趙石畔流域壩系結構及壩系相對穩(wěn)定分析
來源: 水土保持生態(tài)環(huán)境建設網(wǎng) 上傳日期:2018-07-23 打印本文章 【字體】 大 中 小2003年9月22日
摘 要 在分析趙石畔流域壩系發(fā)展過程的基礎上,根據(jù)流域的實際情況,建設流域攔、蓄、淤、種有機協(xié)調、循環(huán)提高的壩系工程防護體系,對流域壩系相對穩(wěn)定情況進行分析,結果表明:該流域壩系實現(xiàn)相對穩(wěn)定是完全可能的,該流域壩系防護體系建設對黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)小流域溝道壩系建設具有一定的指導價值。
關鍵詞 壩系 防護體系 相對穩(wěn)定
一、流域概況
趙石畔流域位于陜西省橫山縣境內(nèi),屬無定河流域蘆河支流的一級支溝,流域總面積60.68km2溝壑面積為33.8km2,占流域總面積的55.7%,溝間地面積26.88km2,占總面積的44.3%。主溝長19km,溝道平均比降2.0%,共有大小支溝80條,其中面積在5km2以上的4條,3~5km2的7條,3km2以下的69條,溝壑密度為5.8km/km2,屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),在該區(qū)具有廣泛的代表性。
二、壩系發(fā)展過程及現(xiàn)狀
趙石畔流域經(jīng)過40年的綜合治理,溝道川臺化已基本形成,流域內(nèi)壩系發(fā)展過程大致可分為3個階段:
1.初步建設階段
自1956年開始建壩,群眾在流域內(nèi)較小的支溝修建了一些小壩,當時叫做“溝壑土壩”,工程結構僅為土壩壩體,由于庫容較小,流域內(nèi)坡面治理較差,水土流失嚴重,庫容很快就淤滿利用,群眾初步認識了淤地壩的生產(chǎn)作用。20世紀70年代初期,在趙石畔流域很快形成了“大隊打群壩,小隊筑大壩”的打壩高潮,到1974年流域內(nèi)共修建大小淤地壩43座,由于該階段壩系建設沒有進行合理的壩系規(guī)劃和設計,建壩庫容小,又缺乏控制性骨干工程,土壩水毀時有發(fā)生,到1974年底流域內(nèi)淤地壩的保存數(shù)為30座,保存率為70%。
2.加固維修階段
針對第一階段的土壩水毀現(xiàn)象,1975年開始,在流域內(nèi)修建了4座較大庫容的淤地壩,同時注重了中小型淤地壩的加固維修,到1985年底流域內(nèi)淤地壩的保存數(shù)為30座,保存率為85%。
3.壩系鞏固階段
1986年流域內(nèi)的淤地壩多數(shù)基本淤滿,1988年經(jīng)黃河上中游管理局批復修建了葉家畔骨干工程,隨后相繼修建了趙石畔、石碹、寺好峁、前石畔、駝巷等5座骨干工程,從而使壩系防洪能力得以加強,壩系結構也趨于合理。
截至2001年,流域內(nèi)共有骨干工程6座,大型壩1座,中型壩3座,小型壩15座,已攔泥沙1487.4萬m3,骨干工程的淤積率為67.3%,淤地壩的淤積率為91.1%,已淤壩地129.7hm2,已初步形成防洪、攔泥、蓄水、生產(chǎn)相結合的利用格局。
三、壩系建設布局分析
1.壩系結構
從趙石畔流域壩系結構分析,主溝道上分布著5座骨干工程和1座大型淤地壩。溝掌葉家畔骨干壩以防洪、攔泥為主;駝巷骨干壩在防洪的同時,由于受到葉家畔骨干工程的保護,以種植生產(chǎn)為主;前石畔骨干壩由于有地下水補給,水源有保證,以蓄水、養(yǎng)殖為主,為下游興龍寺大壩供水;興龍寺大型壩已淤地32hm2,目前已配套了灌溉渠道,成為自流灌溉水壩地;石碹骨干壩以蓄水、養(yǎng)殖為主要任務,并為趙石畔壩提供灌溉用水;位于溝口的趙石畔壩原建于1956年,淤成壩地40hm2,1990年被洪水沖毀壩體后配套建設為骨干壩,壩地全部為自流灌溉水地。18座中小型淤地壩均分布在流域內(nèi)的支毛溝內(nèi),在攔泥生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用。由此可見,趙石畔流域壩系的整體布局是合理的,主溝自上而下已形成了壩庫相間配置,防洪、攔泥、蓄水、養(yǎng)殖、種植綜合利用的壩系生態(tài)農(nóng)業(yè)體系,對控制流域水沙、促進當?shù)厝罕娒撠氈赂槐夹】灯鸬搅酥匾饔谩?/FONT>
2.主要問題
趙石畔流域呈長條柳葉形狀,溝道由主溝和11條3~10km2的支溝組成,除寺好峁溝有骨干工程控制外,其余支溝均無骨干工程控制,壩系的主支溝空間布局不均衡,結構不完善,導致主溝工程的防洪負載過重。另外,各支溝的中小型淤地壩絕大多數(shù)已淤滿并出現(xiàn)險情,垮壩率很高,生產(chǎn)運行難以為繼。
四、壩系建設結構分析
根據(jù)趙石畔流域水文、泥沙特點及溝道工程建設現(xiàn)狀,針對壩系運行中的突出問題,為完善壩系功能,在孫家溝、陳窯子溝等7條支溝增建以防洪為主的骨干工程,在支毛溝內(nèi)建設中小型淤地壩48座,將主溝兩側較大支溝全部攔鎖,提高壩系防洪能力和水沙資源利用率,實現(xiàn)泥沙就地攔蓄。使該流域形成防洪、攔泥、生產(chǎn)各功能既相對獨立,又互相支持、互相配合的壩系運行體系。
1.以趙石畔骨干工程為中心的攔淤排體系
位于流域溝口的趙石畔大壩原建于1956年,1996年加固配套為骨干壩,樞紐組成為三大件。由于該壩已淤滿,不發(fā)揮攔泥作用,因此,在其控制的10.8km2內(nèi)布設孫家溝骨干壩,賀塌、武家洼、高界以及孫家溝壩系單元內(nèi)的張家畔、白草峁等5座中型壩和4座小型壩,控制來沙面積7.46km2,最大限度地攔截該區(qū)段內(nèi)的洪水泥沙,使趙石畔大壩的攔沙面積減少到3.34km2,延長趙石畔壩的生產(chǎn)運行周期。剩余的來洪來沙除有計劃地漫淤趙石畔壩地外其余從溢洪道排出,從而形成攔泥、淤地、淤漫、排洪體系。
2.以石碹、前石畔骨干壩為中心的清洪分治體系
石碹壩和前石畔壩屬于壩庫運行的前期,是主溝內(nèi)以小水庫運行的2座骨干工程,分別為趙石畔大壩和興龍寺大壩已淤成的壩地提供灌溉供水。為了充分發(fā)揮其小水庫作用,設計中以盡量減少兩壩的入庫泥沙,延長水庫效用為目標,在石碹與興龍寺、寺好峁之間的6.0km2內(nèi)新建好地洼、四塔2座中型淤地壩,加固魏山峁、王家溝2座中型淤地壩,控制攔沙面積3.98km2在前石畔壩與駝巷壩之間的12.9km2內(nèi)布設沙背洼、駝峁、石廟3座骨干壩和高石畔、張家、黃好梁等3座中型淤地壩,支溝壩系骨干工程控制面積為9.16km2。通過上述工程的布設,石碹和前石畔壩在一般運行年份的來洪面積只有2.02km2和2.60km2,大部分洪水泥沙進入緩洪攔泥壩,泥沙沉淀后清水放入水庫內(nèi),形成清洪分治體系。
3.以興龍寺、駝巷、葉家畔為中心的攔淤種植體系
興龍寺大壩、駝巷和葉家畔大壩的控制面積分別為9.2km2、9.3km2和7.1km2,已淤壩地分別為32.0hm2、19.3hm2和14.7hm2。通過在興龍寺壩與前石畔壩之間的支溝內(nèi)布設黃草梁、陳窯子2座骨干壩和西溝、周家溝、榆樹峁3座中型壩,在駝巷和葉家畔壩之間支溝內(nèi)布設新峁骨干壩和大路峁、宋家梁、新峁、小塌子等4座中型壩,使該3座工程的最終控制面積分別為2.95km2、6.1km2、7.1km2,從而減小主溝生產(chǎn)壩系的控制面積,實現(xiàn)主溝以生產(chǎn)為主,支溝以滯洪為主,干支溝各壩區(qū)間流域面積循環(huán)調節(jié)、輪流控制洪水,進而形成攔、蓄、淤、種有機協(xié)調,循環(huán)提高的壩系工程發(fā)展體系。
以上三大體系間既相對獨立,又互相支持、互相配合,將流域中的洪水分而治之,既發(fā)揮了壩系整體防洪功能,又為控制利用洪水創(chuàng)造了條件,可有效解決壩系防洪、攔泥和生產(chǎn)三者之間的矛盾。在壩系發(fā)展過程中隨著泥沙的不斷淤積,主溝壩系的大壩之間功能互換,干支溝壩系互補,攔泥、生產(chǎn)、防洪、灌溉交替循環(huán),形成壩系良性發(fā)展的格局(壩系布局功能設計見圖1)。
五、壩系防護體系相對穩(wěn)定分析
1.防洪能力分析
除趙石畔骨干壩為三大件外,其余均為兩大件。趙石畔骨干壩位于溝口,而趙石畔修建于1989年,總庫容647萬m3,攔泥庫容590萬m3,滯洪庫容57萬m3,已淤庫容590萬m3。溢洪道校核洪水標準為300年一遇,設計最大下泄流量為60m3/s。由于在其上游支溝內(nèi)新建孫家溝骨干壩1座,其控制面積為4.62km2,因此趙石畔壩實際控制面積為6.18km2。按500年一遇洪水標準計算,一次洪水總量為56.20萬m3,小于趙石畔的現(xiàn)有滯洪庫容57萬m3,因此趙石畔現(xiàn)狀防洪能力為500年一遇的洪水。
本壩系防洪能力分析時段確定為5年、10年、15年、20年,洪水重現(xiàn)期確定為2%、1%、0.5%、0.33%、0.2%。
在建壩5年后,骨干壩均能防300年一遇以上的洪水。
在建壩10年后,趙石畔、石碹壩無防洪能力。葉家畔壩能防100年一遇至200年一遇的洪水,其余壩均能防300年一遇的洪水。石碹、葉家畔壩需要加高。
在建壩15年后,石碹、葉家畔壩無防洪能力,寺好峁壩能防50年一遇至100年一遇的洪水,其余壩均能防500年一遇的洪水。寺好峁壩需要加高。
在建壩20年后,孫家溝、黃草梁、石廟、陳窯則、駝峁、新峁、沙背洼等7座能防200年一遇洪水;陳窯則壩能防300年一遇洪水;前石畔、駝巷兩座壩能防300年一遇洪水。
2.壩系保收能力分析
(1)壩地作物保收標準
影響作物保收的因素有三個:一是淹水深度,二是淹水歷時,三是淤積厚度。有關耐淹試驗結果表明,高稈作物允許淹水深度為80cm,淹水歷時為3~5天,允許淤積厚度為30cm。據(jù)山西王家溝1955-1981年觀測資料及綏德水保站調查資料,當壩地最大允許淹水深度為80cm時,其淹水歷時、淤積厚度均小于作物允許淹水歷時和壩地最大允許淤積厚度,所以,只要壩地淹水深度不超過作物允許淹水深度,淹水歷時、淤積厚度均不會超過允許值??梢?,壩地允許淹水深度是衡量壩地能否保收的關鍵指標,當壩地7~8月淹水深度不超過80cm時,壩地作物能夠防洪保收。因此將壩地允許淹水深度80cm作為壩地防洪保收標準。
(2)壩地防洪保收率
計算頻率分別?。保埃ァⅲ担?、3.33%、2%,通過計算可知:在設計頻率為10%的洪水條件下壩系防洪保收率為88.9%,在設計頻率為5%的洪水條件下壩系防洪保收率為75.2%,在設計頻率為3.3%的洪水條件下壩系防洪保收率為60.5%,在設計頻率為2%的洪水條件下壩系防洪保收率為54.6%。
3.壩系相對穩(wěn)定分析
根據(jù)該流域水文泥沙特性分析,在50年一遇的洪水條件下實現(xiàn)相對穩(wěn)定,壩控面積內(nèi)的淤地面積須達到356hm2,壩系相對穩(wěn)定系數(shù)1/16.8,壩系防護體系控制面積為59.7km2,設計淤地面積為319.3hm2,壩系的相對穩(wěn)定系數(shù)達到1/18.7在30年一遇的洪水條件下實現(xiàn)相對穩(wěn)定,壩控面積內(nèi)的淤地面積須達到292.5hm2,壩系相對穩(wěn)定系數(shù)1/20.4。由此可見,擬建壩系滿足30年一遇洪水條件下的相對穩(wěn)定條件,壩系布局既考慮了壩系攔洪淤地生產(chǎn),又盡量充分利用水資源,最大限度地發(fā)揮了攔泥、淤地、種植、灌溉效益。
六、結論
趙石畔流域壩系經(jīng)過40多年的建設,已經(jīng)形成了以趙石畔骨干工程為中心的攔淤排體系,以石碹、前石畔骨干壩為中心的清洪分治體系,以興龍寺、駝巷、葉家畔為中心的攔淤種植體系。這三大體系將流域中的洪水分而治之,既發(fā)揮了壩系群體防洪功能,又為控制利用洪水創(chuàng)造了條件,可有效解決壩系防洪、攔泥和生產(chǎn)三者之間的矛盾。
壩系相對穩(wěn)定是小流域溝道治理的必然結果,隨著時間的推移和攔泥量的增加,趙石畔流域實現(xiàn)壩系相對穩(wěn)定也是必然的,它在黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)具有廣泛的代表性,因此,在黃土丘陵溝壑區(qū)的大多數(shù)壩系小流域中實現(xiàn)壩系相對穩(wěn)定是完全可能的。
(作者單位:黃河水利委員會綏德水土保持科學試驗站)
責任編輯 韋鳳年