延安市淤地壩示范壩系建設(shè)及監(jiān)測體系布置

蘇　瑜

(安塞縣水資源辦公室,陜西 延安 717400)

延安市淤地壩示范壩系建設(shè)及監(jiān)測體系布置

蘇瑜

(安塞縣水資源辦公室,陜西 延安 717400)

摘要：延安市淤地壩建設(shè)歷史悠久，但淤地壩系統(tǒng)監(jiān)測和研究卻相對滯后。為認(rèn)識和掌握淤地壩對流域水沙的攔截、調(diào)節(jié)和蓄存機(jī)理，揭示壩系相對穩(wěn)定規(guī)律，分析坡面侵蝕與溝道侵蝕間的相互聯(lián)系和作用，選擇距延安市8 km的麻莊流域、50 km的高莊流域開展淤地壩示范壩系建設(shè)，通過分析壩系概況、監(jiān)測內(nèi)容與方法，提出了科學(xué)的監(jiān)測站網(wǎng)布置方案。

關(guān)鍵詞：延安市；淤地壩；監(jiān)測；建設(shè)；研究

1概況

1.1流域基本情況

麻莊流域位于寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn)，為延河二級支流，流域面積58.63 km2[1]。屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)過渡地帶，流域溝壑密度3.2 km/km2，多年平均侵蝕模數(shù)為6500 t/(km2·a)。流域內(nèi)土壤主要是黃綿土、紅壚土和紅膠土，抗侵蝕能力低。流域林草覆蓋率59.2%，多年平均降水量567.1 mm，降水年際變化大，且多以暴雨形式出現(xiàn)。流域主溝和較大支溝有常流水，流量為0.0007 m3/s。流域涉及寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn)的8個行政村2680人。

高莊流域位于寶塔區(qū)梁村鄉(xiāng)，屬延河三級支流，流域總面積 33.62 km2。屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，流域主溝道長15.1 km，溝壑密度1.82 km/km2，多年平均降水量484.2 mm，主溝道有長流水，流量約0.03 m3/s，平均侵蝕模數(shù)高達(dá)12 000 t/(km2·a)。流域區(qū)土壤主要是黃綿土、粉質(zhì)壤土和紅膠土，流域內(nèi)植被覆蓋率38.25%。流域涉及1個鄉(xiāng)、5個行政村，總?cè)丝?280人。

1.2壩系建設(shè)規(guī)模

麻莊流域建設(shè)淤地壩30座(其中配套加固6座)，總控制面積57.22 km2,總庫容596.40萬m3，淤地面積47.22 hm2。高莊流域建設(shè)淤地壩40座，總控制面積30.15 km2,總庫容881.70萬m3，淤地面積100.10 hm2。

2監(jiān)測體系建設(shè)原則和目標(biāo)

2.1建設(shè)原則

淤地壩示范壩系監(jiān)測體系建設(shè)，應(yīng)堅持監(jiān)測與生產(chǎn)運(yùn)用和科研相結(jié)合、近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合、不同空間尺度相結(jié)合，還應(yīng)遵循系統(tǒng)性、實(shí)用性、先進(jìn)性和標(biāo)準(zhǔn)化原則。2個示范壩系的監(jiān)測體系建設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，各有側(cè)重，避免重復(fù)投資；對2個示范壩系的蓄水?dāng)r沙、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益，以及淤地壩的主要指標(biāo)和溝道、坡面的水土流失等進(jìn)行系統(tǒng)性監(jiān)測和研究。

2.2建設(shè)目標(biāo)

結(jié)合流域水土流失和壩系建設(shè)特點(diǎn)，通過布設(shè)雨量站、徑流站、徑流小區(qū)、壩體監(jiān)測站和GPS網(wǎng)等，采取自動遙測、人工監(jiān)測、調(diào)查統(tǒng)計等方法，實(shí)現(xiàn)降水、徑流、泥沙、壩體變形、滲透等信息的監(jiān)測，快速獲取淤地壩系建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的水文氣象及淤地壩運(yùn)行情況信息。各流域需布設(shè)的站網(wǎng)情況如表1。

表1　站網(wǎng)布設(shè)情況匯總表

3監(jiān)測內(nèi)容與方法

3.1監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容包括水沙監(jiān)測、壩體監(jiān)測和效益監(jiān)測。

3.1.1水沙監(jiān)測

監(jiān)測流域降雨、水位、含沙量、地下水位等水文泥沙信息，以及日照、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、蒸發(fā)等氣象信息[2]。包括坡面水土流失規(guī)律觀測、溝道侵蝕和重力侵蝕監(jiān)測以及壩系水沙監(jiān)測等。

3.1.2壩體監(jiān)測

淤地壩壩體監(jiān)測包括變形和滲流。變形監(jiān)測包括表面變形、裂縫及接縫和岸坡位移；滲流監(jiān)測包括滲流量和壩體滲流壓力(即觀測斷面上的壓力分布和浸潤線位置)。

3.1.3效益監(jiān)測

監(jiān)測淤地壩建設(shè)對流域生態(tài)環(huán)境的影響，包括流域及其典型地塊的植被度、土壤理化性質(zhì)、水質(zhì)及小氣候等，以及經(jīng)濟(jì)、社會效益。

3.2監(jiān)測方法

3.2.1自動遙測

典型的自動遙測系統(tǒng)可由遠(yuǎn)程的現(xiàn)場監(jiān)控站、現(xiàn)場總控站、中繼站、遠(yuǎn)程監(jiān)控總站和通信網(wǎng)、主控中心等構(gòu)成[3]。為節(jié)約投資和減少監(jiān)測人員，高莊流域不建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控總站，而通過中繼站將信號傳送到麻莊流域的遠(yuǎn)程監(jiān)控總站。而且高莊、麻莊2條流域示范壩系監(jiān)測體系共同承擔(dān)1個主控中心的建設(shè)費(fèi)用。

3.2.2人工監(jiān)測

由于現(xiàn)階段技術(shù)手段的限制，有些監(jiān)測項(xiàng)目無法進(jìn)行自動遙測，如淤地壩庫容淤積等；有些項(xiàng)目1年只需進(jìn)行幾次監(jiān)測，如土壤理化性質(zhì)、水質(zhì)、地下水水位等；同時為校核自動遙測數(shù)據(jù)的正確性和精確度，及考慮到自動遙測的費(fèi)用較高等因素，也需必要的人工監(jiān)測。人工監(jiān)測包括長期駐測和臨時定位監(jiān)測等[4]。其中定位法是用GPS、全站儀等測出每次暴雨洪水前后高精度(厘米級)三維地形坐標(biāo)，通過兩次測量結(jié)果的比較，監(jiān)測每次暴雨洪水治理溝和未治理溝溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張，及溝道下切的長度、寬度、深度和侵蝕量，監(jiān)測淤地壩的減蝕作用、庫容淤積和壩體位移等。埋樁法是在治理溝和非治理溝中，從溝口至溝頭，按侵蝕輕重情況，劃分成2～3段，選擇2～3個固定斷面，設(shè)置永久性水準(zhǔn)標(biāo)志，利用全站儀等進(jìn)行監(jiān)測。

3.2.3調(diào)查統(tǒng)計

用于監(jiān)測崩塌、瀉溜、滑坡、泥石流等重力侵蝕，以及生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)、社會效益等。包括遙感普查、典型調(diào)查和抽樣調(diào)查等。

4站網(wǎng)布設(shè)

4.1水沙監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)

4.1.1雨量站網(wǎng)布設(shè)

麻莊流域:根據(jù)該流域以梁為主，梁頂間偶有孤立峁，近分水嶺處以寬梁、長梁居多，溝口處以短梁居多的特征，共布設(shè)11個遙測雨量站，平均1個雨量站控制5.33 km2；在典型小流域柳溝上、下游和寺溝的下游的遙測雨量站內(nèi)，各布設(shè)1個自計雨量計；柳溝下游同時布設(shè)1個氣象園。

高莊流域:該流域形狀狹長，共布設(shè)6個遙測雨量站，平均1個雨量站控制5.60 km2；在流域下游和左莊溝的遙測雨量站內(nèi)，各布設(shè)1個自計雨量計；流域下游布設(shè)1個氣象園。

4.1.2徑流站網(wǎng)布設(shè)

麻莊流域:該流域治理程度較高，右岸和流域上游部分，天然次生林較多，而左岸坡耕地較多，治理程度較低，水土流失較嚴(yán)重；同時流域右岸溝道發(fā)育已基本穩(wěn)定，相對高差、地面坡度、溝道比降都較左岸小。故選擇流域左岸建設(shè)3座中小型淤地壩的柳溝(2.37 km2)和右岸建設(shè)1座骨干壩、2座中小型淤地壩的寺溝(4.80 km2)作為典型小流域，進(jìn)行壩系水沙演進(jìn)過程、溝道侵蝕等監(jiān)測，并布設(shè)壩體監(jiān)測站和徑流小區(qū)。選擇未安排淤地壩的橋溝(0.86 km2)作為未治理溝，與柳溝和寺溝對比，進(jìn)行對比溝監(jiān)測。在非治理溝橋溝出口，布設(shè)三角量水槽；在典型小流域柳溝和寺溝的每座淤地壩下，結(jié)合淤地壩放水明渠布設(shè)梯形量水槽，并在柳溝出口的龍寺村建1座現(xiàn)場總控站。

高莊流域:該流域右岸和流域上游治理程度較高，左岸治理程度較低，溝道比較發(fā)育。在流域左岸下游選擇建設(shè)1座骨干壩的支溝左莊溝(1.19 km2)作為治理溝，未安排淤地壩的支溝石溝子(0.37 km2)作為非治理溝，進(jìn)行對比溝水沙監(jiān)測。結(jié)合淤地壩放水明渠，在左莊溝骨干壩下布設(shè)梯形量水槽；在非治理溝石溝子出口布設(shè)三角量水槽。

4.1.3徑流小區(qū)布設(shè)

徑流小區(qū)布設(shè)主要考慮土地利用、坡度、坡長和不同地貌部位等因素。根據(jù)站網(wǎng)布設(shè)原則，考慮麻莊流域的典型小流域柳溝和寺溝，治理程度差別較大，但地形比較完整，在這2條小流域內(nèi)，選擇自然條件、土壤剖面、土壤理化性質(zhì)等一致的坡面布設(shè)徑流小區(qū)51個。徑流小區(qū)一般采用人工觀測，全坡長小區(qū)采用自動遙測。高莊流域不布設(shè)徑流小區(qū)。

4.2淤地壩庫容淤積監(jiān)測布設(shè)

在2條流域內(nèi)選擇14座淤地壩進(jìn)行庫容淤積監(jiān)測。麻莊流域在柳溝和寺溝內(nèi)選擇6座淤地壩；高莊流域在干溝的上、中、下游和支溝左莊溝、高莊溝內(nèi)選擇8座(分別為閃天玉壩、高家溝壩、呼家灣壩、左莊壩、高莊溝骨干壩，高莊溝1#、2#、3#壩)淤地壩。在這些淤地壩迎水坡面設(shè)置永久固定水尺，同時自溝道入庫區(qū)直至壩前設(shè)置2～3個觀測斷面，并布設(shè)水尺，進(jìn)行淤地壩庫容淤積監(jiān)測；在淤地壩附近布設(shè)地下水水位觀測設(shè)施。

4.3壩體監(jiān)測布設(shè)

壩體變形的水平位移和岸坡位移利用布設(shè)的GPS網(wǎng)采用定位法監(jiān)測；豎向位移觀測即沉降，可采用埋設(shè)沉降管、沉降環(huán)的方法來完成，埋設(shè)可隨壩體填筑完成,也可在工程完成后，通過打孔完成儀器的安裝埋設(shè)。

壩體滲流壓力觀測可在壩體橫斷面內(nèi)間隔同樣高程等距離地布置滲壓計，由滲壓計測值加測點(diǎn)對基準(zhǔn)面的位勢得出測點(diǎn)的總勢能，便可繪出斷面的等勢線和浸潤面；在壩址下游附近布設(shè)導(dǎo)滲溝，導(dǎo)滲溝出口設(shè)量水堰觀測其滲流量。

壩體監(jiān)測布設(shè)按不同施工方式、土質(zhì)類別、壩高、壩坡坡比和岸坡削坡的不同組合進(jìn)行，施工方式考慮碾壓、水墜、定向爆破三種；壩高按30 m以上、20～30 m、10～20 m考慮；壩坡坡比水墜施工按1∶2.25～1∶2.75，碾壓施工按1∶1.25～1∶2.0考慮；岸坡削坡考慮1∶1～1∶1.5。按上述不同因素的組合，結(jié)合淤地壩建壩實(shí)際，麻莊流域選擇5座淤地壩，采用自動遙測結(jié)合人工監(jiān)測的方式，監(jiān)測壩體的變形和滲流。高莊流域不進(jìn)行壩體監(jiān)測。

4.4效益監(jiān)測布設(shè)

為準(zhǔn)確反映項(xiàng)目實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)與社會效益，在項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)，以村民小組為單元，分典型農(nóng)戶和典型地塊兩個層次布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)。監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)長期固定，連續(xù)監(jiān)測。麻莊流域和高莊流域每個村民小組布設(shè)一組典型農(nóng)戶，每組典型農(nóng)戶由好、中、差各1戶組成。上述2條流域的壩地一般種植玉米，梯田一般種植豆類、糜谷、玉谷，坡耕地一般種植土豆、豆類、糜谷、草。壩地的布設(shè)考慮開始耕種和耕種多年兩種情況，并按流域位置(分干溝和支溝的左右岸組合)布設(shè)，每塊壩地一般為0.033～0.067 hm2；梯田和坡耕地的布設(shè)考慮半陽坡、半陰坡和作物種類，每塊梯田和坡耕地一般為0.067 hm2。生態(tài)效益監(jiān)測的植被樣方布設(shè)和水質(zhì)、土壤取樣地點(diǎn)結(jié)合淤地壩庫容淤積監(jiān)測和典型地塊進(jìn)行。

4.5GPS網(wǎng)布設(shè)

在麻莊流域的支溝柳溝上游流域分水嶺處、馬克義溝右岸中游流域分水嶺處、大吳家溝上游流域分水嶺處，各分布1個三角點(diǎn)，高程分別為1361.0 m、1307.4 m、1413.8 m；在高莊流域的左莊自然村東北約2 km的山頭和石家灣自然村北2 km的高圪垯分布的三角點(diǎn)高程分別為1331.1 m、1416.1 m，同時距高莊流域分水線8 km內(nèi)還在李家峁(高程為1335.7 m)、張家峁(高程為1341.73 m)等處也分布著一些高程點(diǎn)。GPS網(wǎng)的布設(shè)，應(yīng)充分利用原有的高程點(diǎn)，同時在治理溝和非治理溝及典型小流域中，需加密GPS網(wǎng)點(diǎn)[5]，以保證能滿足大比例尺(如1∶500或更大)GPS測圖的要求；同時，在各流域現(xiàn)場總控站和需要進(jìn)行壩體和淤積觀測的淤地壩附近，也應(yīng)加密GPS網(wǎng)點(diǎn)。

麻莊、高莊流域GPS網(wǎng)新布網(wǎng)點(diǎn)，分別不少于9個、8個，應(yīng)滿足全流域，尤其是典型小流域等重點(diǎn)監(jiān)測地區(qū)的實(shí)時動態(tài)測量(RTK)和長期監(jiān)測的需要。

5結(jié)語

淤地壩建設(shè)的目的是攔泥蓄水淤地，減少入黃泥沙，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收，屬社會公益事業(yè)。作為淤地壩建設(shè)的配套項(xiàng)目，壩系監(jiān)測與科研的目的是認(rèn)識和掌握淤地壩建成后流域的水沙規(guī)律，跟蹤工程建設(shè)質(zhì)量。通過科學(xué)布設(shè)，可以積極反饋淤地壩建設(shè)后流域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益，為宏觀決策提供依據(jù)。

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作者簡介：蘇瑜(1982-)，女，工程師，主要從事水土保持、水資源管理與保護(hù)工作。

中圖分類號：TV649

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)04-0077-04