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1、淤地坝相对稳定探讨潘建平( 甘肃省渭源县水土保持局，甘肃渭源，7 4 8 2 0 0 )籀溪科学合理地规划、设计和建设淤地坝，是淤地坝工作当前面临的首要任务。淤地坝的相对稳定就是坝地淤地面积应具有一定规模，在设计频率暴雨下，坝地淤地面积与坝控小流域内流失面积达到一定比例，并满足生产利用要求；在校核频率暴雨下，能够保证坝体安全。影响淤地坝相对稳定的因素主要是坝地淤地面积、坝控小流域内流失面积。同一类型区内，满足生产利用要求的最小相对稳定系数是由种植农作物的耐淹水深与洪量模数( 或淤泥厚度与侵蚀模数) 决定的。淤地坝没有达到相对稳定，可通过加高坝体、增大淤地面积来实现，也可通过进行坡面治理、实施坡
2、沟兼治、减少坝控小流域内的流失面积来实现。 j 策馘淤地坝相对稳定相对稳定系数流失面积坡沟兼治淤地坝是黄土高原特定自然条件下的特殊产物，区内最早的淤地坝是由沟道发生大体积的滑坡或滑塌，堵塞沟道而形成的( 群众称“聚湫”) 。人工修建淤地坝，约有4 0 0 年的历史。中华人民共和国成立以来，在总结历史经验的基础上，把淤地坝工程列为水土保持的一项重要措施，尤其是自2 0 世纪8 0 年代中期利用国家有限资金修建骨干淤地坝工程后，提高了建设标准，规范了建设程序，加强了科学研究，工程发挥了应有的骨干作用，使治黄成效大大提高。坝地由于汇集了坡面暴雨径流挟带的熟化的表土，因此土壤肥沃，且水分充足，成为区内
3、重要的基本农田；加之坝地利用时间长、效益高，深受群众欢迎。实践证明，淤地坝是小流域沟道治理行之有效的水土保持工程措施之一，是以小流域为单元进行综合治理、控制泥沙下泄的最后一道防线，其拦泥淤地、建设高产稳产基本农田，对发展干旱山区农业生产，控制入黄泥沙发挥了重要作用。淤地坝作为水土保持生态环境建设的基础和关键性工程措施，已引起国家的高度重视，安排专项资金在黄土高原启动水土保持淤地坝试点工程，工程建设将大规模开展。如何科学合理地规划设计和建设淤地坝，使淤地坝实现相对稳定，从而保证坝地正常生产和坝体安全运行，实现坝地水土资源的高效开发和永久利用，最终使小流域坝系趋于相对稳定，这是淤地坝工作当前面临的
4、首要任务。1 淤地坝坝系的相对稳定研究1 1相对稳定的提出及标准2 0 世纪6 0 年代初，为了解决黄河三门峡水库泥沙淤积问题，有关专家建议在小流域 作者简介潘建平( 1 9 6 8 一) ，男，学士，工程师，主要从事小流域规划设计与淤地坝施工等工作。2 18一、研究与探讨霎热沟壑打坝拦蓄泥沙，减少人黄泥沙，但淤地坝有限的库容如何容纳无限泥沙? 淤满后怎么办? 原黄河水利委员会主任王化云等，通过对一些“天然聚湫”( 天然淤地坝) 的调查后，发现几百年来，“天然聚湫”没有溢洪道，能对洪水泥沙全拦全蓄、不满不溢，认识到淤地坝有足够库容、坝地面积与坝控小流域面积的比例达到一这数值后，淤地坝对洪水泥沙
5、能长期控制，而不致影响坝地作物生长；同时洪水挟带的泥沙在坝地内被“消化”利用，能达到暴雨产沙与淤积的相对平衡。为此有关专家学者对淤地坝的设想进行了研究和探讨。通过研究、分析、总结，提出了坝系相对稳定概念。坝系的相对稳定，就是在一定的频率暴雨条件下，淤地坝能够保持工程安全和坝地作物保收，实现对洪水泥沙的控制。坝系相对稳定标准体现在：淤地坝工程保坝安全，即在一定频率( 2 0 0 3 0 0 年一遇) 暴雨洪水条件下，能够保证坝体工程的防洪安全；坝地保收，即在一定频率( 5 2 0 年一遇) 暴雨洪水条件下，坝地淹水深度小于作物允许耐淹水深，淹水时间小于作物允许淹渍时间，同时年泥沙淤积厚度控制在一
6、定范围内，保证作物产量不受较大损失。根据黄土高原暴雨特点和作物生长物候期所进行的坝地作物淹水试验研究，坝地作物允许淹水深度不大于0 7 m 、淹水历时不大于7 昼夜、年淤积厚度不大于0 3 m ，将此作为淤地坝作物保收标准。1 2 相对稳定的条件坝地面积与小流域控制面积之比为淤地坝相对稳定系数，用k 表示。随着坝地面积增加，相对稳定系数逐渐增大，当达到相对稳定阶段，此时的相对稳定系数称为相对稳定临界值，用k 。表示。当愚愚。时达到相对稳定，当忌 愚。时未达到相对稳定。根据研究，坝系相对稳定临界值为1 2 5 1 l o 。2 淤地坝的相对稳定2 1坝系相对稳定理论存在的问题目前，坝系相对稳定理
7、论在理论和实践上存在一些问题：从理论和数学角度看，相对稳定系数越大应当越稳定；反之较不稳定。有些小流域坝系的相对稳定系数比较小，但在实践中运行多年，经历了较大洪水的冲击，仍然基本完好，有些老坝系的相对稳定系数比较大，现实中却不安全、不稳定。即使坝系的相对稳定系数较高，也就是说能够满足“加高坝体工程量较小”的条件，但淤地坝不能无限地加高下去，即只f 毙J J I 高到坝地面积等于坝控面积。坝系相对稳定主要是以子坝系中的骨干坝来提高坝系整体防洪标准，保证坝系的工程安全和生产安全。所以分析坝系相对稳定，首先要分析单个淤地坝的相对稳定，单坝实现了相对稳定，多个单坝组合起来的坝系才有可能实现相对稳定。2
8、 2淤地坝相对稳定概念之探讨杨光琦等在“甘肃省淤地坝坝系安全与探讨”一文中说“一个稳定的单元，在满足一定的利用前提下，其坝地面积与其对应的流失面积必须达到一定比例，方可实现安全、稳定”。可以看出，杨光琦等明确提出坝地淤地面积与坝控内流失面积相对应，并不与坝控面积相对应。同时在该文中分析坡面梯田工程的拦蓄能力时说“淤地坝坝控小流域内的各项水土保持治理措施，对暴雨径流有一定的滞蓄、截流、防止冲刷的作用，特别是2 19p e癌溪中国水土保持探索与实践坡面梯田工程，田面水平，埂高在4 0 0 5 0 0 m m ，每一梯田地块不仅全拦全蓄，而且还能够拦蓄大于自身3 4 倍的坡面产流量，其拦蓄能力是高于
9、淤地坝工程的拦蓄能力”。也就是说，在一定频率暴雨下( 如淤地坝设计频率) ，坝控小流域内不是全部发生水土流失，而是部分发生水土流失。当较小频率暴雨发生时，水土保持治理措施拦蓄能力大，坝控小流域内发生的流失面积就小，流失量少，坝地淹水深度、泥沙淤积厚度就小；当较大频率暴雨发生时，水土保持治理措施拦蓄能力相对较弱，坝控小流域内发生的流失面积就多，甚至是全部发生了水土流失，流失量多，坝地淹水深度、泥沙淤积厚度就大。由此可知，坝地淹水深度、泥沙淤积厚度与坝控小流域内流失面积成一定的正比关系。坝地淤地面积小，坝地淹水深度、泥沙淤积厚度就大；反之就小。坝地淤地面积与坝地淹水深度、泥沙淤积厚度成定的反比关系
10、。同一类型区，一定频率暴雨下，要使坝地作物允许淹水深度和允许泥沙淤积厚度小，则坝地淤地面积就要大或小流域内的流失面积要少；反之，坝地作物允许淹水深度和允许泥沙淤积厚度大，则坝地淤地面积就要小或小流域内的流失面积要大。所以，当坝地作物允许淹水深度和允许泥沙淤积厚度确定后，坝地淤地面积与坝控小流域内流失面积成比例关系，而与坝控小流域面积不是成比例，只是相关的。2 3 淤地坝的相对稳定概念淤地坝的相对稳定概念，是由淤地坝的作用、功能决定的。淤地坝的作用主要是拦泥淤地，减蚀和滞洪；其功能主要是拦泥淤地、发展基本农田。那么，淤地坝的概念可以理解为：当坝控小流域内流失面上产生的流失量与淤地坝的拦蓄量达到一
11、定比例，并满足一定的利用要求，淤地坝就实现相对稳定。按此推理：志。W 失= W 拦；从公式推导可以看出，流失量( w 失) 是指在坝控小流域内流失面上流失的泥沙或洪水的总量，W 失= F 失h 。( ，一M j ) ，或h 。一M p ) ；拦蓄量( 拦) 为淤地坝拦蓄流失的泥沙或洪水总量，W 拦一S 淤h 。；整理得：k 。h ，h 。一S 淤V 失，令k k 。h 1 h 。；则淤地坝的相对稳定公式：忌一S 淤F 失( 1 )式中：S 淤为坝地淤地面积( k m 2 ) ；F 失为坝控小流域内流失面积( k m 2 ) ；W 拦为淤地坝拦蓄总量( 1 0 4r n 3 ) ；W 失为坝控小
12、流域内流失总量( 1 0 4r n 3 ) ；k 为淤地坝相对稳定系数，即坝地淤地面积与坝控小流域内流失面积的比值；k 。为淤地坝拦蓄系数，取值为大于零的数，当拦蓄系数( 忌o ) 为不小于1 时淤地坝是全拦全蓄；h ，为径流深或侵蚀深( c m ) ；h ：为坝地最大淤地面积时拦蓄深( c m ) 。M ，为频率为P 的暴雨洪量模数( 1 0 4 m 3 k m 2 ) ；M S 为小流域土壤侵蚀模数( 1 0 4 t k m 2 ) ；) ，为淤积泥沙容重( t m 3 ) ，一般取1 3 。由相对稳定公式可知，淤地坝的坝地淤地面积与坝控小流域内流失面积达到一定比例后，并满足发展农业生产、
13、持续永久利用的目的，淤地坝就实现相对稳定。也就是在已实现相对稳定的淤地坝单元内，坝地淤地面积应具有一定规模，在发生设计频率( 般为5 2 0 年一遇) 暴雨洪水条件下，流人坝地的洪水及所挟带的泥沙均不影响农作物的正常生长；在发生校核频率( 一般为1 0 0 3 0 0 年一遇) 暴雨洪水条件下，能够安全滞蓄排泄，确保坝地安全。2 4 淤地坝的相对稳定系数由公式( 1 ) 可知，淤地坝的相对稳定系数就是坝地淤地面积与坝控小流域内流失面2 2 0一、研究与探讨梨积之比。相对稳定系数主要反映了淤地面积和坝控小流域内流失面积之间的关系，当淤地坝的淤地面积大( 沟道宽阔、纵坡比降s b ) 或坝控小流域
14、内流失面积小时，相对稳定系数就大，该坝越容易达到相对稳定状态，并趋于稳定；反之，淤地面积小( 沟道狭窄、纵坡比降大) 或坝控小流域内流失面积大时，相对稳定系数就小，该坝达不到相对稳定状态。在淤地坝的相对稳定状态下，流入坝地的洪水及所挟带的泥沙均不影响农作物的正常生长，实际上就是坝地生产保收条件。当坝地生产保收条件满足坝控小流域设计频率产洪量不大于坝地保收允许滞洪量，且小流域产沙量不大于坝地保收年允许淤积拦沙量，即：M P F 失d P 允S 淤，变形整理得：d P M p F 失5 嵌d P 允，k 。，N I p d P 允( 2 )M s F 失d s 允y S 淤，变形整理得：d s =
15、 M s F 失r s d s 允，k 。2 M s r d s 允( 3 )式中：d ，为坝内淹水深度( c m ) ；d 。为坝地年泥沙淤积厚度( c m ) ；d ，允为坝地作物保收允许的坝内耐淹水深( c m ) ；d 。允为坝地作物保收允许坝地年泥沙淤积厚度( c m ) ；k 。为相对稳定淹水临界值；k 。为相对稳定淤积临界值；其他符号意义同前。在相对稳定的坝体安全防汛条件中，工程枢纽选择为坝体、卧涵管“二大件”时，滞洪库容应大于一次校核洪水总量：V 滞矾邹F 失工程枢纽选择为坝体、溢洪道“二大件”时，根据校核洪水总量，通过调洪演算确定的滞洪库容：V 滞V 洪式中：V 滞为淤地坝的
16、滞洪库容( 1 04 m 3 ) ；V 洪为调洪演算确定的滞洪库容( 1 0 4 1 - 1 2 3 ) ；口为安全系数，即对坝地淤积纵坡及坝地利用等所产生的不安全情况进行修正的系数；其他符号意义同前。当相对稳定系数达到一定的要求值，就满足坝地生产保收条件和坝体安全防汛条件。由公式( 2 ) 和公式( 3 ) 可知，在某一类型区，满足生产利用要求的最小相对稳定系数是由种植作物的耐淹水深与洪量模数( 或淤泥厚度与侵蚀模数) 决定的。按照类型区的自然条件，种植的农作物是可知的，而农作物的耐淹水深、淤泥厚度可由农业技术手册查知；洪量模数可由水文资料查知；侵蚀模数可由水土保持区划查知。这样，在某一类型区内，淤地坝实现稳定的最小相对稳定系数是确定的。渭源县地处黄土高原与西秦岭山脉的交汇地带，南部属土石山区，为中度侵蚀区；北部属黄土丘陵区第五副区，为强度以上侵蚀区。北部降雨量偏少，年内分布不均，降雨主要集中在7 9 月，且多以暴雨形式出现。在7 月后，种植夏季农作物已
