沟道坝地优化利用方式研究

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沟道坝地优化利用方式研究

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 2230


摘要:针对我国黄土高原地区沟道坝地利用方式单一、利用期滞后和效益尚未充分发挥的问题,提出坝地利用应按沟道坝系、坝型及不同时期坝地形成特点,选择不同的坝地利用方式、相应的防洪保收设计洪水频率及工程布局形式,从而实现沟道坝地优化利用,并提出坝地优化利用方式的选择原则、主要利用方式类型。

  关键词:黄土高原地区 沟道坝地 优化利用方式 研究

  一、坝地优化利用必要性与可行性

  1.必要性

  黄土高原地区的坝地是在沟道建成淤地坝的基础上由泥沙淤积沟道的过程中逐步形成的,其坝地面积的增加与坝控区沟道特征、洪量模数、输沙模数及淤积年限等呈正相关关系,即沟道宽平、来洪量大、输沙率高、淤积年限长,则坝地面积的增加速率就大。这说明要形成可保收农作物的坝地是需要一个很长的时段的。依据坝系相对稳定最小系数的公认指标1/20(即坝地面积与坝控面积之比),经单坝典型设计推算表明:在位于强度侵蚀区的陇东南部高原沟壑区,淤地坝单坝达到相对稳定的实需年限大多在100年以上,能确保坝地农作物在出现频率为10%的洪水时保收的淤积坝地实需年限约为35~40年,在位于极强度侵蚀区的陇东北部丘陵沟壑区,淤地坝单坝达到相对稳定的实需年限也需50~70年,能确保坝地农作物在出现频率为10%的洪水时保收的实需年限约为30~35年。据此,即将大规模实施的黄土高原淤地坝建设项目实施后,其所淤坝地在较短时间内是很难发挥种植农作物效益的。因此,优化坝地利用方式,调整坝地利用结构,摒弃单一种植形式,实行宜农则农、宜林则林、宜果则果、宜草则草的运用方式势在必行。这既是实现坝地快速利用和发挥最大效能的战略措施,也是今后坝地利用方式的主要拓展方向,对实现黄土高原地区坝地的优化利用至为重要。

  2.可行性

  坝地利用采用多元方式,主要是基于沟道淤地坝建成后,坝地的形成尚需经历一个从无到有、从慢到快、从少到多逐渐增加的过程和沟道年际来水来沙过程大多属于低于设计频率的实际而设计。就一般而论,在淤地坝建坝初期,坝地面积随淤积年限增加的速率相当缓慢。随着淤积年限和拦泥坝高的增加,坝地形成速率(即拦泥坝高增加1m时坝地的增量)始趋增大,库区次积水深度及年淤积厚度将渐趋减小,坝地利用的概率增加,但仍需选择符合上述坝地形成过程及来水来沙特点的不同利用方式。经对甘肃省环县小河沟治沟骨干坝(1976年由当地群众自建,坝控面积5.31km2,坝高15m)的走访调查和实地勘测:该坝建成第5年遇频率约为10%的雨洪径流入库,最大积水深度3.5m,年淤积厚度1.8m,累计拦泥坝高达到7.9m;第6年最大积水深度1.5m,年淤积厚度0.6m;至第7年汛期,该坝坝体被洪水冲出一个豁口,库水泄空,已形成坝地露出水面,第8年春季,当地群众在库区插植柳树(高1.6~1.8m),当年成活率达100%;第9年春季,重新维修加高坝体至21m并加修放水工程,当年汛期来水最大次积水深度1.1m,当年淤积厚度0.4m,柳树平均高已达到2.2m(不包括被淤的0.4m);之后5年的汛期库区最大积水深度依次为1.4m、1.6m、0.5m、2.3m和0.78m,年淤积厚度依次为0.3m、0.4m、0.1m、0.5m和0.1m,泥面以上平均树高(即不包括被淤部分)依次为3.1m、3.9m、4.9m、5.7m和6.8m.该坝建成14年后,形成坝地面积5.65hm2为坝控面积的1/94,第9年春季栽植5年的柳树累计平均胸径达29cm.该例充分说明:

  (1)坝地不仅仅是在可种植农作物时才可利用而是自可栽植局部短期淹没不致损坏和影响其生长的植物时即可利用,但应设置放水工程设施,排泄库内蓄水,以确保坝地林木的正常生长。

  (2)坝地利用的因时制宜和方式的多元化,可使坝地实现由淤成之后的单一种植利用变为淤中即可造林种草,发展林、果、草多种产业的快速高效利用,提前坝地的可利用期。

  (3)坝地利用的因地制宜和地域特色化,可使黄土高原不同区域的坝地发挥最大效益。

  (4)坝地的优化利用为黄土高原地区解决“三农”问题、改善生态环境和实现山川秀美带来了极好时机和条件。如在高塬沟壑区实行坝地利用的林果化,不仅可为该区农民早日奔小康开辟一条新财源,而且可使该区早日恢复植被,实现山川秀美。

  黄土高原地区坝地利用方式实现多元化的基本条件完全具备,关键技术也基本形成,具备大面积示范推广的条件。

  二、坝地优化利用方式选择原则及主要类别

  1.方式选择原则

  坝地优化利用方式选择应遵循的基本原则是:

  (1)考虑沟道坝系各坝坝型及其功能特点;

  (2)依据不同建设、运行期坝地形成速率;

  (3)根据已形成坝地面积与坝控面积比值;

  (4)按照坝控区实际洪量模数与输沙模数;

  (5)符合坝控区自然特征及农业经济特点;

  (6)经济效益、生态效益及社会效益兼顾。

  2.方式主要类别

  (1)深水类坝地利用方式

  深水类坝地主要是指沟道淤地坝初次建成至设计淤积年限中后期形成的坝地。此阶段坝地的地面高程全部低于设计淤泥面,坝上库区已形成的坝地一直处于被库水淹没状态,坝地自身尚处于无法利用期,但却是水面利用的最佳时期。利用方式主要是利用坝水发展水产养殖业,但后期可采用养鱼和栽植水生植物(如莲藕等)或旱生高大乔木等水土资源混用形式。特别对治沟骨干坝而言,因其设计淤积年限较长,一般多为20~30年,据理论计算和单坝运行情况调查,当淤积年限大于10年时,坝地形成速率明显提升,库区同频率洪水的年次淹水最大深度和年平均淤积厚度开始趋小,坝地进入可利用期,但次淹水深度及年淤积厚度仍远大于农作物利用的设计防洪保收洪水频率(即P=10%)的相应值。据单坝计算分析,如遇频率为10%~20%的洪水入库,坝地次最大淹水深度多在1.5~2.5m之间,年平均淤积厚度为0.4~0.6m,对农作物将造成严重影响,而对高大乔木类植物则相对是安全的,但浸泡时间不能过长。为了提早充分利用坝地,当频率为10%~15%的洪水入库时,若次淹水深度小于1.5m、泥沙年平均淤积厚度小于0.4m时,应考虑采取栽植杨、柳、榆等高大乔木的坝地利用方式,并采用适度降低放水卧管最低泄水孔高程的“低孔控流法”泄空库内蓄水,调节坝内水位,以利坝水鱼类、坝地林木等动植物的正常生长。

  (2)浅水类坝地利用方式

  

防渗膜标准名称为聚乙烯土工膜,主要是乳白色半透明至不透明的热塑性树脂材料-聚乙烯树脂制作而成。聚乙烯是高分子聚合物,是无毒、无味、无臭的白色颗粒,熔点约为110℃-130℃,相对密度0.918—0.965;防渗膜具有良好的耐热性和耐寒性。化学稳定性好,具有较高的刚性和韧性,机械强度好,耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好,随着密度的上升,机械性能和阻隔性能会相应提高,耐热,和抗拉强度也更高;可耐酸、碱、有机溶剂等腐蚀。

浅水类坝地是指坝地在经历初建淤积—加高淤积两个以上设计淤积期后入库泥沙不断淤积过程中形成的坝地。此类坝地的地面高程全部高于放水卧管最低泄水孔高程,由于坝体加高,坝地累计淤积年限增长(淤积年限大多已达30年以上),沟道蓄滞洪区大多抬升至谷宽坡缓高程段,坝地面积随形成速率加快而迅速增加,坝地在同频率洪水下的年次淹水最大深度和年平均淤积厚度明显趋小。以环县七里沟#1骨干坝(1966年建成,坝控面积7.3km2)为例:该坝建成至第24年(即1990年),淤成坝地12hm2为坝控面积的1/60,当年春天在坝地种植玉米,长势极好,至9月21日突遇暴雨(P=15%)洪水,淹水深度1.1m(本属浅水),泥沙淤积厚度0.21m(也不算很厚)但洪水泥沙却吞噬了即将到手的粮食。而在淹水深度为1.8m的环县安乐掌淤地坝库区坝地上生长的杨树(时高6.9m)则安然无恙。这说明:浅水类坝地宜发展梨、桃、杏等一般高度的乔木经济林或芦苇、柠条等可发展编织业的灌木。另也可种植莲藕等喜水植物。

  (3)无水类坝地利用方式

  无水类坝地是指坝地上游建有骨干坝,具有“拦上保下”功能的坝地或坝地相对稳定系数已大于1/20(坝地相对稳定系数为1/?)的坝地。此类坝地已成为可用于农、林、果、草各业利用的安全型坝地,此处不再赘述。

  三、 启示与建议

  坝地利用在我国黄土高原地区是一个古老的话题,但坝地的优化利用及方式的多元化则是一个全新的命题。黄土高原地区的坝地利用虽历史已久,但当初的利用方式多属被动等待型,即只有当坝内存水被特大暴雨洪水冲泄、坝地自然露出水面时才可利用。自20世纪50年代人民治黄以来,随着淤地坝建设的较快发展,坝地面积的逐步增加,坝地作用日益凸现,如何实现坝地的快速、高效利用就显得尤为重要。在坝地利用方式至今仍囿于“以粮为纲”的单一种植业范围,认为只有种粮食才算发挥了坝地的最大效益,其实不然。因为种植农作物的利用方式基本属于淤成利用。在坝系稳定系数很小(即建坝20~30年期间)时,采用坝地农作利用方式的保收率很低。但在此阶段后期,采用在坝地上造林种草,发展林、果、草等产业利用方式的保收率则较大,但尚无大面积采用的典型。为此提出如下建议:

  (1)建议黄土高原已建淤地坝并已形成一定坝地规模的地区,选择符合当地实际的坝地利用多种方式,以实现坝地作用及效益的快速高效发挥。

  (2)坝地优化利用的核心问题是利用方式的多元化、时空流程的合理化。其中因时、因地制宜应是各地选择具体利用方式的首要原则,而最终目的是为提高坝地利用的经济效益、生态效益和社会效益。但由于此题未列专题研究,本研究所得结论仍缺乏可靠的定量界定指标,尤其是黄土高原地域广袤,自然、社经条件差异大,实现坝地优化利用的方式也千差万别。随着黄土高原淤地坝建设项目的大范围、大规模实施,如何使沟道坝地尽快发挥最大效益,实现优化利用的问题,已是摆在我们面前的一个值得深入研究的新课题。本文旨在抛砖引玉,同时建议国家在黄土高原地区淤地坝建设项目的科研监测专项经费中列资研究此题,以求早日为黄土高原地区沟道坝地的优化利用提供科学依据。

  参考文献:

  1 黄土高原淤地坝调查组。黄土高原区淤地坝专题调研报告。中国水利。2003.3.

  2 陈智汉冉大川闫晓玲等。黄土高原地区池窖联蓄系统技术研究。人民黄河。2003.1.


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