垣曲山区小流域治沟骨干坝系工程优化改造研究

张瑞洁

(运城市水利勘测设计研究院，山西 运城 044000)

近年来，在自然环境和人为因素影响下，黄土地区中小流域雨水侵蚀较为严重，导致水土流失、滑坡和泥石流等灾害，甚至损坏农田、冲毁公路，对环境保护和人民生命财产安全造成了严重的影响。随着国家计委将水土保持治沟骨干坝系作为专项实施，在小流域水土流失的综合治理中，治沟骨干工程坝系不仅能防止水土流失，而且能拦泥淤地，其社会、生态及经济效益显著，并受到当地政府和群众欢迎和喜爱。

山区小流域沟道地形复杂，具有山高谷深、单点暴雨集中、汛期洪水陡涨、携带泥沙多、冲刷力强等特点，合理布局和规划以骨干坝为主的坝系建设，提高了水资源利用率，促进了农村产业结构调整，并确保退耕还林成果及实施生态自然修复的需要，还兼顾经济效益。多年水土保持生态环境监测结果表明，工程措施属于单项措施蓄水拦沙效益最大，其中淤地坝拦沙量占小流域水土保持措施总拦沙量的66%。坝体建设改善了生产，提高了劳动生产率，坝体土壤有机质和水解氮含量比坡地高37%～76%，含水率比坡地高62.5%～168%。

本文以垣曲地区闫家河小流域为例，依据已有现状条件，分析出现的问题，从相对稳定性、防洪能力和经济效益等方面综合考虑后，进行治沟骨干坝系工程优化改造，并为同类型黄河地区小流域的坝系工程提供一定的指导依据。

1 流域水土流失及治理现状概况

闫家河小流域位于垣曲县的东南部、小浪底水库沿岸，距离县城约55km，属黄河一级支流，地质构造为自西北向东南由老到新，总体上为向南倾斜的单斜构造，海拔在200～1000m范围内，丘陵起伏，沟谷发育，地形支离破碎，沟壑纵横，切割深度在80m左右，支毛沟上游沟道横断面多呈“V”字形，较大的支沟下游及主沟道横断面呈“U”字形。整个流域面积为73.05km2，其中黄土丘陵沟壑区占总面积的79%，是垣曲县水土流失较为严重的区域。闫家河小流域在水力侵蚀作用下，水土流失面积约66.1km2，平均沟壑密度为3.22km/km2，年土壤侵蚀模数为6080t/(km2·a)，每年向黄河输送泥沙44.41万t，泥沙直接泄入小浪底水库。

截至目前，该流域内建有2座骨干坝、3座中型坝以及15座谷坊，如图1所示。水土保持治理过程中坚持“因地制宜，因害设防”的原则，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发展生产的中小型淤地坝，该流域内的洪水泥沙未得到有效控制，治理任务仍然较为艰巨，因此拟在本流域进一步修建小流域坝系工程，特别是控制性骨干坝改造修建工作。

图1 闫家河小流域坝系工程概况示意图

2 骨干坝系工程改造增建

本文以小流域内单西骨干坝为例，单西骨干坝上游控制流域面积5.24km2，是一座以滞洪、拦泥、淤地为主的治沟骨干坝。原设计坝顶长115m、宽4m，坝顶高程374.0m，坝高24.1m；设计总库容为64.88万m3，对应高程为372.0m；拦泥库容为29.9万m3，但由于原设计没有进行流域坝系的整体防洪设计，且单西骨干坝无泄洪设施，根据安全认定结论与建议，决定单西骨干坝的增建内容为新建溢洪道。

2.1 建设目标

(1)防洪

加强大型(骨干)坝工程建设，防洪能力提高到200年一遇，确保流域坝系整体防洪安全。

(2)蓄水拦泥

建立一个安全有效的坝系落水拦沙体系，把坝系的总体拦泥能力由不足5年提高为10～15年，新增拦泥沙能力73.0万t，使坝系达到相对稳定、程度较高的状态。

(3)生产利用

进一步搞好骨干坝与一般坝及蓄水(塘)坝的总体布局，把坝地利用率提高到75%以上，使坝系相对稳定的土地保收频率由10年一遇提到20年一遇。

2.2 水文计算

因单西骨干坝为梯级骨干坝，上游有陈南中型坝，为保障工程安全，水文计算不考虑中型坝调洪影响。根据洪水计算结果，作为确定单西骨干坝增设溢洪道的必要条件，确保上游洪水经溢洪道安全泄入下游河道，保证大坝安全运行。

采用SD 175—86《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》中的推荐经验公式，设计洪峰流量计算公式如下：

Qp=CNFn

(1)

式中，Qp—重现期为N的洪峰流量，m3/s；F—流域面积，km2；CN，n—重现期为N的地理参数。

设计洪水总量计算公式：

WN=0.1aH24F

(2)

式中，WN—重现期为N的洪水总量，万m3；a—24h暴雨径流系数；H24—年最大24h暴雨均值。

2.3 调洪演算

2.3.1设计洪水过程线推算

洪水过程依据山西省晋Q834—85《淤地坝工程技术规范》进行计算，结果见表1，洪水总历时计算公式如下：

(3)

式中，T—设计洪水总历时，h；WN—重现期为N的洪水总量，万m3；Qp—重现期为N的洪峰流量，m3/s。

表1 单西骨干坝洪水过程线计算表

2.3.2粗调法确定溢洪道底宽

为了提高大坝滞洪能力，最大限度地拦蓄泥沙，建议溢洪道堰顶高程为367.6m，即坝高17.7m处，初拟控制段过流净宽为8m。单西骨干坝设计洪水和校核洪水粗调结果见表2。

表2 单西骨干坝设计洪水和校核洪水粗调结果表

2.3.3溢洪道从零到最大泄流量时段排出的洪水总量计算

经详调确定，初拟溢洪道的断面符合水力条件，溢洪道控制段净宽为8.0m，堰上水深：设计洪水时2.5m，校核洪水时4.4m；溢洪道最大泄流量：设计洪峰流量50.4m3/s，校核洪峰流量110.8m3/s；溢洪道设计洪水时下泄洪量18.53万m3，校核洪水时下泄洪量28.81万m3；总库容64.88万m3。

2.3.4剩余拦泥库容计算

现状已淤库容为0.65万m3，根据调洪结果本次拦泥库容为36.49万m3，故剩余拦泥库容为35.84万m3。

3 骨干坝改建后分析

3.1 相对稳定分析

对坝体改造后发现，在较小来水情况下，坝体既能保证拦蓄泥沙且不影响坝体种植利用，在较大暴雨洪水条件下，能够及时防止水排走，改建后坝体达到相对稳定。

3.2 防洪能力分析

防洪能力分析计算骨干坝在改建后第5、第10、第15、第20、第25年的坝控流域面积(上游控制面积5.24km2)比例分别为100%、100%、100%、62.30%、32.20%，防洪能力满足要求，但是随着时间的延长，在使用年限达25年以上，其防洪能力下降较快，可以适当进行维护处理。

3.3 经济评价分析

工程改建后，拦泥库淤积，不断增加新的坝体面积，并能减少下游清淤和加堤费用；与此同时，因该小流域地区属于较缺水地区，蓄水后能够更好地灌溉农田，提高作物产量，项目15年内预计效益为5312.99万元，取得了不错的经济效益。

4 总结

本文通过以垣曲山区中闫家河小流域为例，根据小流域内骨干坝工程的现状出发，在提高其防洪能力、拦泥和生产利用等方面的要求下，对原骨干坝进行增设溢洪道等改建工程，并分析其改建后相对稳定性、防洪能力及经济性。

(1)原骨干坝改建后，溢洪道最大泄流量：设计洪峰流量50.4m3/s，校核洪峰流量110.8m3/s；溢洪道设计洪水时下泄洪量18.53万m3，校核洪水时下泄洪量28.81万m3；均能满足防洪设计要求。

(2)原骨干坝改建后，坝体相对稳定性较好，具有较好的防洪拦泥功能，满足目标要求，但随着使用年限的增加，需要对坝体进行及时的维护保证；另外增加了坝体面积，提高了作物产量，减少了清淤和加堤的费用，整体经济性不错。