流域泥沙资源优化配置方法及技术研究

2016-08-12蒲强新疆维吾尔自治区水文局新疆乌鲁木齐830000

陕西水利 2016年2期

关键词：淤积泥沙河道

蒲强（新疆维吾尔自治区水文局　新疆　乌鲁木齐　830000）

流域泥沙资源优化配置方法及技术研究

蒲强
（新疆维吾尔自治区水文局新疆乌鲁木齐830000）

文章对流域泥沙灾害及其特点进行了简要分析，并在此基础上对流域泥沙资源优化配置方法及关键技术进行论述。

流域泥沙；资源优化；技术；方法

1　流域泥沙灾害及其特点分析

流域内的泥沙产生与人类的频繁活动、植被减少、气候变化、降雨等因素有着密切的关系。相关调查统计数据显示，我国河流多年平均输沙量约为27亿t左右，其中黄河与长江流域的年输沙量就高达21.3亿t之多。泥沙作为一种资源，其具有双重性，一方面泥沙能够塑造平原陆地，另一方面泥沙会给人类的正常生活带来灾害，由此所引起的经济损失非常巨大。可对泥沙灾害进行如下定义：由泥沙或是泥沙诱发给其它载体，对人类生存环境和经济带来的危害被统称为泥沙灾害。流域泥沙的灾害类型及其特点如表1所示。

表1　　流域泥沙灾害的类型及其特点

1.1局部泥沙冲刷

建筑物修建在河岸附近时，会使河道内的水体形成高速环流，由此便会产生局部冲刷，当局部冲刷比较严重时，会对建筑物的结构稳定性和安全性造成威胁，极有可能引起建筑物倒塌。

1.2泥沙淤积

根据泥沙淤积出现的部位不同，可将其细分为以下几种情况：一是水库泥沙淤积，由此产生的危害是库容量减小，并且会导致农业生态环境恶化；二是河道泥沙淤积，会使河床抬高，甚至会形成悬河，还会导致两岸土地盐碱化程度加剧；三是湖泊泥沙淤积，会导致湖泊本身的调节能力减小，防洪效益会有所降低；四是河口及渠系泥沙淤积，会使防洪压力和泥沙处理负担增大。目前，我国黄河下游河道的泥沙淤积情况较为严重，平均每年的淤积量约为3亿t，河床每年抬高的幅度为0.05m～0.10m左右。

1.3滑坡、泥石流

滑坡、泥石流均属于山地灾害的范畴，由此引起的损失约占地质灾害损失的一半左右，近十年来，由滑坡和泥石流引起的直接和间接经济损失在万元以上的灾害事件超过3万起。当滑坡或泥石流灾害发生时，不但会危及人们的生命与财产安全，而且还会造成道路堵塞。据有关调查统计数据显示，国内铁路沿线分布的大中型滑坡约有上千处，每年会导致交通运输中断50余次，严重的滑坡还会造成河流阻断，甚至引发洪涝灾害。

1.4泥沙污染

据有关资料显示，国内在最近二十年内约有70%的河流受到不同程度的泥沙污染，其中污染比较严重的河流有150条，由于这些河流中的泥沙表面吸附了大量的污染物，即便外部水质污染得到治理后，被污染的泥沙仍会形成新的污染源，从而对河水造成二次污染。

1.5土地沙化

由于粗砂大量淤积，致使土地沙化的面积不断增大，黄河流域内的土地沙化现象最为明显，如引黄灌区渠首位置处的堆放的大量清淤泥沙，造成渠首附近土地沙化。

为了有效解决流域泥沙的灾害问题，应当采取有效的技术措施对泥沙资源进行优化配置，在减轻危害的同时，提高泥沙资源的利用效益。

2　流域泥沙资源优化配置方法及关键技术

对流域泥沙资源进行优化配置的最终目的是提高泥沙资源的利用效益，减轻泥沙的危害和由此引起的损失。

2.1流域泥沙资源优化配置方法

流域泥沙资源的优化配置涉及诸多方面的理论，如降雨、蒸发、侵蚀、护岸、产沙、渗漏以及坡面治理等。减少减沙是优化配置的基础，优化过程则应当遵循河道输沙规律进行。大体上可将其理论框架归纳为以下两个方面：一方面是分解协调，另一方面是多目标优化配置。

2.1.1分解方式

可将流域视作为一个大系统，采用水平的方式将系统分解为若干个分区，各个分区按其支流面积的大小再分解为若干个子系统，这些子系统中通常包含一个含沙量较大的直流以及一些与其水沙特性较为相近的小支流。一般不将含沙量较小的直流列入到计算范围内，系统出口的输水与输沙量可作为干流泥沙资源优化配置的边界条件。

2.1.2协调方法

对流域泥沙资源进行优化配置的过程中，需要采用一定的协调方法，借此来使大系统与各个分区的泥沙优化配置目标和配置变量具有可分离性，这样能够有效避免复杂的迭代计算，从而使流域泥沙的配置能够得到逐层优化。通常情况下，系统、子系统、各个分区的丰水、枯水、平水期都大体相同，在这一前提下，系统与分区之间的增沙量具有不可分离性，所以应当采用相应约束条件的协调方法。例如，来沙总量与人为增沙量可按照如下方法进行协调：各分区及子系统的总沙量与人为增沙量按协调前的比例，对上级配置单元进行分配协调，这样便可以使协调后的系统与各个分区的来沙总量与人为增沙量具有可分离性。

2.1.3多目标优化配置方法

对各个子系统内的泥沙资源进行优化配置时，可以采用多目标规划层次分析法，整个配置层次包含总目标层、子目标层、效益指标层、配置方式层以及相应的配置措施等，各种减沙方式则包括具体的减少形式。

2.2优化配置的关键技术措施

2.2.1引洪淤灌

流域内的泥沙与该流域的土壤在元素上具有同一性，相关研究表明，汛期的泥沙具有一定的肥效，其能够成为一种优良的土壤改良剂。流域引洪淤灌的主要形式如下：淤改、稻改、浑水灌溉等，其具体作用是借助流域泥沙改善盐碱地与坑洼地。例如，上个世纪90年代初期，黄河下游地区采用放淤改土的方法，改良土地23 万hm2，发展水稻改地12万hm2；而黄河上游则通过对高含沙水流进行利用，对农作物进行灌溉，由此不但缓解了作物干旱缺水的状况，而且还进一步扩大了灌溉面积，同时还增加了肥力，淤灌后的作物产量获得了显著提升。由此可见，放淤改土和引洪灌溉能够显著提升盐碱荒地的生产能力，既改善了灌区的土壤结构，又使大量的泥沙得以充分利用，缓解了泥沙淤积带来的防洪压力。

2.2.2淤临淤背

该技术在我国黄河下游、海河河口以及洞庭湖水域均有所应用，其主要作用是借助河道泥沙，提高防洪能力。在泥沙较多的河流上，仅凭借水流的自然冲刷是很难达到疏通河道的效果，而利用疏淤和放淤等技术手段进行堤防淤临淤背，除了可以达到加固堤防的目的外，还能进一步增强河道自身的泄洪能力。此外，淤背是靠近河道大堤背后布设沉砂池，经沉砂之后的水能够用于农田灌溉，这样一来水资源和泥沙都获得了有效利用。如黄河下游的一些灌区中采用了淤背技术，不仅加固了黄河大堤，还实现了清水灌溉的目的，经济效益和社会效益得到了大幅度提高。

2.2.3填海造地

泥沙本身是自然界的产物，在人类尚未出现前，泥沙已经在大自然的作用下开始了堆积造地的过程，由高处侵蚀所产生出来的大量泥沙堆积到了流域的低洼处，形成了人类赖以生存的土地资源，截止到今日，这一过程仍在继续。我国的河流每年挟带入海的泥沙将近20亿t左右，这些泥沙中的绝大部分全都堆积在河口，由此使得海岸线不断向大海推进，通过人工的方式进行填海造陆，将海上采油变为陆地采油，由此能够产生出巨大的经济效益。

2.2.4用泥沙加工建材

在我国古代，人们便开始从河道中挖取泥沙来烧制建材，随着城市化进程的不断加快，对沙石料的需求量日益增大，河道采沙现象越来越普遍。由于北方河流中的泥沙相对较细，无法直接作为建材使用，但却可将之转化为建筑材料。如可将洪水泥沙引入到砖厂的取土坑内淤积，由此产生的清水可用于农田灌溉，淤改后的土地即可还耕，又能供砖厂取土之用。