府谷县黑家峁拦沙坝建设效益分析

段莉芳，孙旭伟

（1.府谷县水利工作队，陕西 榆林 719499；2.府谷县河道养护站，陕西 榆林 719499）

黄土高原水土流失严重，在该区域开展拦沙坝建设，对减少进入黄河干流的泥沙和下游河道泥沙淤积、改善当地群众生产生活条件和当地生态环境意义重大。现以黑家峁拦沙坝为例，对其建设效益进行探析。

1 概况

黑家峁流域属于温带大陆性气候，多年平均降水量424.4 mm，降水年内分配不均，主要集中在汛期，占年降水量的78.3%。径流以超渗产流为主，由于暴雨量大且集中，超渗产流形成的洪量也大，洪水一般为尖瘦型，具有地表产汇流快，洪水流量大、历时短、含沙量大，极易形成洪灾，冲淹农田，并向下游大量输沙的特点。为了减少流域泥沙，规划在黑家峁沟修建拦沙坝，坝控流域面积0.70 km2，库容小于10 万m3，按小型淤地坝标准设计。工程由坝体、放水工程组成，具有滞洪、拦泥、淤地等综合功能。

2 大坝建设方案

黑家峁拦沙坝属小型拦沙坝，设计洪水重现期为20 a，校核洪水重现期为50 a，设计淤积年限为5 a。

2.1 坝址选择

坝址选择应避开较大弯道、跌水、泉眼、断层、滑坡体、洞穴等，坝肩不得有冲沟[1]。经过调查，黑家峁拦沙坝坝址处沟道顺直，沟谷相对较窄，沟道比降15.8‰，无跌水、泉眼、断层、滑坡体、洞穴等，筑坝工程量较小。坝址处两岸地质条件较好，左右坝肩顶部山坡处筑坝土料丰富，储量能够满足工程建设需要。库区淹没零星树木，下游无居民点、学校、工矿、交通等重要设施，所以坝址选择合理，有利于防洪拦沙。

2.2 坝体设计

黑家峁拦沙坝为碾压式均质土坝，土坝坝轴线垂直沟道布设，坝顶长62.91 m，坝顶宽5 m，沟底高程905.00 m，坝顶高程927.00 m，最大坝高22.0 m。上游坝坡坡比1∶2.0，下游坝坡坡比1∶1.75，下游坝坡在坝高10 m 处设1 道宽1.5 m 的马道。在下游坝坡马道及岸坡布设纵横向排水沟，总长280 m。坝坡撒播种草。

2.2.1 拦泥坝高与滞洪坝高确定

大坝最高洪水位为925.08 m，拦泥高程为920.53 m，滞洪高程为925.08 m，相应的淤地面积为0.85 hm2，拦泥坝高15.53 m，滞洪坝高4.55 m。按照《淤地坝技术规范》的要求，淤地坝安全超高取1.92 m，碾压坝沉降量取坝高的2%[2]，则黑家峁拦沙坝坝高为15.53+4.55+1.92=22.0（m），相应坝顶高程为927.00 m，坝体沉降量为22.0×2%=0.44（m）。

2.2.2 坝体断面尺寸确定

黑家峁拦沙坝为机推碾压法施工的均质土坝，坝高22.0 m，按照《淤地坝技术规范》的要求，坝顶宽取5 m，上游坝坡坡比为1∶2.0，下游坝坡在距坝顶10.0 m处设1道马道，马道宽1.5 m，下游坝坡坡比均为1∶1.75。经计算，坝体底宽为88.50 m。

2.2.3 清基及削坡设计

土坝清基厚度为0.5 m。基础开挖后要求轮廊平顺，避免地形突变，如开挖后发现破碎带，应视具体情况进行处理。按照规范要求，坝体与岸坡结合应采用斜坡平顺连接，岸坡整修成正坡，由于岸坡高差大且较陡，考虑整修正坡时需留机械工作面，坡度设为1∶0.5。

2.2.4 结合槽设计

为使坝体与坝基及岸坡牢固结合，依据《淤地坝技术规范》的要求，在坝轴线布设1道结合槽及结合齿墙。其中，齿墙顶宽0.5 m，底宽1.0 m，高1.5 m，伸入岩层0.5 m；结合槽深2 m，底宽2 m，边坡1∶1.0。

2.2.5 坝坡排水及坝面护坡设计

为防止坝坡冲刷，上、下游岸坡与坝坡结合处分别布设排水沟，布设长度280 m。工程竣工后，对坝体上、下游面坝坡设置植草护坡，草种选择紫花苜蓿，播种量为50 kg∕hm2。

3 拦洪效益分析

3.1 洪水特征

黑家峁沟流域以超渗产流为主，由于暴雨量大且集中，所形成的洪水一般为尖瘦型，即峰高、历时短、洪峰流量大、含沙量高。洪水由暴雨形成，洪水出现的时间与暴雨一致，最大洪峰流量一般出现在6—9月，以7、8 两月出现的频次最高。

3.2 设计洪水计算

考虑到陕北及陕蒙接壤地区暴雨洪水特性，采用推理公式法计算设计洪水。《榆林地区实用水文手册》中的设计洪水推理公式为：

式中：Qp为设计频率为P的最大洪峰流量（m3∕s）；h为净雨深（mm），全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨，部分汇流时代表单一洪峰对应的面平均净雨；F为流域面积（km2）；τ 为流域汇流历时（h）；L为沿主沟道从出口断面至分水岭的最长距离（km）；m为汇流参数；J为沿程L的平均比降（以小数计）[3]。根据《榆林地区实用水文手册》《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》，6 h 净雨总量（产流量）在5%、2%降雨频率时分别为58.8、89 mm。采用暴雨推求设计洪水产汇流计算的方法，查算出汇流参数m在5%、2%降雨频率时分别为1.15、0.97，根据式（1）假定Qp并绘制Qm-τ曲线，同时根据净雨过程绘制Qt-t曲线，2 条曲线的交点所对应的纵坐标即为所求的洪峰流量Qp，横坐标即为汇流历时τ。通过以上分析计算，汇流历时τ 为0.33，设计频率5%时洪峰流量为24.8 m3∕s，设计频率2%时洪峰流量为33 m3∕s。推理公式法在计算中考虑了前期影响雨量和流域产汇流特征，计算过程基本反映了流域的长度、面积、比降等因子对洪水的影响，因此采用此法计算设计洪水比较科学。

3.3 设计洪水总量推求

设计洪水总量的推求基于《淤地坝技术规范》（SL∕T804-2020）[4]。根据降雨径流关系，不同频率洪水总量按下式计算：

式中：WP为设计频率为P的洪水总量（万m3）；a为洪水总量径流系数，P=5%时为0.43，P=2%时为0.46；hp为设计频率为P的流域中心点6 h 雨量（mm）。

经计算，黑家峁小型拦沙坝设计洪水总量为3.52万m3，校核洪水总量为4.84 万m3。该拦沙坝的兴建可控制流域内50 a一遇的洪水，有效减轻下游洪灾。

3.4 库容计算

黑家峁小型拦沙坝总库容由滞洪库容和拦沙库容组成。

3.4.1 滞洪库容

黑家峁小型拦沙坝主要功能为拦沙，所以不设置泄洪建筑物，其滞洪库容即为一次校核洪水总量，即4.84万m3。

3.4.2 拦沙库容

黑家峁小型拦沙坝拦沙库容按下式计算：

式中：VL为拦泥量（万m3）；WS为多年平均输沙量（万m3∕a）；N为淤积年限（a）[5]，取5 a。

经计算，VL=0.93×5=4.65（万m3）。

3.4.3 总库容

黑家峁小型拦沙坝不设置泄洪建筑物，滞洪库容应按一次校核洪水总量计算。拦沙坝总库容由滞洪库容和拦沙库容组成，即V总=VL+VZ=4.65+4.84=9.49（万m3）。

3.5 拦洪效益

黑家峁小型拦沙坝防洪能力为50 a一遇洪水标准，滞洪库容4.65 万m3。在运行期间，拦沙坝可以削洪调沙，调节河川径流，降低洪水含沙量，减轻下游防洪压力，减小洪涝灾害给农业生产造成的损失，为合理利用雨洪资源创造有利条件。

4 拦沙效益分析

黑家峁沟流域属黄土丘陵沟壑区，流域内地貌类型为黄河沿岸土石山区，地面土层覆盖较浅，沟壑纵横，坡陡沟深，地形破碎，水土流失严重。

4.1 泥沙特征

黑家峁沟流域不同物质组成的下垫面产沙方式及过程有很大差异，而支流产沙和输沙在很大程度上还取决于高含沙水流的水力特性。砾质丘陵区（砒砂岩区）和黄土区产沙模数非常大，使得粗泥沙集中来源区成为黄河中游的高产沙区。在黄土覆盖区，沟谷地以谷坡重力侵蚀和沟道水流侵蚀为主，沟间地以坡面冲刷为主。黄土覆盖层深厚、垂直节理发育、质地疏松，遇水崩解速度较快，其抗蚀性很弱。因此，地面沟壑密度大，土壤侵蚀模数较高。

根据黑家峁沟相近的孤山川的高石崖站实测资料，1954—2017 年年均输沙量为1 540 万t，最大年输沙模数高达6.636 万t∕（km2·a）（1977 年），最小为0.000 3万t∕（km2·a）（2015年），平均为1.21万t∕（km2·a）。侵蚀产沙主要集中在6—9 月，沙量可占全年沙量的90%以上，并且主要集中在几场暴雨洪水中。

4.2 土壤侵蚀模数分析

黑家峁小型拦沙坝位于石马川黄土丘陵三片区，坝控流域内植被茂密，土质地表均为退耕还林地，裸露地表均为岩石地面。根据当地实际情况及相关规范，确定黑家峁沟流域的土壤侵蚀模数为1.8 t万∕（km2·a）。

4.3 年输沙量计算

黑家峁小型拦沙坝控制流域年输沙量可用下式计算：

式中：Ws为多年平均输沙量（万m3∕a）；S为多年平均输沙模数[t∕（km2·a）]，取1.8 万t∕（km2·a）；F为流域面积（km2），取0.7 km2；γ为泥沙容重（t∕m3），取1.35 t∕m3。

经计算，坝控流域年输沙量为0.93 万m3。拦沙坝建成后，能直接控制0.70 km2的洪水泥沙，使坝控范围内的洪水泥沙得到有效拦蓄和调节，有效地防止沟道下切、沟岸扩张，抬高侵蚀基面，稳定沟坡，调节河川径流，降低洪水含沙量，减轻水土流失，充分利用水沙资源建设高产稳产坝地。在5 a 的拦沙期内，形成拦沙库容4.65 万m3，可拦沙6.28 万t，对改善当地的生态环境和农民的生产生活条件、助力乡村振兴工作意义重大。

5 经济、社会和生态效益分析

5.1 坝地种植效益

黑家峁小型拦沙坝达到设计淤积年限后，可淤坝地0.85 hm2，种植面积按80%计算，实际可利用坝地0.68 hm2，若坝地单产按417 kg∕hm2、粮食单产按1.2 元∕kg 计算，则每年种植效益=0.68×417×1.2=0.34（万元）。

5.2 拦泥减淤效益

黑家峁小型拦沙坝5 a 可拦泥4.65 万m3，若按40%泥沙沉积下游河床、下游河床每清淤1m3费用为30元计算，则减泥效益可达55.8万元。

5.3 社会效益

黑家峁小型拦沙坝建设可有效地控制土壤侵蚀，为农业生产创造良好条件。该工程建成后，高产稳产坝地将达到0.85 hm2，促使该村农民改广种薄收为少种高产多收，农民收入有望得到较大提高。同时，土地资源得到充分开发利用，土地利用结构得到进一步合理调整。 黑家峁小型拦沙坝建成后受益区为王家洼村，坝顶作为连通乡村级道路的桥梁，改善了当地交通条件，有力地促进了农村经济的发展和乡村振兴工作的开展。

5.4 生态效益

5.4.1 蓄水保土作用显著

黑家峁小型拦沙坝建设将会对洪水泥沙增加拦蓄作用，促进退耕还林和封育治理工作的顺利开展，从而使流域内严重的水土流失得到有效控制。其主要表现在以下2个方面：①坝地拦蓄水土，避免了土壤养分的流失，加速了土壤的熟化过程，改善了作物生长的土壤环境，将更加有利于作物的生长发育，同时高质量沟坝地建设可以大大提高作物的单产量；②由于坝地保水保肥效能增强，沟坝地的粮食单产能达到坡耕地的7倍，使水土资源得到充分的利用。

5.4.2 减少入黄泥沙

黑家峁小型拦沙坝的建设使流域严重的水土流失得到基本控制，可有效地减少进入下游河道的泥沙，延缓下游清水川河道淤积，从而减轻了下游河道清淤工作量，节省了大量的人力、物力和经费。

6 结语

通过分析探讨，黑家峁小型拦沙坝建成后能直接控制0.70 km2的洪水泥沙，在设计淤积5 a内可滞洪4.84 万m3、拦泥4.65 万m3，使坝控范围内的洪水泥沙得到有效拦蓄和调节，可淤坝地0.85 hm2、拦截泥沙6.28 万t，其产生的经济效益可达56 万元。工程实施后，在为当地农民带来经济效益的同时，可促进当地区域经济快速增长，助推乡村振兴发展。