宁南山区淤地坝功能转换的定位划分指标体系
2014-07-05李娟张维江
李娟 张维江
摘要：随着气候及下垫面条件的变化，淤地坝内的洪水总量及淤积量降低，运行水位低于死水位而无法利用。可对有必要、有条件的淤地坝工程进行库坝功能转换，使其在保证防洪安全的前提下兼具小型水库的供水功能。以宁南山区典型流域为例，建立了包含工程位置、淤积速率、梯田面积比例的指标体系，对宁南山区淤地坝工程的功能划分及定位进行了研究。对定位为供水功能的工程，通过水文核算、工程改造等实现其功能的转换，使淤地坝工程兼具防洪供水功能，实现坝系水资源化，从而增加流域水资源可利用量，提高水资源及工程的利用效率。
关键词：淤地坝； 功能定位与划分；宁南山区；好水川流域
中图分类号：TV697.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）05-1021-04
黄土高原地区水土流失严重，生态环境脆弱敏感。为了保持水土、减小水土流失危害，建设了大量的淤地坝。据统计，黄土高原地区已建成淤地坝11万余座，拦蓄泥沙210多亿平方米，淤成坝地30多万hm2，保护川台地近2万多hm2，有效改善了黄土高原的水土保持状况，在一定程度上缓解了水土流失[1]。在取得了重大成就的同时，淤地坝建设也存在一些不足，如布局不合理、工程不配套、坝系水资源不可调度、降低区域水资源可利用量、水资源高效利用重视度低。这些问题都制约着淤地坝工程的运行与发展[2，3]。淤地坝系既要拦蓄洪水泥沙，又要发展农业生产，除少数以防洪为主的骨干坝能蓄水外，淤地坝内多不能长时间蓄水[4]。同时，有限的径流被分散拦蓄，水面面积增大，导致水面蒸发量和深层渗漏量增大[5]，水资源及工程利用率较低。随着全球气候及下垫面条件的变化，淤地坝内的泥沙及洪水均发生了变化[6]。面临气候、下垫面条件的变化和日趋严峻的水资源形势，探讨淤地坝工程的功能转换，实现坝系水资源化，是淤地坝建设及管理新的发展方向。
宁南山区水土流失严重，淤地坝是保持水土、降低侵蚀、改善生态环境的重要工程，坝系建设较为完善。随着全球气候和下垫面条件的变化，淤地坝工程内的洪水总量及淤积量均低于设计值。同时，区域内极为宝贵的径流被分散拦蓄，运行水位多低于死水位，消耗于无效的水面蒸发及深层渗漏，导致区域水资源可利用量降低。为保证流域防洪安全，淤地坝多采用空库迎汛方案，出现汛期有水不敢蓄、汛后无水可用的局面[7]。因而，在保证防洪安全的基础上，对淤地坝工程进行功能定位与划分，将其划分为拦沙及供水工程两类。对于功能定位为供水工程的淤地坝，可实现淤地坝向水库的功能转换，使其兼具防洪、拦沙、供水等多重功能。
通过淤地坝运行情况分析，存在防洪库容偏大[8]，淤积库容低于设计值[9，10]的现象。由偏大的防洪库容与偏小的死库容之间构成一个淤地坝设计时没有的库容。在保证防洪安全及功能定位划分的基础上，针对有条件、有必要进行功能转换的工程，可将此部分库容作为淤地坝设计时未有的兴利库容，促进淤地坝向水库的功能转换。再通过工程改造，实现坝内水资源的调度，就可将无效蒸发及渗漏的水资源输送至下游，用于工农业生产及生活。实现库坝功能转换后的淤地坝兼具防洪、拦沙、供水的多重功能，增加区域水资源可利用量，实现水资源短缺地区的水资源高效利用。围绕库坝功能转换的核心思想，有关学者构建了涵盖降水预报、水沙模拟、水资源配置调度及高效利用、坝库及生态工程优化规划、水权制度及工程管理运行等内容的理论与技术体系，简称“D&R”体系。
因此，以宁南山区典型流域为例，建立了包含工程位置、淤积速率、梯田面积比例的指标体系，对宁南山区淤地坝工程的功能划分及定位进行了研究，以期对有条件的工程进行库坝功能转换，使其在保证防洪安全的前提下兼具小型水库的供水功能。
1 研究区概况
好水川流域位于宁夏回族自治区隆德县，属黄土高原丘陵沟壑区第三副区，水土流失面积占流域总面积的93%。流域总面积102 km2，多年平均降水量520 mm，年均水面蒸发量1 200 mm左右。有约70%的降水量集中在汛期（6-9月），是流域水资源的主要来源。流域内现有水库1座，骨干工程11座，中型淤地坝15座，小型淤地坝16座，总库容1 190万m3，淤积库容389.9万m3。流域土地利用主要类型有梯田、冲沟、坡地、林地、荒山造林地、退耕还林还草地、居民用地、沟台地、川水地、川旱地及草地，具体见表1。
2 坝库功能划分与定位研究
通过对已建淤地坝工程运行状况的科学合理评估，可在保证淤地坝防洪安全的前提下，将淤地坝的主要功能划分为拦沙及供水两种。功能定位为供水的淤地坝工程，可在其库坝功能转换的基础上，通过改造使其蓄水加以调度和利用，从而提高区域水资源可利用量。由此可见，对现有坝系中主要工程进行科学评估，划分其蓄水拦沙功能是库坝功能转换的基础，也是库坝水资源联合调度及运行管理的重要内容。
提出库坝功能划分的指标，是指导坝系功能划分的重要依据。选择好水川流域典型的、运行管理及观测资料较为齐全的后海子、团结、下老庄、上岔、张家台子5座骨干工程，初步探讨淤地坝“库坝功能转换”中库坝功能划分的相应指标。依据库坝功能转换核心思想，库坝功能划分与定位指标分为定性指标及定量指标。
2.1 定性指标
2.1.1 库容条件 小型水库是指库容介于10万～1 000万m3之间的水库，又分为小一型水库和小二型水库，其中小一型水库库容为100万～1 000万 m3，小二型水库库容为10万～100万m3。好水川流域骨干工程淤积库容约20万～80万m3。在“D&R”体系中，将设计防洪库容与通过洪水修正后的滞洪库容之间的差值计为V1，将设计淤积库容与实际淤积库容间的差值计为V2，V1 同V2的和称为淤地坝的兴利库容。据计算，典型骨干工程现有兴利库容25.47万～52.70万m3（表2），库容条件与小二型水库相似，具备库坝功能转换的库容条件。
2.1.2 骨干工程所处水系位置分析 团结、后海子、下老庄3座骨干工程均位于流域内的田家老庄沟，其中后海子骨干工程位于沟道上游，团结骨干工程则位于几条支沟的汇合处，而下老庄骨干工程则位于田家老庄沟下游，靠近主沟道和南干渠，具备水资源联合调度的优势条件。从功能上分，团结及后海子骨干工程主要以防洪拦沙为主，下老庄骨干工程则以蓄水为主。团结及后海子骨干工程运行方式为拦泥放清模式，可通过沟道将水引至下老庄骨干工程，经调蓄后可用于灌区用水。
上岔及张家台子骨干工程位于同一沟道中，其中上岔骨干工程位于支沟的上游，而张家台子骨干工程则位于沟道下游，靠近主沟道和南干渠，也具备水资源联合调度的优势条件。故而上岔骨干工程主要为防洪拦沙功能，张家台子骨干工程则定位为蓄水为主的骨干工程。
由此可见，位于沟道上游的骨干工程功能定位为防洪拦泥，通过拦沙放清模式，将清水通过沟道或其他饮水工程引至位于下游的骨干工程；下游骨干工程可将其主要功能定位为蓄水供水功能。
2.2 定量指标
依据库坝功能转换核心思想，影响淤地坝蓄水及泥沙的主要因素除降水外，还有库容、年淤积量、流域内梯田、林草比例等。
2.2.1 淤积库容与淤积速率 对各骨干工程的设计运行状况进行分析，分析的主要对象为各骨干工程的设计淤积情况及实际的运行淤积情况，对各骨干工程的运行时间、已淤库容、设计年淤积量、实际年淤积量、至设计年限时的未淤库容等进行统计分析（表3）。
据以上骨干工程运行状况可知，实际淤积速率均低于设计值，但由于骨干工程所处位置及下垫面条件的不同，各自具有较大差异。下老庄骨干工程及张家台子骨干工程的实际淤积速率低于设计值，其中下老庄骨干工程实际淤积速率为设计值的67.62%，张家台子骨干工程实际淤积速率仅为设计值的39.60%，均小于70%。
同时，对骨干工程运行至设计年限时的未淤积库容进行估算，而功能定位为蓄水工程的张家台子及下老庄骨干工程年淤积量相对较小，至设计年限时的未淤积库容分别占设计淤积库容的60.40%、32.38%，具备蓄水及水资源联合调度条件，故而定位为蓄水工程较为合理。
2.2.2 下垫面条件分析 由于梯田工程的减水减沙功能，尤其是流域内的隔坡梯田，其减水减沙效果更为显著，其面积所占的比例对于骨干工程的蓄水及淤积影响最大。结合水系划分及土地利用方式调查，对各骨干工程下垫面条件中的梯田、林草地及坡地进行统计，结果见表4。
对功能定位为蓄水工程的下老庄及张家台子骨干工程而言，梯田面积所占比例较大，分别为45.52%和68.36%，其余的拦沙工程梯田比例均低于45%。因而主要以梯田占控制面积的比例作为蓄水功能划分的主要指标。
2.3 功能划分与定位总结
将以上工程功能及特点进行总结见表5。由表5可见，可通过定量及定性指标对淤地坝功能进行划分及定位。好水川流域中位于沟道下游、实际淤积速率低于设计淤积速率的70%、梯田面积所占比例高于45%的淤地坝可实现库坝功能转换，并通过工程改造使其消耗于无效蒸发和深层渗漏的水资源得以利用，增加流域水资源可利用量，提高流域水资源及工程利用效率。
3 结论与讨论
通过好水川流域典型工程运行状况分析，可将位于流域沟道下游、实际淤积速率低于设计淤积速率的70%、梯田面积所占比例高于45%的淤地坝进行坝库功能转换。进行坝库工程转换后的淤地坝工程，兼具防洪、供水、拦沙等多重功能，可增大流域水资源利用量，有效地提高流域水资源及工程利用效率，为淤地坝建设及管理提供新的发展方向。
宁南山区库坝功能转换体系已初步建立，其库坝功能转换核心思想也已验证示范，功能划分指标也很清晰，但尚未于其他区域进行示范校验，需进一步研究完善。
参考文献
[1] 秦鸿儒，刘正杰，陈江南.黄土高原地区淤地坝运行管理调查研究[J].人民黄河，2004，26（7）：25-27.
[2] 黄自强.黄土高原地区淤地坝建设的地位及发展思路[J].中国水利，2003（9）：8-11.
[3] 畅春晖.黄土高原地区淤地坝建设前景展望[J].山西水土保持科技，2011（1）：31-33.
[4] 左仲国，姚党生.河龙区间坝系水资源开发前景分析[J].中国水土保持，2002（11）：23-24.
[5] 陆中臣，陈常优，陈劭锋.黄土高原水土保持中的淤地坝[J].人民黄河，2006，28（2）：108-112.
[6] 毕慈芬，郑新民，李 欣，等.黄土高原地区淤地坝建设对水环境的调节作用[J] .人民黄河，2009，31（11）：85-86.
[7] 马 轶，张维江，张鹏程.好水川流域坝系水资源优化配置模型研究[J].宁夏大学学报（自然科学版），2012，33（1）：84-87.
[8] 於 凡，曹 颖.全球气候变化对区域水资源影响研究进展综
述[J].水资源与水工程学报，2008，19（4）：92-98.
[9] 吴 伟，李援农，魏小抗.中小型淤地坝泥沙淤积量计算方法初探[J].人民黄河，2010，32（6）：80-81.
[10] 段菊卿.小流域淤地坝建设的水土保持效益浅析[J].水土保持研究，2012，19（1）：144-147.
2.1.2 骨干工程所处水系位置分析 团结、后海子、下老庄3座骨干工程均位于流域内的田家老庄沟，其中后海子骨干工程位于沟道上游，团结骨干工程则位于几条支沟的汇合处，而下老庄骨干工程则位于田家老庄沟下游，靠近主沟道和南干渠，具备水资源联合调度的优势条件。从功能上分，团结及后海子骨干工程主要以防洪拦沙为主，下老庄骨干工程则以蓄水为主。团结及后海子骨干工程运行方式为拦泥放清模式，可通过沟道将水引至下老庄骨干工程，经调蓄后可用于灌区用水。
上岔及张家台子骨干工程位于同一沟道中，其中上岔骨干工程位于支沟的上游，而张家台子骨干工程则位于沟道下游，靠近主沟道和南干渠，也具备水资源联合调度的优势条件。故而上岔骨干工程主要为防洪拦沙功能，张家台子骨干工程则定位为蓄水为主的骨干工程。
由此可见，位于沟道上游的骨干工程功能定位为防洪拦泥，通过拦沙放清模式，将清水通过沟道或其他饮水工程引至位于下游的骨干工程；下游骨干工程可将其主要功能定位为蓄水供水功能。
2.2 定量指标
依据库坝功能转换核心思想，影响淤地坝蓄水及泥沙的主要因素除降水外，还有库容、年淤积量、流域内梯田、林草比例等。
2.2.1 淤积库容与淤积速率 对各骨干工程的设计运行状况进行分析，分析的主要对象为各骨干工程的设计淤积情况及实际的运行淤积情况，对各骨干工程的运行时间、已淤库容、设计年淤积量、实际年淤积量、至设计年限时的未淤库容等进行统计分析（表3）。
据以上骨干工程运行状况可知，实际淤积速率均低于设计值，但由于骨干工程所处位置及下垫面条件的不同，各自具有较大差异。下老庄骨干工程及张家台子骨干工程的实际淤积速率低于设计值，其中下老庄骨干工程实际淤积速率为设计值的67.62%，张家台子骨干工程实际淤积速率仅为设计值的39.60%，均小于70%。
同时，对骨干工程运行至设计年限时的未淤积库容进行估算，而功能定位为蓄水工程的张家台子及下老庄骨干工程年淤积量相对较小，至设计年限时的未淤积库容分别占设计淤积库容的60.40%、32.38%，具备蓄水及水资源联合调度条件，故而定位为蓄水工程较为合理。
2.2.2 下垫面条件分析 由于梯田工程的减水减沙功能，尤其是流域内的隔坡梯田，其减水减沙效果更为显著，其面积所占的比例对于骨干工程的蓄水及淤积影响最大。结合水系划分及土地利用方式调查，对各骨干工程下垫面条件中的梯田、林草地及坡地进行统计，结果见表4。
对功能定位为蓄水工程的下老庄及张家台子骨干工程而言，梯田面积所占比例较大，分别为45.52%和68.36%，其余的拦沙工程梯田比例均低于45%。因而主要以梯田占控制面积的比例作为蓄水功能划分的主要指标。
2.3 功能划分与定位总结
将以上工程功能及特点进行总结见表5。由表5可见，可通过定量及定性指标对淤地坝功能进行划分及定位。好水川流域中位于沟道下游、实际淤积速率低于设计淤积速率的70%、梯田面积所占比例高于45%的淤地坝可实现库坝功能转换，并通过工程改造使其消耗于无效蒸发和深层渗漏的水资源得以利用，增加流域水资源可利用量，提高流域水资源及工程利用效率。
3 结论与讨论
通过好水川流域典型工程运行状况分析，可将位于流域沟道下游、实际淤积速率低于设计淤积速率的70%、梯田面积所占比例高于45%的淤地坝进行坝库功能转换。进行坝库工程转换后的淤地坝工程，兼具防洪、供水、拦沙等多重功能，可增大流域水资源利用量，有效地提高流域水资源及工程利用效率，为淤地坝建设及管理提供新的发展方向。
宁南山区库坝功能转换体系已初步建立，其库坝功能转换核心思想也已验证示范，功能划分指标也很清晰，但尚未于其他区域进行示范校验，需进一步研究完善。
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上岔及张家台子骨干工程位于同一沟道中，其中上岔骨干工程位于支沟的上游，而张家台子骨干工程则位于沟道下游，靠近主沟道和南干渠，也具备水资源联合调度的优势条件。故而上岔骨干工程主要为防洪拦沙功能，张家台子骨干工程则定位为蓄水为主的骨干工程。
由此可见，位于沟道上游的骨干工程功能定位为防洪拦泥，通过拦沙放清模式，将清水通过沟道或其他饮水工程引至位于下游的骨干工程；下游骨干工程可将其主要功能定位为蓄水供水功能。
2.2 定量指标
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据以上骨干工程运行状况可知，实际淤积速率均低于设计值，但由于骨干工程所处位置及下垫面条件的不同，各自具有较大差异。下老庄骨干工程及张家台子骨干工程的实际淤积速率低于设计值，其中下老庄骨干工程实际淤积速率为设计值的67.62%，张家台子骨干工程实际淤积速率仅为设计值的39.60%，均小于70%。
同时，对骨干工程运行至设计年限时的未淤积库容进行估算，而功能定位为蓄水工程的张家台子及下老庄骨干工程年淤积量相对较小，至设计年限时的未淤积库容分别占设计淤积库容的60.40%、32.38%，具备蓄水及水资源联合调度条件，故而定位为蓄水工程较为合理。
2.2.2 下垫面条件分析 由于梯田工程的减水减沙功能，尤其是流域内的隔坡梯田，其减水减沙效果更为显著，其面积所占的比例对于骨干工程的蓄水及淤积影响最大。结合水系划分及土地利用方式调查，对各骨干工程下垫面条件中的梯田、林草地及坡地进行统计，结果见表4。
对功能定位为蓄水工程的下老庄及张家台子骨干工程而言，梯田面积所占比例较大，分别为45.52%和68.36%，其余的拦沙工程梯田比例均低于45%。因而主要以梯田占控制面积的比例作为蓄水功能划分的主要指标。
2.3 功能划分与定位总结
将以上工程功能及特点进行总结见表5。由表5可见，可通过定量及定性指标对淤地坝功能进行划分及定位。好水川流域中位于沟道下游、实际淤积速率低于设计淤积速率的70%、梯田面积所占比例高于45%的淤地坝可实现库坝功能转换，并通过工程改造使其消耗于无效蒸发和深层渗漏的水资源得以利用，增加流域水资源可利用量，提高流域水资源及工程利用效率。
3 结论与讨论
通过好水川流域典型工程运行状况分析，可将位于流域沟道下游、实际淤积速率低于设计淤积速率的70%、梯田面积所占比例高于45%的淤地坝进行坝库功能转换。进行坝库工程转换后的淤地坝工程，兼具防洪、供水、拦沙等多重功能，可增大流域水资源利用量，有效地提高流域水资源及工程利用效率，为淤地坝建设及管理提供新的发展方向。
宁南山区库坝功能转换体系已初步建立，其库坝功能转换核心思想也已验证示范，功能划分指标也很清晰，但尚未于其他区域进行示范校验，需进一步研究完善。
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