段莉芳,孙旭伟
(1.府谷县水利工作队,陕西 榆林 719499;2.府谷县河道养护站,陕西 榆林 719499)
黄土高原水土流失严重,在该区域开展拦沙坝建设,对减少进入黄河干流的泥沙和下游河道泥沙淤积、改善当地群众生产生活条件和当地生态环境意义重大。现以黑家峁拦沙坝为例,对其建设效益进行探析。
黑家峁流域属于温带大陆性气候,多年平均降水量424.4 mm,降水年内分配不均,主要集中在汛期,占年降水量的78.3%。径流以超渗产流为主,由于暴雨量大且集中,超渗产流形成的洪量也大,洪水一般为尖瘦型,具有地表产汇流快,洪水流量大、历时短、含沙量大,极易形成洪灾,冲淹农田,并向下游大量输沙的特点。为了减少流域泥沙,规划在黑家峁沟修建拦沙坝,坝控流域面积0.70 km2,库容小于10 万m3,按小型淤地坝标准设计。工程由坝体、放水工程组成,具有滞洪、拦泥、淤地等综合功能。
黑家峁拦沙坝属小型拦沙坝,设计洪水重现期为20 a,校核洪水重现期为50 a,设计淤积年限为5 a。
坝址选择应避开较大弯道、跌水、泉眼、断层、滑坡体、洞穴等,坝肩不得有冲沟[1]。经过调查,黑家峁拦沙坝坝址处沟道顺直,沟谷相对较窄,沟道比降15.8‰,无跌水、泉眼、断层、滑坡体、洞穴等,筑坝工程量较小。坝址处两岸地质条件较好,左右坝肩顶部山坡处筑坝土料丰富,储量能够满足工程建设需要。库区淹没零星树木,下游无居民点、学校、工矿、交通等重要设施,所以坝址选择合理,有利于防洪拦沙。
黑家峁拦沙坝为碾压式均质土坝,土坝坝轴线垂直沟道布设,坝顶长62.91 m,坝顶宽5 m,沟底高程905.00 m,坝顶高程927.00 m,最大坝高22.0 m。上游坝坡坡比1∶2.0,下游坝坡坡比1∶1.75,下游坝坡在坝高10 m 处设1 道宽1.5 m 的马道。在下游坝坡马道及岸坡布设纵横向排水沟,总长280 m。坝坡撒播种草。
2.2.1 拦泥坝高与滞洪坝高确定
大坝最高洪水位为925.08 m,拦泥高程为920.53 m,滞洪高程为925.08 m,相应的淤地面积为0.85 hm2,拦泥坝高15.53 m,滞洪坝高4.55 m。按照《淤地坝技术规范》的要求,淤地坝安全超高取1.92 m,碾压坝沉降量取坝高的2%[2],则黑家峁拦沙坝坝高为15.53+4.55+1.92=22.0(m),相应坝顶高程为927.00 m,坝体沉降量为22.0×2%=0.44(m)。
2.2.2 坝体断面尺寸确定
黑家峁拦沙坝为机推碾压法施工的均质土坝,坝高22.0 m,按照《淤地坝技术规范》的要求,坝顶宽取5 m,上游坝坡坡比为1∶2.0,下游坝坡在距坝顶10.0 m处设1道马道,马道宽1.5 m,下游坝坡坡比均为1∶1.75。经计算,坝体底宽为88.50 m。
2.2.3 清基及削坡设计
土坝清基厚度为0.5 m。基础开挖后要求轮廊平顺,避免地形突变,如开挖后发现破碎带,应视具体情况进行处理。按照规范要求,坝体与岸坡结合应采用斜坡平顺连接,岸坡整修成正坡,由于岸坡高差大且较陡,考虑整修正坡时需留机械工作面,坡度设为1∶0.5。
2.2.4 结合槽设计
为使坝体与坝基及岸坡牢固结合,依据《淤地坝技术规范》的要求,在坝轴线布设1道结合槽及结合齿墙。其中,齿墙顶宽0.5 m,底宽1.0 m,高1.5 m,伸入岩层0.5 m;结合槽深2 m,底宽2 m,边坡1∶1.0。
2.2.5 坝坡排水及坝面护坡设计
为防止坝坡冲刷,上、下游岸坡与坝坡结合处分别布设排水沟,布设长度280 m。工程竣工后,对坝体上、下游面坝坡设置植草护坡,草种选择紫花苜蓿,播种量为50 kg∕hm2。
黑家峁沟流域以超渗产流为主,由于暴雨量大且集中,所形成的洪水一般为尖瘦型,即峰高、历时短、洪峰流量大、含沙量高。洪水由暴雨形成,洪水出现的时间与暴雨一致,最大洪峰流量一般出现在6—9月,以7、8 两月出现的频次最高。
考虑到陕北及陕蒙接壤地区暴雨洪水特性,采用推理公式法计算设计洪水。《榆林地区实用水文手册》中的设计洪水推理公式为:
式中:Qp为设计频率为P的最大洪峰流量(m3∕s);h为净雨深(mm),全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨,部分汇流时代表单一洪峰对应的面平均净雨;F为流域面积(km2);τ 为流域汇流历时(h);L为沿主沟道从出口断面至分水岭的最长距离(km);m为汇流参数;J为沿程L的平均比降(以小数计)[3]。根据《榆林地区实用水文手册》《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》,6 h 净雨总量(产流量)在5%、2%降雨频率时分别为58.8、89 mm。采用暴雨推求设计洪水产汇流计算的方法,查算出汇流参数m在5%、2%降雨频率时分别为1.15、0.97,根据式(1)假定Qp并绘制Qm-τ曲线,同时根据净雨过程绘制Qt-t曲线,2 条曲线的交点所对应的纵坐标即为所求的洪峰流量Qp,横坐标即为汇流历时τ。通过以上分析计算,汇流历时τ 为0.33,设计频率5%时洪峰流量为24.8 m3∕s,设计频率2%时洪峰流量为33 m3∕s。推理公式法在计算中考虑了前期影响雨量和流域产汇流特征,计算过程基本反映了流域的长度、面积、比降等因子对洪水的影响,因此采用此法计算设计洪水比较科学。
设计洪水总量的推求基于《淤地坝技术规范》(SL∕T804-2020)[4]。根据降雨径流关系,不同频率洪水总量按下式计算:
式中:WP为设计频率为P的洪水总量(万m3);a为洪水总量径流系数,P=5%时为0.43,P=2%时为0.46;hp为设计频率为P的流域中心点6 h 雨量(mm)。
经计算,黑家峁小型拦沙坝设计洪水总量为3.52万m3,校核洪水总量为4.84 万m3。该拦沙坝的兴建可控制流域内50 a一遇的洪水,有效减轻下游洪灾。
黑家峁小型拦沙坝总库容由滞洪库容和拦沙库容组成。
3.4.1 滞洪库容
黑家峁小型拦沙坝主要功能为拦沙,所以不设置泄洪建筑物,其滞洪库容即为一次校核洪水总量,即4.84万m3。
3.4.2 拦沙库容
黑家峁小型拦沙坝拦沙库容按下式计算:
式中:VL为拦泥量(万m3);WS为多年平均输沙量(万m3∕a);N为淤积年限(a)[5],取5 a。
经计算,VL=0.93×5=4.65(万m3)。
3.4.3 总库容
黑家峁小型拦沙坝不设置泄洪建筑物,滞洪库容应按一次校核洪水总量计算。拦沙坝总库容由滞洪库容和拦沙库容组成,即V总=VL+VZ=4.65+4.84=9.49(万m3)。
黑家峁小型拦沙坝防洪能力为50 a一遇洪水标准,滞洪库容4.65 万m3。在运行期间,拦沙坝可以削洪调沙,调节河川径流,降低洪水含沙量,减轻下游防洪压力,减小洪涝灾害给农业生产造成的损失,为合理利用雨洪资源创造有利条件。
黑家峁沟流域属黄土丘陵沟壑区,流域内地貌类型为黄河沿岸土石山区,地面土层覆盖较浅,沟壑纵横,坡陡沟深,地形破碎,水土流失严重。
黑家峁沟流域不同物质组成的下垫面产沙方式及过程有很大差异,而支流产沙和输沙在很大程度上还取决于高含沙水流的水力特性。砾质丘陵区(砒砂岩区)和黄土区产沙模数非常大,使得粗泥沙集中来源区成为黄河中游的高产沙区。在黄土覆盖区,沟谷地以谷坡重力侵蚀和沟道水流侵蚀为主,沟间地以坡面冲刷为主。黄土覆盖层深厚、垂直节理发育、质地疏松,遇水崩解速度较快,其抗蚀性很弱。因此,地面沟壑密度大,土壤侵蚀模数较高。
根据黑家峁沟相近的孤山川的高石崖站实测资料,1954—2017 年年均输沙量为1 540 万t,最大年输沙模数高达6.636 万t∕(km2·a)(1977 年),最小为0.000 3万t∕(km2·a)(2015年),平均为1.21万t∕(km2·a)。侵蚀产沙主要集中在6—9 月,沙量可占全年沙量的90%以上,并且主要集中在几场暴雨洪水中。
黑家峁小型拦沙坝位于石马川黄土丘陵三片区,坝控流域内植被茂密,土质地表均为退耕还林地,裸露地表均为岩石地面。根据当地实际情况及相关规范,确定黑家峁沟流域的土壤侵蚀模数为1.8 t万∕(km2·a)。
黑家峁小型拦沙坝控制流域年输沙量可用下式计算:
式中:Ws为多年平均输沙量(万m3∕a);S为多年平均输沙模数[t∕(km2·a)],取1.8 万t∕(km2·a);F为流域面积(km2),取0.7 km2;γ为泥沙容重(t∕m3),取1.35 t∕m3。
经计算,坝控流域年输沙量为0.93 万m3。拦沙坝建成后,能直接控制0.70 km2的洪水泥沙,使坝控范围内的洪水泥沙得到有效拦蓄和调节,有效地防止沟道下切、沟岸扩张,抬高侵蚀基面,稳定沟坡,调节河川径流,降低洪水含沙量,减轻水土流失,充分利用水沙资源建设高产稳产坝地。在5 a 的拦沙期内,形成拦沙库容4.65 万m3,可拦沙6.28 万t,对改善当地的生态环境和农民的生产生活条件、助力乡村振兴工作意义重大。
黑家峁小型拦沙坝达到设计淤积年限后,可淤坝地0.85 hm2,种植面积按80%计算,实际可利用坝地0.68 hm2,若坝地单产按417 kg∕hm2、粮食单产按1.2 元∕kg 计算,则每年种植效益=0.68×417×1.2=0.34(万元)。
黑家峁小型拦沙坝5 a 可拦泥4.65 万m3,若按40%泥沙沉积下游河床、下游河床每清淤1m3费用为30元计算,则减泥效益可达55.8万元。
黑家峁小型拦沙坝建设可有效地控制土壤侵蚀,为农业生产创造良好条件。该工程建成后,高产稳产坝地将达到0.85 hm2,促使该村农民改广种薄收为少种高产多收,农民收入有望得到较大提高。同时,土地资源得到充分开发利用,土地利用结构得到进一步合理调整。 黑家峁小型拦沙坝建成后受益区为王家洼村,坝顶作为连通乡村级道路的桥梁,改善了当地交通条件,有力地促进了农村经济的发展和乡村振兴工作的开展。
5.4.1 蓄水保土作用显著
黑家峁小型拦沙坝建设将会对洪水泥沙增加拦蓄作用,促进退耕还林和封育治理工作的顺利开展,从而使流域内严重的水土流失得到有效控制。其主要表现在以下2个方面:①坝地拦蓄水土,避免了土壤养分的流失,加速了土壤的熟化过程,改善了作物生长的土壤环境,将更加有利于作物的生长发育,同时高质量沟坝地建设可以大大提高作物的单产量;②由于坝地保水保肥效能增强,沟坝地的粮食单产能达到坡耕地的7倍,使水土资源得到充分的利用。
5.4.2 减少入黄泥沙
黑家峁小型拦沙坝的建设使流域严重的水土流失得到基本控制,可有效地减少进入下游河道的泥沙,延缓下游清水川河道淤积,从而减轻了下游河道清淤工作量,节省了大量的人力、物力和经费。
通过分析探讨,黑家峁小型拦沙坝建成后能直接控制0.70 km2的洪水泥沙,在设计淤积5 a内可滞洪4.84 万m3、拦泥4.65 万m3,使坝控范围内的洪水泥沙得到有效拦蓄和调节,可淤坝地0.85 hm2、拦截泥沙6.28 万t,其产生的经济效益可达56 万元。工程实施后,在为当地农民带来经济效益的同时,可促进当地区域经济快速增长,助推乡村振兴发展。