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)槔罁?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)。
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
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。
(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。
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。
2.3.1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。
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。
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。
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。
本文通過(guò)以垣曲山區(qū)中閆家河小流域?yàn)槔鶕?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)。