府谷縣黑家峁攔沙壩建設(shè)效益分析

段莉芳，孫旭偉

（1.府谷縣水利工作隊，陜西 榆林 719499；2.府谷縣河道養(yǎng)護站，陜西 榆林 719499）

黃土高原水土流失嚴重，在該區(qū)域開展攔沙壩建設(shè)，對減少進入黃河干流的泥沙和下游河道泥沙淤積、改善當?shù)厝罕娚a(chǎn)生活條件和當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境意義重大?，F(xiàn)以黑家峁攔沙壩為例，對其建設(shè)效益進行探析。

1 概況

黑家峁流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍嗄昶骄邓?24.4 mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期，占年降水量的78.3%。徑流以超滲產(chǎn)流為主，由于暴雨量大且集中，超滲產(chǎn)流形成的洪量也大，洪水一般為尖瘦型，具有地表產(chǎn)匯流快，洪水流量大、歷時短、含沙量大，極易形成洪災(zāi)，沖淹農(nóng)田，并向下游大量輸沙的特點。為了減少流域泥沙，規(guī)劃在黑家峁溝修建攔沙壩，壩控流域面積0.70 km2，庫容小于10 萬m3，按小型淤地壩標準設(shè)計。工程由壩體、放水工程組成，具有滯洪、攔泥、淤地等綜合功能。

2 大壩建設(shè)方案

黑家峁攔沙壩屬小型攔沙壩，設(shè)計洪水重現(xiàn)期為20 a，校核洪水重現(xiàn)期為50 a，設(shè)計淤積年限為5 a。

2.1 壩址選擇

壩址選擇應(yīng)避開較大彎道、跌水、泉眼、斷層、滑坡體、洞穴等，壩肩不得有沖溝[1]。經(jīng)過調(diào)查，黑家峁攔沙壩壩址處溝道順直，溝谷相對較窄，溝道比降15.8‰，無跌水、泉眼、斷層、滑坡體、洞穴等，筑壩工程量較小。壩址處兩岸地質(zhì)條件較好，左右壩肩頂部山坡處筑壩土料豐富，儲量能夠滿足工程建設(shè)需要。庫區(qū)淹沒零星樹木，下游無居民點、學(xué)校、工礦、交通等重要設(shè)施，所以壩址選擇合理，有利于防洪攔沙。

2.2 壩體設(shè)計

黑家峁攔沙壩為碾壓式均質(zhì)土壩，土壩壩軸線垂直溝道布設(shè)，壩頂長62.91 m，壩頂寬5 m，溝底高程905.00 m，壩頂高程927.00 m，最大壩高22.0 m。上游壩坡坡比1∶2.0，下游壩坡坡比1∶1.75，下游壩坡在壩高10 m 處設(shè)1 道寬1.5 m 的馬道。在下游壩坡馬道及岸坡布設(shè)縱橫向排水溝，總長280 m。壩坡撒播種草。

2.2.1 攔泥壩高與滯洪壩高確定

大壩最高洪水位為925.08 m，攔泥高程為920.53 m，滯洪高程為925.08 m，相應(yīng)的淤地面積為0.85 hm2，攔泥壩高15.53 m，滯洪壩高4.55 m。按照《淤地壩技術(shù)規(guī)范》的要求，淤地壩安全超高取1.92 m，碾壓壩沉降量取壩高的2%[2]，則黑家峁攔沙壩壩高為15.53+4.55+1.92=22.0（m），相應(yīng)壩頂高程為927.00 m，壩體沉降量為22.0×2%=0.44（m）。

2.2.2 壩體斷面尺寸確定

黑家峁攔沙壩為機推碾壓法施工的均質(zhì)土壩，壩高22.0 m，按照《淤地壩技術(shù)規(guī)范》的要求，壩頂寬取5 m，上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡在距壩頂10.0 m處設(shè)1道馬道，馬道寬1.5 m，下游壩坡坡比均為1∶1.75。經(jīng)計算，壩體底寬為88.50 m。

2.2.3 清基及削坡設(shè)計

土壩清基厚度為0.5 m?；A(chǔ)開挖后要求輪廊平順，避免地形突變，如開挖后發(fā)現(xiàn)破碎帶，應(yīng)視具體情況進行處理。按照規(guī)范要求，壩體與岸坡結(jié)合應(yīng)采用斜坡平順連接，岸坡整修成正坡，由于岸坡高差大且較陡，考慮整修正坡時需留機械工作面，坡度設(shè)為1∶0.5。

2.2.4 結(jié)合槽設(shè)計

為使壩體與壩基及岸坡牢固結(jié)合，依據(jù)《淤地壩技術(shù)規(guī)范》的要求，在壩軸線布設(shè)1道結(jié)合槽及結(jié)合齒墻。其中，齒墻頂寬0.5 m，底寬1.0 m，高1.5 m，伸入巖層0.5 m；結(jié)合槽深2 m，底寬2 m，邊坡1∶1.0。

2.2.5 壩坡排水及壩面護坡設(shè)計

為防止壩坡沖刷，上、下游岸坡與壩坡結(jié)合處分別布設(shè)排水溝，布設(shè)長度280 m。工程竣工后，對壩體上、下游面壩坡設(shè)置植草護坡，草種選擇紫花苜蓿，播種量為50 kg∕hm2。

3 攔洪效益分析

3.1 洪水特征

黑家峁溝流域以超滲產(chǎn)流為主，由于暴雨量大且集中，所形成的洪水一般為尖瘦型，即峰高、歷時短、洪峰流量大、含沙量高。洪水由暴雨形成，洪水出現(xiàn)的時間與暴雨一致，最大洪峰流量一般出現(xiàn)在6—9月，以7、8 兩月出現(xiàn)的頻次最高。

3.2 設(shè)計洪水計算

考慮到陜北及陜蒙接壤地區(qū)暴雨洪水特性，采用推理公式法計算設(shè)計洪水?！队芰值貐^(qū)實用水文手冊》中的設(shè)計洪水推理公式為：

式中：Qp為設(shè)計頻率為P的最大洪峰流量（m3∕s）；h為凈雨深（mm），全面匯流時代表相應(yīng)于τ時段的最大凈雨，部分匯流時代表單一洪峰對應(yīng)的面平均凈雨；F為流域面積（km2）；τ 為流域匯流歷時（h）；L為沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長距離（km）；m為匯流參數(shù)；J為沿程L的平均比降（以小數(shù)計）[3]。根據(jù)《榆林地區(qū)實用水文手冊》《陜西省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》，6 h 凈雨總量（產(chǎn)流量）在5%、2%降雨頻率時分別為58.8、89 mm。采用暴雨推求設(shè)計洪水產(chǎn)匯流計算的方法，查算出匯流參數(shù)m在5%、2%降雨頻率時分別為1.15、0.97，根據(jù)式（1）假定Qp并繪制Qm-τ曲線，同時根據(jù)凈雨過程繪制Qt-t曲線，2 條曲線的交點所對應(yīng)的縱坐標即為所求的洪峰流量Qp，橫坐標即為匯流歷時τ。通過以上分析計算，匯流歷時τ 為0.33，設(shè)計頻率5%時洪峰流量為24.8 m3∕s，設(shè)計頻率2%時洪峰流量為33 m3∕s。推理公式法在計算中考慮了前期影響雨量和流域產(chǎn)匯流特征，計算過程基本反映了流域的長度、面積、比降等因子對洪水的影響，因此采用此法計算設(shè)計洪水比較科學(xué)。

3.3 設(shè)計洪水總量推求

設(shè)計洪水總量的推求基于《淤地壩技術(shù)規(guī)范》（SL∕T804-2020）[4]。根據(jù)降雨徑流關(guān)系，不同頻率洪水總量按下式計算：

式中：WP為設(shè)計頻率為P的洪水總量（萬m3）；a為洪水總量徑流系數(shù)，P=5%時為0.43，P=2%時為0.46；hp為設(shè)計頻率為P的流域中心點6 h 雨量（mm）。

經(jīng)計算，黑家峁小型攔沙壩設(shè)計洪水總量為3.52萬m3，校核洪水總量為4.84 萬m3。該攔沙壩的興建可控制流域內(nèi)50 a一遇的洪水，有效減輕下游洪災(zāi)。

3.4 庫容計算

黑家峁小型攔沙壩總庫容由滯洪庫容和攔沙庫容組成。

3.4.1 滯洪庫容

黑家峁小型攔沙壩主要功能為攔沙，所以不設(shè)置泄洪建筑物，其滯洪庫容即為一次校核洪水總量，即4.84萬m3。

3.4.2 攔沙庫容

黑家峁小型攔沙壩攔沙庫容按下式計算：

式中：VL為攔泥量（萬m3）；WS為多年平均輸沙量（萬m3∕a）；N為淤積年限（a）[5]，取5 a。

經(jīng)計算，VL=0.93×5=4.65（萬m3）。

3.4.3 總庫容

黑家峁小型攔沙壩不設(shè)置泄洪建筑物，滯洪庫容應(yīng)按一次校核洪水總量計算。攔沙壩總庫容由滯洪庫容和攔沙庫容組成，即V總=VL+VZ=4.65+4.84=9.49（萬m3）。

3.5 攔洪效益

黑家峁小型攔沙壩防洪能力為50 a一遇洪水標準，滯洪庫容4.65 萬m3。在運行期間，攔沙壩可以削洪調(diào)沙，調(diào)節(jié)河川徑流，降低洪水含沙量，減輕下游防洪壓力，減小洪澇災(zāi)害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失，為合理利用雨洪資源創(chuàng)造有利條件。

4 攔沙效益分析

黑家峁溝流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)，流域內(nèi)地貌類型為黃河沿岸土石山區(qū)，地面土層覆蓋較淺，溝壑縱橫，坡陡溝深，地形破碎，水土流失嚴重。

4.1 泥沙特征

黑家峁溝流域不同物質(zhì)組成的下墊面產(chǎn)沙方式及過程有很大差異，而支流產(chǎn)沙和輸沙在很大程度上還取決于高含沙水流的水力特性。礫質(zhì)丘陵區(qū)（砒砂巖區(qū)）和黃土區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)非常大，使得粗泥沙集中來源區(qū)成為黃河中游的高產(chǎn)沙區(qū)。在黃土覆蓋區(qū)，溝谷地以谷坡重力侵蝕和溝道水流侵蝕為主，溝間地以坡面沖刷為主。黃土覆蓋層深厚、垂直節(jié)理發(fā)育、質(zhì)地疏松，遇水崩解速度較快，其抗蝕性很弱。因此，地面溝壑密度大，土壤侵蝕模數(shù)較高。

根據(jù)黑家峁溝相近的孤山川的高石崖站實測資料，1954—2017 年年均輸沙量為1 540 萬t，最大年輸沙模數(shù)高達6.636 萬t∕（km2·a）（1977 年），最小為0.000 3萬t∕（km2·a）（2015年），平均為1.21萬t∕（km2·a）。侵蝕產(chǎn)沙主要集中在6—9 月，沙量可占全年沙量的90%以上，并且主要集中在幾場暴雨洪水中。

4.2 土壤侵蝕模數(shù)分析

黑家峁小型攔沙壩位于石馬川黃土丘陵三片區(qū)，壩控流域內(nèi)植被茂密，土質(zhì)地表均為退耕還林地，裸露地表均為巖石地面。根據(jù)當?shù)貙嶋H情況及相關(guān)規(guī)范，確定黑家峁溝流域的土壤侵蝕模數(shù)為1.8 t萬∕（km2·a）。

4.3 年輸沙量計算

黑家峁小型攔沙壩控制流域年輸沙量可用下式計算：

式中：Ws為多年平均輸沙量（萬m3∕a）；S為多年平均輸沙模數(shù)[t∕（km2·a）]，取1.8 萬t∕（km2·a）；F為流域面積（km2），取0.7 km2；γ為泥沙容重（t∕m3），取1.35 t∕m3。

經(jīng)計算，壩控流域年輸沙量為0.93 萬m3。攔沙壩建成后，能直接控制0.70 km2的洪水泥沙，使壩控范圍內(nèi)的洪水泥沙得到有效攔蓄和調(diào)節(jié)，有效地防止溝道下切、溝岸擴張，抬高侵蝕基面，穩(wěn)定溝坡，調(diào)節(jié)河川徑流，降低洪水含沙量，減輕水土流失，充分利用水沙資源建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)壩地。在5 a 的攔沙期內(nèi)，形成攔沙庫容4.65 萬m3，可攔沙6.28 萬t，對改善當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)民的生產(chǎn)生活條件、助力鄉(xiāng)村振興工作意義重大。

5 經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益分析

5.1 壩地種植效益

黑家峁小型攔沙壩達到設(shè)計淤積年限后，可淤壩地0.85 hm2，種植面積按80%計算，實際可利用壩地0.68 hm2，若壩地單產(chǎn)按417 kg∕hm2、糧食單產(chǎn)按1.2 元∕kg 計算，則每年種植效益=0.68×417×1.2=0.34（萬元）。

5.2 攔泥減淤效益

黑家峁小型攔沙壩5 a 可攔泥4.65 萬m3，若按40%泥沙沉積下游河床、下游河床每清淤1m3費用為30元計算，則減泥效益可達55.8萬元。

5.3 社會效益

黑家峁小型攔沙壩建設(shè)可有效地控制土壤侵蝕，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。該工程建成后，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)壩地將達到0.85 hm2，促使該村農(nóng)民改廣種薄收為少種高產(chǎn)多收，農(nóng)民收入有望得到較大提高。同時，土地資源得到充分開發(fā)利用，土地利用結(jié)構(gòu)得到進一步合理調(diào)整。 黑家峁小型攔沙壩建成后受益區(qū)為王家洼村，壩頂作為連通鄉(xiāng)村級道路的橋梁，改善了當?shù)亟煌l件，有力地促進了農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和鄉(xiāng)村振興工作的開展。

5.4 生態(tài)效益

5.4.1 蓄水保土作用顯著

黑家峁小型攔沙壩建設(shè)將會對洪水泥沙增加攔蓄作用，促進退耕還林和封育治理工作的順利開展，從而使流域內(nèi)嚴重的水土流失得到有效控制。其主要表現(xiàn)在以下2個方面：①壩地攔蓄水土，避免了土壤養(yǎng)分的流失，加速了土壤的熟化過程，改善了作物生長的土壤環(huán)境，將更加有利于作物的生長發(fā)育，同時高質(zhì)量溝壩地建設(shè)可以大大提高作物的單產(chǎn)量；②由于壩地保水保肥效能增強，溝壩地的糧食單產(chǎn)能達到坡耕地的7倍，使水土資源得到充分的利用。

5.4.2 減少入黃泥沙

黑家峁小型攔沙壩的建設(shè)使流域嚴重的水土流失得到基本控制，可有效地減少進入下游河道的泥沙，延緩下游清水川河道淤積，從而減輕了下游河道清淤工作量，節(jié)省了大量的人力、物力和經(jīng)費。

6 結(jié)語

通過分析探討，黑家峁小型攔沙壩建成后能直接控制0.70 km2的洪水泥沙，在設(shè)計淤積5 a內(nèi)可滯洪4.84 萬m3、攔泥4.65 萬m3，使壩控范圍內(nèi)的洪水泥沙得到有效攔蓄和調(diào)節(jié)，可淤壩地0.85 hm2、攔截泥沙6.28 萬t，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益可達56 萬元。工程實施后，在為當?shù)剞r(nóng)民帶來經(jīng)濟效益的同時，可促進當?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟快速增長，助推鄉(xiāng)村振興發(fā)展。