坝系相对稳定系数的研究与应用

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　摘要：小流域沟道坝系建设是黄河中游多沙粗沙区水土保持生态建设的重点工程。坝系相对稳定理论的研究对今后搞好相对稳定坝系规划与建设具有十分重要的意义。通过对坝系相对稳定理论的研究，并结合正在开展的黄河中游地区15条坝系可行性研究报告编制的实践，提出了坝系相对稳定的内涵、坝系与相对稳定坝系的区别以及不同类型区坝系相对稳定系数的取值范围关键词：坝系 相对 稳定系数 研究

　　一、坝系与坝系相对稳定的概念及内涵

　　1.坝系

　　坝系是指小流域沟道中由骨干坝、生产坝、塘坝等小多成群的坝群所组成的相互配合的工程体系。在坝系中，不同类型的单坝所起的作用不同，对坝系防洪拦泥起控制作用的坝称为骨干坝（或治沟骨干工程），以拦泥淤地、发展生产为主要目的的坝称为生产坝（或淤地坝），以蓄水、灌溉为主要目的的坝称为塘坝（或小水库）。受投资、自然条件等因素的限制，单坝的防洪保收、拦泥滞洪、防御洪水的能力较低，易造成工程损坏。而在坝系中，由于布设了控制性骨干工程，各坝按照分工要求联合运用，大大提高了小流域沟道工程的防洪保收、抗御自然灾害的能力。

　　2.坝系相对稳定的概念

　　所谓坝系相对稳定，是指小流域坝系工程建设总体上达到一定规模，通过治沟骨干工程、淤地坝和塘坝群的联合调洪、拦泥和蓄水，使小流域洪水泥沙得到充分利用，在较大暴雨（200年一遇）洪水条件下，坝系中的治沟骨干工程的安全可以得到保证；在较小暴雨（10年一遇）洪水条件下，坝地作物可以保收；坝地年平均淤积厚度小于30cm，需要加高的坝体工程量相当于基本农田岁修的单位工程量。坝系来水来沙与坝体加高达到一种相对稳定的状态，坝系可实现持续安全和高效利用。

　　在坝系相对稳定研究中，把小流域坝系中淤地面积与坝系控制面积的比值称为坝系相对稳定系数。

　　3.坝系相对稳定的内涵

　　从坝系相对稳定的概念出发，对于一条小流域沟道坝系工程，要达到坝系相对稳定，必须同时满足以下条件：

　　（1）坝系安全条件。即保证坝系在一定设防标准洪水下安全运行的条件。坝系的防洪安全是由坝系中的治沟骨干工程承担的。因此坝系的安全标准取决于坝系中治沟骨干工程的校核洪水标准。按现行的《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范SD175－186》，治沟骨干工程的校核洪水标准，库容在50万～100万m3的工程为200年一遇～300年一遇洪水，库容在100万～500万m3的工程为300年一遇～500年一遇洪水。所以，坝系的防洪安全条件最低为200年一遇洪水。也就是说，坝系达到设计淤积高度后，流域中起控制作用的各治沟骨干工程的滞洪库容大于相应的校核洪水总量。

　　（2）坝系保收条件。即坝系在设计保收暴雨（10年一遇）洪水作用下，能够保证坝地作物安全生长而不被洪水淹死的最低条件。也就是说，坝系达到设计淤积高度后，坝系在设计保收洪水作用下，坝地淹水深度小于作物最大耐淹深度。根据黄河中游地区黄土丘陵沟壑区第一副区的调查结果，坝地最大积水深度小于70cm、且坝地内清水通过放水建筑物在3天内排完时，坝地农作物仍能高产稳产。

　　（3）坝系加高工程量条件。即坝系中坝体年平均加高的工程量相当于农田基建的单位工程量。坝系达到相对稳定时，坝地还在淤积，当坝地的平均淤积厚度小于30cm时，坝系中各单坝每年需要加高坝体的工程量相当于一般基本农田的单位维修量，群众可以自己加高维护，不需要列入基本建设项目，从而实现流域水沙的相对平衡和坝系工程的可持续利用。

　　（4）坝系控制洪水泥沙的条件。即坝系中的治沟骨干工程对小流域洪水泥沙的控制条件。当发生一般洪水时，泥沙淤积坝地，清水排泄；当发生坝系设防标准洪水时，洪水被拦截在骨干坝中，使泥沙不出沟。因此，丧失滞洪和拦沙能力的坝系?不能称之为相对稳定的坝系。

　　4.坝系与相对稳定坝系的区别

　　（1）坝系涵盖了相对稳定坝系，相对稳定是坝系发展的更高阶段。

　　（2）坝系在设防标准内允许洪水泥沙排泄到系统之外，而相对稳定坝系在设防标准内可以将清水排出系统之外，不允许将洪水泥沙排泄到系统之外。

　　（3）坝系中各坝的相关性是通过坝系下游保护对象的安全生产或维持性运行来联系的，而相对稳定坝系中各坝的相关性是通过坝系下游保护对象的滞洪拦泥或可持续发展能力来联系的。

　　（4）只有相对稳定坝系才能够适用于坝系相对稳定理论的方法进行坝系规划和相对稳定程度评价。

　　二、不同类型区坝系相对稳定系数的取值范围

　　1.洪量模数对坝系相对稳定系数的影响

　　洪量模数对坝系相对稳定系数的影响主要表现在同一防洪保收标准条件下，不同地区洪量模数（即单位面积产生的洪水量）差别较大，对坝地作物的淹水深度差别也较大。如果作物的最大淹水深度一定，则洪量模数大的地区，作物保收要求的相对稳定系数要大一些。不同地区、不同防洪保收标准条件下，作物最大淹水深度为70cm时，坝系防洪保收的相对稳定系数见表1.

　　由表1可知，10年一遇洪水的洪量模数在1.8万～4.8万m3／km2之间，满足防洪保收相应的坝系相对稳定系数在1／39～1／15之间。可见，同样的防洪保收标准，同样的作物耐淹深度，由于不同地区的洪量模数不同，其要求的坝系相对稳定系数差别也不同，相差在1倍以上。

　　2.侵蚀模数对坝系相对稳定系数的影响

　　侵蚀模数对坝系相对稳定系数的影响主要表现在不同地区土壤侵蚀模数差别较大，导致坝地年平均淤积厚度差别也较大。如果年淤积厚度一定，则侵蚀模数大的地区，要求的相对稳定系数要大一些。不同地区不同淤积厚度时，坝系加高工程量要求的相对稳定系数见表1.

　　由表1可知，土壤侵蚀模数在5000～18000t／a·km2之间时，满足坝系加高工程量相应的坝系相对稳定系数在1／78～1／22之间。可见，同样的加高工程量，由于不同地区的土壤侵蚀模数不同，其要求的坝系相对稳定系数差别很大。目前治沟骨干工程分布范围的土壤侵蚀模数在5000t／a·km2以上，局部地区土壤侵蚀模数高达30000～40000t／a·km2，满足坝体加高工程量相应的坝系相对稳定系数为1／13～1／10.

　　3.不同类型区坝系相对稳定系数的取值范围

　　从黄河中游地区15条坝系统计分析我们可以看出：

　　在强度侵蚀区，坝系相对稳定的制约因素是防洪保收洪水的洪量模数，由于土壤侵蚀模数小，容易满足年淤积厚度30cm的要求，坝系相对稳定系数完全由洪量模数控制。坝系相对稳定系数为1／40～1／18.

　　在极强度侵蚀区，一般在侵蚀模数小于13000t／a·km2的地区，坝系相对稳定系数仍由洪量模数控制；在侵蚀模数大于13000t／a·km2的地区，坝系相对稳定系数则由土壤侵蚀模数控制。坝系相对稳定系数为1／39～1／15.

　　在剧烈侵蚀区，土壤侵蚀模数成为制约坝系相对稳定的决定因素。坝系相对稳定系数为1／26～1／10.

　　三、结 论

　　1.坝系的安全条件

　　坝系防洪标准取决于坝系中治沟骨干工程单坝的最低校核洪水标准。坝系的安全条件只与坝系中起控制作用的治沟骨干工程的滞洪能力有关，与坝系相对稳定系数的大小无关。即坝系的防洪安全指标应用坝系中的治沟骨干工程校核洪水标准来检验，而不能用坝系相对稳定系数来判断。

　　2.坝系的保收条件与加高工程量条件

　　坝系的保收条件与加高工程量条件与坝系相对稳定系数密切相关。坝系相对稳定系数的大小，取决于沟道坝系所在小流域的10年一遇洪水的洪量模数与土壤侵蚀模数的大小。

　　3.不同类型区坝系相对稳定系数的临界值

　　一般来说，强度、极强度和剧烈侵蚀区坝系相对稳定系数的临界值分别在1/40～1/18、1/39～1/15和1/26～1/10.

　　4.坝系控制洪水泥沙的条件

　　坝系相对稳定理论是建立在坝系对小流域洪水泥沙全面控制的基础上，如果坝系失去对小流域洪水泥沙的控制作用，则不能用坝系相对稳定理论对坝系的相对稳定程度进行评价。可以对原坝系进行适当分解后，在坝系中对洪水泥沙有控制作用的单元内进行分析评价。