综合平衡法在阳坡坝系规划中的应用

宋万兔

(忻州市水利局，山西 忻州034000)

综合平衡法在阳坡坝系规划中的应用

宋万兔

(忻州市水利局，山西 忻州034000)

综合平衡法； 规划；坝系； 阳坡流域

坝系综合平衡规划，就是把沟道中的坝库作为主要研究对象，在对其性质、运行规律充分认识的基础上，根据坝库工程的诸多特性，以投入最小(或经济效益最大)作为目标，对拦沙淤地、防洪、安全生产问题等进行综合评价，借助现代技术手段和专家智能，寻求其系统内诸多因素的最优组合。以阳坡坝系工程所获得的建设方案为例，介绍了综合平衡法在流域治沟工程规划中的应用方法。论证结果表明：该坝系的结构与布局合理，建设目标实现后，坝系防洪能力达到防御100年以上一遇洪水标准，水资源得到充分利用，坝系进入安全状态，坝地作物基本保收。

阳坡流域是三川河的二级支流，位于山西省离石市城区东北13 km，地处北纬37°33′50″～37°41′24″,东经111°13′08″～111°24′38″。流域呈阔叶状不对称形，流域面积133 km2。主沟长21.5 km，平均比降16.0‰。沟壑密度4.45 km/km2，沟壑面积占总面积的40%。流域地形东北高西南低，海拔1 075～1 954 m，地面平均坡度为24.98°。该流域属典型的黄土丘陵沟壑区地貌，其面积为107 km2，占流域总面积的80.5%;流域上游为土石山区地貌，面积为26.0 km2，占流域总面积的19.5%。该流域属北温带半干旱大陆性气候，最高气温36.9 ℃，最低气温-27.9 ℃，多年平均气温7.9 ℃，年蒸发量1 854 mm。多年平均降水量493.8 mm，年际变化在229.0～763.7mm之间，降水量多集中在7、8、9三个月。

阳坡流域水土流失面积120 km2，占流域总面积的90%。黄土丘陵沟壑区植被稀少，水土流失严重，泥沙主要由坡面侵蚀和沟蚀产生；土石山区流失泥沙主要由切沟侵蚀产生。流域泥沙主要来源于流域中下游的黄土丘陵沟壑区。

1 水土保持治理概况

阳坡流域水土保持治理始于20世纪50年代，截至2001年底,流域内有林、草面积4 962 hm2,基本农田470 hm2,坡耕地3 106 hm2,治理度40.8%。骨干坝14座,中小型坝33座，中小型坝均没有完善的泄洪设施，大多数坝只在岸边留土质溢洪道，2001年底已全部开始排洪。淤地坝情况见表1。

表1 阳坡流域淤地坝情况

在过去的坝系建设中，主要存在如下问题：

(1)受经济技术方面的原因影响，对骨干坝的布局、中小型坝的配置，以及建坝时序等问题缺乏科学、系统的规划。

(2)坝系整体水沙控制能力和防洪保收能力差,沟道工程较少且主要分布在中下游的几条支沟中，分布不均衡，急需增设骨干坝。

(3)普遍存在重建设、轻管护的问题。

2 坝系规划

阳坡流域是“十五”黄河水土保持生态工程重点坝系建设项目之一，2002年对该流域开展了坝系可行性研究编制工作，利用综合平衡法对流域坝系建设进行规划。以地形地貌特征、洪水泥沙特点、造成水土流失的成因，以及空间分布规律为基础，经过对淤地坝建设坝址的实地勘测、建设目标的论证分析和方案比选，明确了该流域坝系的建设任务和工程布局，并确定了适合该地区实际的淤地坝建设管理模式。综合平衡坝系规划流程见图1。

2.1 总体思路

利用综合平衡法进行坝系规划，立足于对阳坡流域洪水泥沙的长期控制，充分利用水沙资源优势，发挥坝系拦泥、滞洪、淤地、灌溉等效益，以农业生产与生态环境的协调统一、实现坝系相对平衡稳定与保收为目标，总体思路是：

(1)流域上游的土石山区植被茂密，降雨丰沛，侵蚀强度较小，因此在工程布局上，可以通过合理布置骨干工程控制洪水，减小下游防洪压力,并为下游发展灌溉提供水源，增加水产养殖面积。

图1 综合平衡法坝系规划流程

(2)流域中下游的黄丘区是人类活动的主要区域，居民大部分居住于主沟道两侧，农地广布。该区降雨相对较少，植被稀疏，水土流失严重，是坝系建设工程布局的重点区域。因此该区域工程布局应以骨干工程与淤地坝相配套,大、中、小相结合,在确保防洪安全的基础上,以控制泥沙流失、发展坝地为重点,充分利用水沙资源。

(3)从建设相对稳定坝系的要求出发，整个流域沟道工程应形成一个体系，以最大限度地控制全流域的洪水泥沙。因此应在主沟选择条件适宜的沟道建设骨干坝，起到“上拦下保”的作用，同时，通过工程方案对比，对骨干坝和生产坝坝址的布置进行优化。

2.2 土壤侵蚀模数确定

土壤侵蚀模数是关系到坝系规划的关键指标，对确定坝系工程的布局与规模具有举足轻重的作用。通过查算水文手册，采用淤地坝淤积量推算法，确定阳坡流域侵蚀模数为：黄丘区10 000 t/(km2·a),土石山区5 000 t/(km2·a),全流域平均侵蚀模数9 022.3t/(km2·a)。

2.3 坝系建设目标与任务

阳坡流域建坝资源丰富,降水相对较多,天然径流量较大，且坝系建设具有一定的基础，但存在着水土流失严重、农业经济发展滞后的劣势。坝系建设目标分别从拦沙、发展坝地和坝地防洪保收等几个方面进行分析论证。

(1)按拦沙确定建设规模。根据流域的地形地质条件，充分考虑沟道内坝系工程建设现状和工程设计标准，坝系工程可控制面积约115 km2，占总面积的85%以上。按照前20年内流域水土流失面积基本得到有效控制，实现泥沙不出沟的目标要求，需新增拦泥库容870万m3。根据淤地坝统计资料，在黄土丘陵沟壑区，一般拦泥库容占总库容的70%左右，以此推算流域需建设工程总库容1 240万m3。参照晋西地区坝系建设研究成果，在黄土丘陵沟壑区，一般建设骨干坝、中型坝、小型坝的比例为1 ∶3 ∶3[1]，故流域需新建骨干坝11座、中型坝33座、小型坝33座，可新增坝地约153 hm2。

(2)按坝地确定建设规模。该流域建坝条件较好，有丰富的坝地建设潜力，按照人均667 m2(1亩)坝地的建设目标，推算到30年计算期末流域总人口4 790人，需坝地319.5 hm2，扣除现有淤地坝可淤坝地面积177.6 hm2，需新增坝地约141.9 hm2。

(3)按坝系相对平衡确定规模。本次规划以初步实现坝系相对平衡，坝系满足10%洪水频率下坝地保收为目标，按照当年7月中旬淹没水深不大于0.8 m的边界条件推算，坝系工程控制面积115 km2，需坝地面积296.5 hm2，扣除现有淤地坝可淤坝地面积177.6 hm2，需新增坝地面积118.9 hm2。

按照坝系的现状评价情况，14座骨干坝中有9座在近15年内可以安全运行，5座需要加固，还须控制39.6 km2的流域面积才能达到控制流域面积占总面积85%以上的目标，因此需新建骨干坝加大流域控制面积。坝系目标建设指标见表2。

综合以上分析结果，初步确定本规划建设目标为： 在20年的运行期内，坝系工程建设总库容增加1 210.87万m3，新增拦沙能力858.87万m3，年拦沙能力达到85万m3；新增坝地面积142.12 hm2，累计坝地面积达到254.52 hm2。

表2 坝系目标建设指标

基于建设目标，确定了建设任务：①新建一批控制性的骨干坝;②对部分重要的淤地坝进行必要的配套加固;③合理配置一批中、小型淤地坝;④在流域上游选择合适位置布置2～3座塘坝，解决中下游耕地的灌溉和部分村庄人畜饮用水困难。

3 坝系工程布局

3.1 布局原则

(1)以骨干坝为主体，合理布设中、小型淤地坝，使坝系形成具有滞洪、拦泥、淤地、养殖、灌溉等多种功能的沟道工程体系[2]。

(2)流域总体上以支毛沟内新建中、小型坝控制泥沙削减洪峰，减轻下游主沟道工程的防洪压力；主沟道以配套完善现有坝系工程为主要措施，充分利用现有坝地发展生产。

(3)流域上游的土石山区以布置控制性的骨干坝为主，控制和调蓄洪水，为下游沟道工程建设和坝地安全生产创造条件。

(4)从有利于坝地生产、管理，最大限度发挥投资效益等方面考虑，在黄土丘陵沟壑区靠近村庄的支毛沟中加大淤地坝布置密度。

3.2 方案设置

通过实地查看，根据布局原则，以明显改变坝系的拦泥、防洪功能为目标，设置以下两个比选方案：

(1)方案一。以骨干坝为主，同时适当布设中小型坝，使各个小流域形成由骨干坝和中小型坝组成的独立坝系。该方案的特点是，中小型坝成地速度快，洪水泥沙就近拦蓄，可以抬高侵蚀基准面，减轻沟蚀，改善生态环境效果显著，但投资较大。该方案新建骨干坝13座，改建骨干坝5座，新建中小型坝29座。

(2)方案二。骨干坝的布局与方案一相同，即新建13座、改建5座。在骨干坝控制区域内不再新建中小型坝，只在骨干坝未控区域建设5座中小型坝。

各方案的主要技术经济指标见表3。

表3 主要技术经济指标

4 方案比选

4.1 坝系淤积面积比较

两方案的坝系淤积面积比较见表4。

表4 坝地淤积面积

方案一：到2019年(第18年)，全流域坝系淤地面积达到292.70 hm2，到2031年(第30年)时，全流域坝系淤地面积达到397.90 hm2。

方案二：全流域坝系淤地面积与方案一最为接近的是2024年(第23年)，淤地面积为291.80 hm2，到2031年(第30年)全流域坝系淤地面积为335.90 hm2。

到2031年，方案一比方案二坝地面积总体增加62.00 hm2。

4.2 经济效益分析

经计算，方案一、二的动态净效益分别为342.9万元、215.2万元，动态效益费用比分别为1.280、1.222，动态回收年限分别为15年、17年。从经济效益角度讲,方案一优于方案二。

4.3 防洪能力分析

防洪能力是指坝系工程抵御校核洪水的能力。根据坝系布局设防标准，坝系防洪任务应由骨干坝来承担，故以骨干坝控制区域为单元进行分析[2]，对于有拦洪拦沙能力的中小型坝将水沙拦在坝内，对建有溢洪设施的骨干坝在淤至设计高程时水沙进入下一单元进行分析。

4.3.1 滞洪拦蓄能力

两个方案的骨干坝布局都相同，新建13座、加固5座(其中2座是现状骨干坝加固)，另外还有9座现状骨干坝，共27座骨干坝承担防洪任务，控制流域面积116.56 km2；按27个单元分析，骨干坝外有3个中型坝合并为1个单元分析，共28个分析单元。两个方案的骨干坝都具有相同的控制流域面积，但方案一中每个分析单元配置中、小型坝拦蓄洪水、泥沙，而方案二的洪水、泥沙直接进入骨干坝库区。由于方案一的中、小型坝通过工程拦蓄减小了沟道比降，大大减低了洪水和泥沙的流动速度，降低了水流、泥沙的移动能力，因此方案一滞洪拦沙能力优于方案二。

4.3.2 坝控有效面积

有效控制率是指淤地坝在遭遇某频率的洪水情况下能正常拦洪拦沙的坝控面积与流域总面积之比，该数越大，说明防御不同频率洪水的能力就越高。通过分析发现，两方案前10年能力几乎相同，以后就有较大差值。在200年一遇洪水条件下，方案一与方案二相比，第15年、第20年、第25年、第30年各个时刻的骨干坝有效控制率分别相差8.45、3.39、4.37、4.38百分点。计算结果见表5。

表5 坝控面积有效控制率对比

4.4 坝系保收能力分析

根据坝系布设特点，防洪保收能力应以新建淤地坝和现状骨干坝进行分析，现状中小型坝除改建坝外，其余都以滞洪、拦泥、排洪方式运行。

坝地保收条件是：7月中旬，坝地内一次洪水积水深小于0.8 m及坝地内年均淤积厚度小于0.3 m，据此条件分别分析坝系建设开始后的第5、10、15、20、25、30年，遇到频率分别为10%、5%和3.3%的暴雨洪水时，坝内洪水深和年均淤积厚度与上述条件相比较来判断其保收与否。

分析结果表明，方案一在坝系开始建设第20年可以基本保收，届时坝内平均淤积厚度0.29 m，坝内平均水深0.79 m；方案二同期值为0.35 m和0.95 m。由此可见方案一的防洪保收能力高于方案二。

4.5 方案选择

根据前述分析，从控制水沙能力、淤地、保收、拦洪、经济效益方面综合分析，方案一整体上优于方案二，故选择方案一为最终实施方案。

建设骨干坝18座，其中新建13座、改建3座、加固2座；新建中小型坝29座，其中2座是在原坝址上新建的。坝系建设总投资1 418.6万元，其中新建骨干坝925.40万元，占总投资的65.23%;改建加固骨干坝投资140.4万元，占总投资的9.90%;新建中小型坝投资352.8万元, 占总投资的24.87%。

5 结论与建议

5.1 水资源利用基本平衡

阳坡流域年平均天然河川径流量982.7万m3，根据布局规划，坝系工程总控制流域面积120.30 km2，其中：原有骨干坝控制面积47.46 km2、加固骨干坝控制面积27.94 km2、新建骨干坝控制面积41.16 km2、骨干坝以外3座中型坝控制面积共3.67 km2；新建骨干坝和原有坝控制流域面积共计116.56 km2，多年平均来水量为865.17万m3。

坝系工程建成初期，新建骨干坝和原有坝总库容达到3 152.77万m3，新增拦泥库容858.87万m3，基本能够满足拦蓄865.17万m3水量蓄水的需要，用于灌溉现淤成坝地和解决沟到联测村庄的人畜用水，流域水资源可利用率达到88.04%；但后期随着於积库容的增加，拦洪蓄水能力逐渐减少，水资源的利用率也逐渐减低。

5.2 促进生态环境向良性循环发展

坝系建成后，可有效减轻阳坡流域及其下游的小东川和离石市的洪水灾害；增加流域内高产稳产基本农田面积，可有效促进流域内退耕还林(草)；将劳动力从土地上解放出来，可促进区域产业结构调整和区域经济发展。坝系运行期内，每年可减少入黄泥沙104.13万t,减轻黄河下游河道淤积和修防投资。

5.3 坝体加高加固不容忽视

阳坡坝系综合平衡规划，是以建设相对平衡稳定的坝系为目标，而相对稳定的坝系建成是一个比较漫长的过程。建议在运行过程中完善管理制度,对于坝系建设开始后30年内的各个时段，应按照有关设计成果和运行情况，对23座骨干坝继续加高、加固。

5.4 对坝系建设流域的坡面治理统一规划

今后综合平衡规划要将坝系建设与流域坡面治理规划统一进行，随着坝系泥沙逐年淤积，坝系拦洪能力逐年降低，完善坡面措施可减少坡面径流量，延长拦沙滞洪时间[2]。

[1] 范瑞瑜.黄土高原坝系生态工程[M].郑州：黄河水利出版社，2004：33.

[2] 柏跃勤，常茂德.黄土高原地区小流域坝系相对稳定研究进展与建议[J].中国水土保持，2002(10)：12-13.

(责任编辑 王 琦)

S157

A

1000-0941(2015)08-0031-05

宋万兔(1963—)，男，山西原平市人，高级工程师，学士，主要从事水土保持技术工作。

2015-02-15