綜合平衡法在陽坡壩系規劃中的應用

宋萬兔

(忻州市水利局，山西 忻州034000)

綜合平衡法在陽坡壩系規劃中的應用

宋萬兔

(忻州市水利局，山西 忻州034000)

綜合平衡法； 規劃；壩系； 陽坡流域

壩系綜合平衡規劃，就是把溝道中的壩庫作為主要研究對象，在對其性質、運行規律充分認識的基礎上，根據壩庫工程的諸多特性，以投入最小(或經濟效益最大)作為目標，對攔沙淤地、防洪、安全生產問題等進行綜合評價，借助現代技術手段和專家智能，尋求其系統內諸多因素的最優組合。以陽坡壩系工程所獲得的建設方案為例，介紹了綜合平衡法在流域治溝工程規劃中的應用方法。論證結果表明：該壩系的結構與布局合理，建設目標實現后，壩系防洪能力達到防御100年以上一遇洪水標準，水資源得到充分利用，壩系進入安全狀態，壩地作物基本保收。

陽坡流域是三川河的二級支流，位于山西省離石市城區東北13 km，地處北緯37°33′50″～37°41′24″,東經111°13′08″～111°24′38″。流域呈闊葉狀不對稱形，流域面積133 km2。主溝長21.5 km，平均比降16.0‰。溝壑密度4.45 km/km2，溝壑面積占總面積的40%。流域地形東北高西南低，海拔1 075～1 954 m，地面平均坡度為24.98°。該流域屬典型的黃土丘陵溝壑區地貌，其面積為107 km2，占流域總面積的80.5%;流域上游為土石山區地貌，面積為26.0 km2，占流域總面積的19.5%。該流域屬北溫帶半干旱大陸性氣候，最高氣溫36.9 ℃，最低氣溫-27.9 ℃，多年平均氣溫7.9 ℃，年蒸發量1 854 mm。多年平均降水量493.8 mm，年際變化在229.0～763.7mm之間，降水量多集中在7、8、9三個月。

陽坡流域水土流失面積120 km2，占流域總面積的90%。黃土丘陵溝壑區植被稀少，水土流失嚴重，泥沙主要由坡面侵蝕和溝蝕產生；土石山區流失泥沙主要由切溝侵蝕產生。流域泥沙主要來源于流域中下游的黃土丘陵溝壑區。

1 水土保持治理概況

陽坡流域水土保持治理始于20世紀50年代，截至2001年底,流域內有林、草面積4 962 hm2,基本農田470 hm2,坡耕地3 106 hm2,治理度40.8%。骨干壩14座,中小型壩33座，中小型壩均沒有完善的泄洪設施，大多數壩只在岸邊留土質溢洪道，2001年底已全部開始排洪。淤地壩情況見表1。

表1 陽坡流域淤地壩情況

在過去的壩系建設中，主要存在如下問題：

(1)受經濟技術方面的原因影響，對骨干壩的布局、中小型壩的配置，以及建壩時序等問題缺乏科學、系統的規劃。

(2)壩系整體水沙控制能力和防洪保收能力差,溝道工程較少且主要分布在中下游的幾條支溝中，分布不均衡，急需增設骨干壩。

(3)普遍存在重建設、輕管護的問題。

2 壩系規劃

陽坡流域是“十五”黃河水土保持生態工程重點壩系建設項目之一，2002年對該流域開展了壩系可行性研究編制工作，利用綜合平衡法對流域壩系建設進行規劃。以地形地貌特征、洪水泥沙特點、造成水土流失的成因，以及空間分布規律為基礎，經過對淤地壩建設壩址的實地勘測、建設目標的論證分析和方案比選，明確了該流域壩系的建設任務和工程布局，并確定了適合該地區實際的淤地壩建設管理模式。綜合平衡壩系規劃流程見圖1。

2.1 總體思路

利用綜合平衡法進行壩系規劃，立足于對陽坡流域洪水泥沙的長期控制，充分利用水沙資源優勢，發揮壩系攔泥、滯洪、淤地、灌溉等效益，以農業生產與生態環境的協調統一、實現壩系相對平衡穩定與保收為目標，總體思路是：

(1)流域上游的土石山區植被茂密，降雨豐沛，侵蝕強度較小，因此在工程布局上，可以通過合理布置骨干工程控制洪水，減小下游防洪壓力,并為下游發展灌溉提供水源，增加水產養殖面積。

圖1 綜合平衡法壩系規劃流程

(2)流域中下游的黃丘區是人類活動的主要區域，居民大部分居住于主溝道兩側，農地廣布。該區降雨相對較少，植被稀疏，水土流失嚴重，是壩系建設工程布局的重點區域。因此該區域工程布局應以骨干工程與淤地壩相配套,大、中、小相結合,在確保防洪安全的基礎上,以控制泥沙流失、發展壩地為重點,充分利用水沙資源。

(3)從建設相對穩定壩系的要求出發，整個流域溝道工程應形成一個體系，以最大限度地控制全流域的洪水泥沙。因此應在主溝選擇條件適宜的溝道建設骨干壩，起到“上攔下保”的作用，同時，通過工程方案對比，對骨干壩和生產壩壩址的布置進行優化。

2.2 土壤侵蝕模數確定

土壤侵蝕模數是關系到壩系規劃的關鍵指標，對確定壩系工程的布局與規模具有舉足輕重的作用。通過查算水文手冊，采用淤地壩淤積量推算法，確定陽坡流域侵蝕模數為：黃丘區10 000 t/(km2·a),土石山區5 000 t/(km2·a),全流域平均侵蝕模數9 022.3t/(km2·a)。

2.3 壩系建設目標與任務

陽坡流域建壩資源豐富,降水相對較多,天然徑流量較大，且壩系建設具有一定的基礎，但存在著水土流失嚴重、農業經濟發展滯后的劣勢。壩系建設目標分別從攔沙、發展壩地和壩地防洪保收等幾個方面進行分析論證。

(1)按攔沙確定建設規模。根據流域的地形地質條件，充分考慮溝道內壩系工程建設現狀和工程設計標準，壩系工程可控制面積約115 km2，占總面積的85%以上。按照前20年內流域水土流失面積基本得到有效控制，實現泥沙不出溝的目標要求，需新增攔泥庫容870萬m3。根據淤地壩統計資料，在黃土丘陵溝壑區，一般攔泥庫容占總庫容的70%左右，以此推算流域需建設工程總庫容1 240萬m3。參照晉西地區壩系建設研究成果，在黃土丘陵溝壑區，一般建設骨干壩、中型壩、小型壩的比例為1 ∶3 ∶3[1]，故流域需新建骨干壩11座、中型壩33座、小型壩33座，可新增壩地約153 hm2。

(2)按壩地確定建設規模。該流域建壩條件較好，有豐富的壩地建設潛力，按照人均667 m2(1畝)壩地的建設目標，推算到30年計算期末流域總人口4 790人，需壩地319.5 hm2，扣除現有淤地壩可淤壩地面積177.6 hm2，需新增壩地約141.9 hm2。

(3)按壩系相對平衡確定規模。本次規劃以初步實現壩系相對平衡，壩系滿足10%洪水頻率下壩地保收為目標，按照當年7月中旬淹沒水深不大于0.8 m的邊界條件推算，壩系工程控制面積115 km2，需壩地面積296.5 hm2，扣除現有淤地壩可淤壩地面積177.6 hm2，需新增壩地面積118.9 hm2。

按照壩系的現狀評價情況，14座骨干壩中有9座在近15年內可以安全運行，5座需要加固，還須控制39.6 km2的流域面積才能達到控制流域面積占總面積85%以上的目標，因此需新建骨干壩加大流域控制面積。壩系目標建設指標見表2。

綜合以上分析結果，初步確定本規劃建設目標為： 在20年的運行期內，壩系工程建設總庫容增加1 210.87萬m3，新增攔沙能力858.87萬m3，年攔沙能力達到85萬m3；新增壩地面積142.12 hm2，累計壩地面積達到254.52 hm2。

表2 壩系目標建設指標

基于建設目標，確定了建設任務：①新建一批控制性的骨干壩;②對部分重要的淤地壩進行必要的配套加固;③合理配置一批中、小型淤地壩;④在流域上游選擇合適位置布置2～3座塘壩，解決中下游耕地的灌溉和部分村莊人畜飲用水困難。

3 壩系工程布局

3.1 布局原則

(1)以骨干壩為主體，合理布設中、小型淤地壩，使壩系形成具有滯洪、攔泥、淤地、養殖、灌溉等多種功能的溝道工程體系[2]。

(2)流域總體上以支毛溝內新建中、小型壩控制泥沙削減洪峰，減輕下游主溝道工程的防洪壓力；主溝道以配套完善現有壩系工程為主要措施，充分利用現有壩地發展生產。

(3)流域上游的土石山區以布置控制性的骨干壩為主，控制和調蓄洪水，為下游溝道工程建設和壩地安全生產創造條件。

(4)從有利于壩地生產、管理，最大限度發揮投資效益等方面考慮，在黃土丘陵溝壑區靠近村莊的支毛溝中加大淤地壩布置密度。

3.2 方案設置

通過實地查看，根據布局原則，以明顯改變壩系的攔泥、防洪功能為目標，設置以下兩個比選方案：

(1)方案一。以骨干壩為主，同時適當布設中小型壩，使各個小流域形成由骨干壩和中小型壩組成的獨立壩系。該方案的特點是，中小型壩成地速度快，洪水泥沙就近攔蓄，可以抬高侵蝕基準面，減輕溝蝕，改善生態環境效果顯著，但投資較大。該方案新建骨干壩13座，改建骨干壩5座，新建中小型壩29座。

(2)方案二。骨干壩的布局與方案一相同，即新建13座、改建5座。在骨干壩控制區域內不再新建中小型壩，只在骨干壩未控區域建設5座中小型壩。

各方案的主要技術經濟指標見表3。

表3 主要技術經濟指標

4 方案比選

4.1 壩系淤積面積比較

兩方案的壩系淤積面積比較見表4。

表4 壩地淤積面積

方案一：到2019年(第18年)，全流域壩系淤地面積達到292.70 hm2，到2031年(第30年)時，全流域壩系淤地面積達到397.90 hm2。

方案二：全流域壩系淤地面積與方案一最為接近的是2024年(第23年)，淤地面積為291.80 hm2，到2031年(第30年)全流域壩系淤地面積為335.90 hm2。

到2031年，方案一比方案二壩地面積總體增加62.00 hm2。

4.2 經濟效益分析

經計算，方案一、二的動態凈效益分別為342.9萬元、215.2萬元，動態效益費用比分別為1.280、1.222，動態回收年限分別為15年、17年。從經濟效益角度講,方案一優于方案二。

4.3 防洪能力分析

防洪能力是指壩系工程抵御校核洪水的能力。根據壩系布局設防標準，壩系防洪任務應由骨干壩來承擔，故以骨干壩控制區域為單元進行分析[2]，對于有攔洪攔沙能力的中小型壩將水沙攔在壩內，對建有溢洪設施的骨干壩在淤至設計高程時水沙進入下一單元進行分析。

4.3.1 滯洪攔蓄能力

兩個方案的骨干壩布局都相同，新建13座、加固5座(其中2座是現狀骨干壩加固)，另外還有9座現狀骨干壩，共27座骨干壩承擔防洪任務，控制流域面積116.56 km2；按27個單元分析，骨干壩外有3個中型壩合并為1個單元分析，共28個分析單元。兩個方案的骨干壩都具有相同的控制流域面積，但方案一中每個分析單元配置中、小型壩攔蓄洪水、泥沙，而方案二的洪水、泥沙直接進入骨干壩庫區。由于方案一的中、小型壩通過工程攔蓄減小了溝道比降，大大減低了洪水和泥沙的流動速度，降低了水流、泥沙的移動能力，因此方案一滯洪攔沙能力優于方案二。

4.3.2 壩控有效面積

有效控制率是指淤地壩在遭遇某頻率的洪水情況下能正常攔洪攔沙的壩控面積與流域總面積之比，該數越大，說明防御不同頻率洪水的能力就越高。通過分析發現，兩方案前10年能力幾乎相同，以后就有較大差值。在200年一遇洪水條件下，方案一與方案二相比，第15年、第20年、第25年、第30年各個時刻的骨干壩有效控制率分別相差8.45、3.39、4.37、4.38百分點。計算結果見表5。

表5 壩控面積有效控制率對比

4.4 壩系保收能力分析

根據壩系布設特點，防洪保收能力應以新建淤地壩和現狀骨干壩進行分析，現狀中小型壩除改建壩外，其余都以滯洪、攔泥、排洪方式運行。

壩地保收條件是：7月中旬，壩地內一次洪水積水深小于0.8 m及壩地內年均淤積厚度小于0.3 m，據此條件分別分析壩系建設開始后的第5、10、15、20、25、30年，遇到頻率分別為10%、5%和3.3%的暴雨洪水時，壩內洪水深和年均淤積厚度與上述條件相比較來判斷其保收與否。

分析結果表明，方案一在壩系開始建設第20年可以基本保收，屆時壩內平均淤積厚度0.29 m，壩內平均水深0.79 m；方案二同期值為0.35 m和0.95 m。由此可見方案一的防洪保收能力高于方案二。

4.5 方案選擇

根據前述分析，從控制水沙能力、淤地、保收、攔洪、經濟效益方面綜合分析，方案一整體上優于方案二，故選擇方案一為最終實施方案。

建設骨干壩18座，其中新建13座、改建3座、加固2座；新建中小型壩29座，其中2座是在原壩址上新建的。壩系建設總投資1 418.6萬元，其中新建骨干壩925.40萬元，占總投資的65.23%;改建加固骨干壩投資140.4萬元，占總投資的9.90%;新建中小型壩投資352.8萬元, 占總投資的24.87%。

5 結論與建議

5.1 水資源利用基本平衡

陽坡流域年平均天然河川徑流量982.7萬m3，根據布局規劃，壩系工程總控制流域面積120.30 km2，其中：原有骨干壩控制面積47.46 km2、加固骨干壩控制面積27.94 km2、新建骨干壩控制面積41.16 km2、骨干壩以外3座中型壩控制面積共3.67 km2；新建骨干壩和原有壩控制流域面積共計116.56 km2，多年平均來水量為865.17萬m3。

壩系工程建成初期，新建骨干壩和原有壩總庫容達到3 152.77萬m3，新增攔泥庫容858.87萬m3，基本能夠滿足攔蓄865.17萬m3水量蓄水的需要，用于灌溉現淤成壩地和解決溝到聯測村莊的人畜用水，流域水資源可利用率達到88.04%；但后期隨著於積庫容的增加，攔洪蓄水能力逐漸減少，水資源的利用率也逐漸減低。

5.2 促進生態環境向良性循環發展

壩系建成后，可有效減輕陽坡流域及其下游的小東川和離石市的洪水災害；增加流域內高產穩產基本農田面積，可有效促進流域內退耕還林(草)；將勞動力從土地上解放出來，可促進區域產業結構調整和區域經濟發展。壩系運行期內，每年可減少入黃泥沙104.13萬t,減輕黃河下游河道淤積和修防投資。

5.3 壩體加高加固不容忽視

陽坡壩系綜合平衡規劃，是以建設相對平衡穩定的壩系為目標，而相對穩定的壩系建成是一個比較漫長的過程。建議在運行過程中完善管理制度,對于壩系建設開始后30年內的各個時段，應按照有關設計成果和運行情況，對23座骨干壩繼續加高、加固。

5.4 對壩系建設流域的坡面治理統一規劃

今后綜合平衡規劃要將壩系建設與流域坡面治理規劃統一進行，隨著壩系泥沙逐年淤積，壩系攔洪能力逐年降低，完善坡面措施可減少坡面徑流量，延長攔沙滯洪時間[2]。

[1] 范瑞瑜.黃土高原壩系生態工程[M].鄭州：黃河水利出版社，2004：33.

[2] 柏躍勤，常茂德.黃土高原地區小流域壩系相對穩定研究進展與建議[J].中國水土保持，2002(10)：12-13.

(責任編輯 王 琦)

S157

A

1000-0941(2015)08-0031-05

宋萬兔(1963—)，男，山西原平市人，高級工程師，學士，主要從事水土保持技術工作。

2015-02-15