xiǎn)狀態(tài)、一般安全狀態(tài)及安全狀態(tài)[12]。同時對病險(xiǎn)淤地壩產(chǎn)生的原因、表現(xiàn)形式及潛在危害進(jìn)行分析，識別防洪能力較差的病險(xiǎn)淤地壩，建立病險(xiǎn)淤地壩的快速診斷模型。通過淤地壩系風(fēng)險(xiǎn)診斷技術(shù)體系，楊瑞等[11]完成了王茂溝流域23座淤地壩的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，表明大部分淤地壩接近安全狀態(tài)，只有在30年和100年一遇的洪水情況下可能處于危險(xiǎn)狀態(tài)，并識別出存在安全隱患的淤地壩，表明該技術(shù)體系在黃土高原地區(qū)具有較大的可行性[13]。

2.2 淤地壩系安全運(yùn)行技術(shù)

淤地壩安全運(yùn)行技術(shù)主要包括除險(xiǎn)加固、降等銷號和新型設(shè)計(jì)3個方面，通過對病險(xiǎn)壩的修復(fù)和消除、增加流域中符合新型設(shè)計(jì)理念的淤地壩數(shù)量，使得流域壩系處于安全系數(shù)達(dá)標(biāo)的狀態(tài)，這是保障流域淤地壩系安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。

雖然淤地壩系的大規(guī)模建設(shè)可以較大程度地保障淤地壩的安全運(yùn)行，但是由于淤地壩建設(shè)過程中，壩體數(shù)量較多、資金投入有限及管理不當(dāng)，多數(shù)淤地壩只有大壩和放水建筑物“兩大件”，泄洪設(shè)施不完善，并且壩體選址不科學(xué)、淤積年限過長、壩體出現(xiàn)裂縫等均會導(dǎo)致病險(xiǎn)淤地壩產(chǎn)生[14]。在遭遇極端降水條件下，會對下游區(qū)域產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)、造成災(zāi)害，并且隨著國家對防災(zāi)抗災(zāi)減災(zāi)和安全生產(chǎn)的要求越來越高，需要對這些存在安全隱患的病險(xiǎn)淤地壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固和降等銷號[15]。目前淤地壩的除險(xiǎn)加固措施主要有：①對于下游有村莊等重要設(shè)施的淤地壩，其主要加固措施為增設(shè)溢洪道或泄洪涵洞，提高工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)；②對于已達(dá)到或超過設(shè)計(jì)淤積高程的淤地壩工程，主要措施為加高；③對于由于放水建筑物損毀不能運(yùn)行的工程，常規(guī)方法是拆除已毀壞的混凝土，夯實(shí)地基后重新澆筑混凝土；④壩體有裂縫的工程，應(yīng)首先通過裂縫開挖、灌白灰水等方式查找形成裂縫的原因并探明裂縫深度，然后分段開挖進(jìn)行灌漿處理，通過灌漿使裂縫兩側(cè)土體與泥漿形成一個整體，能確保壩體的穩(wěn)定。其中，增設(shè)溢洪道是淤地壩除險(xiǎn)加固的主要建設(shè)內(nèi)容[16]。而對于通過風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)評估得到存在問題并且修復(fù)存在較大困難的淤地壩，則采用降等銷號的措施，以保證流域整體壩系的功能發(fā)揮和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

淤地壩進(jìn)行新型設(shè)計(jì)則是在綜合考慮流域的布壩密度、壩系配置比例、骨干壩控制面積、壩系建設(shè)時序、壩系穩(wěn)定階段等優(yōu)化布局與配置的基礎(chǔ)上，以淤地壩在流域中所發(fā)揮的功能來決定淤地壩的設(shè)計(jì)。其不僅考慮到單壩的壩址和壩高，還要考慮上游壩體對下游的攔水?dāng)r沙效應(yīng)。通過對壩系中不同級別類型的壩庫群的綜合利用，達(dá)到抵御大暴雨洪水，保證壩系的整體安全并盡可能多地?cái)r蓄泥沙的目的，從而優(yōu)選出最適合、具有壩系連鎖效應(yīng)的新型淤地壩設(shè)計(jì)方案。

2.3 淤地壩系布局配置技術(shù)

在黃土高原生態(tài)建設(shè)過程中，植被覆蓋度明顯增加，區(qū)域水文情勢會發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致不同階段的生態(tài)建設(shè)需求存在差異，部分流域壩系的建設(shè)規(guī)模、空間布局、建壩時序等重大決策也應(yīng)隨之發(fā)生調(diào)整，單壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有所不同。如高照良[17]在延河流域原有壩系基礎(chǔ)上對其重新進(jìn)行了規(guī)劃，在減少了一定數(shù)量的淤地壩后，延河流域的生態(tài)建設(shè)和人均耕地需求仍能得到保障。因此，探尋不同情勢下的壩系優(yōu)化布局配置技術(shù)，可有效提高淤地壩安全運(yùn)行效果、促進(jìn)壩系效益發(fā)揮、減少資金投入。淤地壩系布局配置技術(shù)主要包括壩系安全布局技術(shù)、壩系配置模式技術(shù)和壩系運(yùn)行管理技術(shù)。

壩系安全布局技術(shù)主要是通過小流域單元控制理論和高精度的DEM，劃分壩系單元，分析溝道特點(diǎn)，確定骨干壩、中小型淤地壩的布設(shè)位置，獲取相關(guān)施工參數(shù)，從安全效應(yīng)、防洪效應(yīng)和資金投入等方面綜合評價(jià)淤地壩空間布局，提出壩系安全布局技術(shù)。如姜彤等[18]基于壩系安全布局技術(shù)，結(jié)合張家溝流域的溝道特點(diǎn)和侵蝕特征，比選得到了該流域骨干壩布局的適宜數(shù)量。而壩系配置模式技術(shù)則是針對不同級別的淤地壩的合理配置技術(shù)體系，可實(shí)現(xiàn)骨干壩與中小型淤地壩之間、干支溝淤地壩之間的相互配合、聯(lián)合運(yùn)作，進(jìn)而達(dá)到分節(jié)分片控制，節(jié)節(jié)攔蓄的目的，能充分發(fā)揮壩系蓄洪、攔沙、淤地、生產(chǎn)等綜合功能和效益。如馬軼等[19]在綜合分析生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益的基礎(chǔ)上，在好水川流域構(gòu)建了壩系水資源優(yōu)化配置的技術(shù)模型。冉大川等[20]分析了大理河流域大、中、小型3類淤地壩不同配置比例下的流域減沙效益，認(rèn)為大型淤地壩減沙量是中型淤地壩的5.5倍，是小型淤地壩的 15倍，提出未來三種淤地壩比例為1∶3∶7的條件下，壩系減沙量可達(dá)最大，為最優(yōu)配置模式。

壩系運(yùn)行管理技術(shù)作為淤地壩安全運(yùn)行的有力保障，關(guān)鍵在于探究淤地壩產(chǎn)權(quán)制度改革和運(yùn)行管理模式，逐步建立起適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律、責(zé)權(quán)相統(tǒng)一的運(yùn)行管護(hù)機(jī)制[21]。淤地壩運(yùn)行過程中的問題多數(shù)是因?yàn)楹笃诠茏o(hù)不到位，造成安全隱患加劇，而通過有效的淤地壩系運(yùn)行管理機(jī)制，可以延長淤地壩的使用年限，有利于壩系工程更好地發(fā)揮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會功能。一般而言，不同級別的淤地壩運(yùn)行管理模式存在差異，如在壩系聯(lián)合運(yùn)用管理過程中應(yīng)遵循“上壩攔洪，下壩種地” “支溝攔洪，干溝種地”“舊壩加高加固，改變運(yùn)行方式”的運(yùn)行管理模式[22]。通過深翻、開挖溝壕、排水治堿、種植耐堿作物等措施改良土壤[23]。推行淤地壩產(chǎn)權(quán)制度改革，依照“誰受益、誰管護(hù)”的基本原則，實(shí)行崗位責(zé)任制，將淤地壩管理落實(shí)到每個責(zé)任人，定期對淤地壩壩體、溢洪道、放水設(shè)施進(jìn)行維護(hù)。加強(qiáng)淤地壩工程建設(shè)的質(zhì)量審批和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，以保障工程質(zhì)量[24]。設(shè)立淤地壩管理基金，為淤地壩管理和維修提供資金保證[25]。如在韭園溝流域已經(jīng)形成了3種經(jīng)濟(jì)效果顯著的壩系管理模式，分別為：①由群眾參股的股份合作制；②將淤地壩以市場價(jià)的形式租賃給群眾，并在規(guī)定年限內(nèi)還清租金的租賃經(jīng)營模式；③將壩地抵押給群眾以換取維修泄洪設(shè)施的資金抵押承包制[26]。

3 還需要解決的問題

雖然經(jīng)過了多年的探索，研究人員提出了安全運(yùn)行與管理的淤地壩安全運(yùn)行保障技術(shù)，但是該技術(shù)還存在較多的問題：①關(guān)鍵筑壩技術(shù)，如不同級別的淤地壩筑壩材料和筑壩工藝的選擇標(biāo)準(zhǔn)、快速筑壩技術(shù)的應(yīng)用等；②安全關(guān)鍵技術(shù)，舊壩的修復(fù)和新壩修建過程中，地質(zhì)地貌條件及地質(zhì)災(zāi)害對淤地壩安全運(yùn)行的影響及相應(yīng)的防治技術(shù)還有待解決；③運(yùn)行管理與產(chǎn)權(quán)制度，壩系后期運(yùn)行管理過程中如何實(shí)施產(chǎn)權(quán)制度改革、實(shí)行責(zé)任到人，以及如何為壩系維修和管理過程中提供可持續(xù)的資金仍然是目前研究的難點(diǎn)；④淤地壩淤積對小流域地下水位的變化影響及淤積后地質(zhì)災(zāi)害影響分析，現(xiàn)階段淤地壩建設(shè)過程中一般優(yōu)先考慮地形和洪水因素，而淤地壩效益評價(jià)方面主要為對農(nóng)作物產(chǎn)量及對地表環(huán)境的影響，較少涉及對地下水位的影響評估。淤地壩建設(shè)和淤積改變了流域原有地貌，隨著土層淤積厚度的增加，地下含水層承受的壓力不斷增大，可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，但有關(guān)淤地壩系建設(shè)對地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用還未見相關(guān)的研究報(bào)道[25]。因此，這些研究難點(diǎn)不僅是淤地壩安全運(yùn)行保障技術(shù)需要解決的問題，也是淤地壩研究方面的難點(diǎn)。

4 結(jié) 語

淤地壩安全運(yùn)行保障技術(shù)是通過風(fēng)險(xiǎn)診斷技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題，通過壩系安全運(yùn)行技術(shù)解決問題，以壩系布局配置技術(shù)保障淤地壩系后期的安全運(yùn)行，是一種科學(xué)、系統(tǒng)、可行的壩系安全運(yùn)行與管理的綜合調(diào)控技術(shù)理論體系，對黃土高原淤地壩系的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。但是目前壩系研究多停留在對三大子技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)問題的深入探討，使得各子技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用較少，但還未有以發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—預(yù)防問題的思路對3大子技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合。目前淤地壩安全運(yùn)行保障技術(shù)還主要專注于理論體系的建設(shè)階段，需要進(jìn)一步加強(qiáng)其在實(shí)踐中的指導(dǎo)作用。