淤地壩壩系工程除險加固施工時序安排探討

王志堅，桂莉莉，張曉靜

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 水土保持科學研究所，山西 太原 030013； 2.山西省水土保持科學研究所，山西 太原 030013)

2019年9月18日，習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上強調：治理黃河，重在保護，要在治理。黃河生態(tài)系統(tǒng)是一個有機整體，要充分考慮上、中、下游的差異。中游要突出抓好水土保持和污染治理。水土保持不是簡單挖幾個坑種幾棵樹，黃土高原降雨量少，能不能種樹，種什么樹合適，要搞清楚再干。有條件的地方要大力建設旱作梯田、淤地壩等，有的地方則要以自然恢復為主，減少人為干擾，逐步改善局部小氣候。習近平總書記的重要講話，為黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展指明了方向，提出了具體的治理要求，黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，黃河中游淤地壩建設成為生態(tài)保護和高質量發(fā)展的一項重要治理工程。

1 淤地壩建設發(fā)展歷程

早在400多年前就有黃河流域淤地壩的記載。最早的淤地壩是自然形成的，明隆慶三年(公元1569年)，陜西子洲縣黃土洼，因自然滑坡、坍塌，形成天然聚湫，后經(jīng)人工修整形成高60 m、淤地810畝(15畝=1 hm2)的淤地壩。有記載的人工筑壩始于明代萬歷年間(公元1573—1619年)，在山西省汾西縣[1]。新中國成立后，黃河流域淤地壩建設經(jīng)歷了4個階段：

第一階段：1985年以前，縣(社、隊)集體組織建設。這一階段建設的淤地壩大多為中小型淤地壩，小多成群，缺少骨干性控制工程。由于缺少統(tǒng)一規(guī)劃和科學設計，標準低，目前大多數(shù)已經(jīng)淤滿。

第二階段：1986—2002年，骨干壩試點建設。在總結第一階段淤地壩建設的經(jīng)驗教訓，特別是小多成群無骨干，遇到較大暴雨出現(xiàn)垮壩的問題后，水利部在黃河流域實施了治溝骨干工程，經(jīng)過科學規(guī)劃，在溝道適當位置增建骨干壩，提高防洪標準，攔截上游洪水，保證下游中小型淤地壩安全。

第三階段：2003—2014年，溝道壩系工程建設。在全面總結淤地壩建設經(jīng)驗的基礎上，經(jīng)過反復試驗研究，科學總結出“以支流為骨架，以小流域為單元，大型淤地壩控制，中小型淤地壩合理配置、聯(lián)合運用”的溝道壩系工程建設技術路線，初步建成了一批防洪標準高、綜合效益好的典型壩系。如山西省離石市陽坡、陜西省寶塔區(qū)碾莊溝、內蒙古自治區(qū)準格爾旗川掌溝、甘肅省定西縣花岔、寧夏回族自治區(qū)西吉縣聶家河等一批防洪標準高、綜合效益好的典型壩系，促進了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結構調整和社會經(jīng)濟發(fā)展，為退耕還林和生態(tài)建設提供了支撐保障，受到群眾歡迎，得到各級領導的重視和肯定。

第四階段：2015年以來，除險加固和高質量發(fā)展階段。壩系工程建設使淤地壩安全運用狀況有了改善，但因淤地壩量大面廣、交通不便，加之沒有常設管理機構，而且多數(shù)淤地壩還是“兩大件”工程，故淤地壩安全運用任務十分艱巨。為了搞好淤地壩安全運用，2015年，水利部決定開展中型以上病險淤地壩除險加固工作。根據(jù)水利部制定的黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩認定暫行辦法，經(jīng)核查，確定列入本次病險淤地壩除險加固工程的淤地壩共計5 282座，其中大型壩3 025座、中型壩2 257座。這些病險淤地壩中，樞紐組成為大壩和放水建筑物“兩大件”和需加固溢洪道的淤地壩有4 200座，占需除險加固總數(shù)的79.5%，其中大型壩2 628座、中型壩1 572座，可見淤地壩除險加固的主要任務是增設和加固溢洪道。

2 臨縣萬安溝小流域壩系工程基本情況

除險加固把“兩大件”淤地壩改造為“三大件”淤地壩和加固溢洪道時，對單獨支溝的淤地壩，在工程設計方面基本不存在問題。但在壩系工程除險加固時需要考慮的問題很多，既有壩系工程中各壩的設計標準、洪水組合、高淤積工況下水力計算問題，也有除險加固工程實施時的安排時序問題。對設計標準、洪水組合、高淤積工況下水力計算問題，有關專家做了大量研究，提出了設計標準確定原則[2]、洪水組合和高淤積工況下水力計算方法[3]，并在實踐中得到推廣應用。下面以臨縣萬安溝小流域壩系工程為例，根據(jù)大中型淤地壩在壩系中的位置，通過建立“壩系相互影響關系圖”，來解決壩系工程除險加固時，受資金配置、施工力量等因素影響，不可能同時施工的時序安排問題。

臨縣萬安溝位于縣城以北的臨泉鎮(zhèn)境內，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，是黃河流域湫水河的一條小支流。萬安溝小流域總面積53 km2，其中水土流失面積52.2 km2，平均土壤侵蝕模數(shù)14 300 t/(km2·a)。該小流域壩系工程于2004年9月開工，2006年11月完工[4]。建設規(guī)模為大中型淤地壩30座，壩系控制水土流失面積44.6 km2，其中大型壩12座、中型壩18座?？値烊? 416.4萬m3，其中攔泥庫容991.1萬m3，可淤地面積141.6 hm2。小流域壩系工程布局見圖1。

圖1 臨縣萬安溝小流域壩系工程總體布局

除險加固時，根據(jù)大中型淤地壩在壩系中的位置，并考慮與其相關的淤地壩設計標準、洪水組合和調洪計算，確定萬安溝小流域壩系工程除險加固設計防洪標準為：大(1)型淤地壩10座，大(2)型淤地壩8座，中型淤地壩12座[5]。萬安溝小流域壩系中型以上淤地壩除險加固基本情況見表1。從表1中可以看出，該流域壩系工程除險加固時有13座淤地壩的防洪標準需要提高，其中有7座大(2)型淤地壩提高到大(1)型淤地壩，有2座中型淤地壩提高到大(1)型淤地壩，有4座中型淤地壩提高到大(2)型淤地壩。

表1 萬安溝小流域壩系中型以上淤地壩除險加固基本情況

萬安溝小流域壩系中型以上淤地壩除險加固前后防洪標準對比情況見圖2。

圖2 萬安溝小流域壩系工程除險加固設計防洪標準與原設計防洪標準對比

3 建立壩系相互影響關系圖

壩系相互影響關系圖就是通過分析壩系中各壩之間的相互影響關系，從流域內干、支溝最上游的淤地壩開始分析，假定其為第1層級，運行中出現(xiàn)安全問題，把其可能影響的下游壩作為第2層級；再假定第2層級運行中出現(xiàn)安全問題，把其可能影響的下游壩作為第3層級……以此類推，直到分析完整個壩系。某座淤地壩上游有多個層級時，按最低層級考慮。

按照上述影響關系，萬安溝小流域壩系工程可分為5個層級：第1層級的淤地壩有19座，其中大型淤地壩3座(G6、G11、G12)，中型淤地壩16座(Z1—Z11、Z13、Z14、Z16—Z18)。第2層級的淤地壩有6座，其中大型淤地壩4座(G1、G3、G5、G10)，中型壩2座(Z12、Z15)。第3層級的淤地壩有3座，均為大型淤地壩(G2、G8、G9)。第4層級的淤地壩有1座，為大型淤地壩(G4)。第5層級的淤地壩有1座，為大型淤地壩(G7)。萬安溝小流域壩系工程相互影響關系見圖3。

圖3 萬安溝小流域壩系相互影響關系

4 安排原則

壩系工程除險加固時，受資金配置、施工力量等因素影響，不可能同時開工建設，在施工時序安排上，遵循輕重緩急原則，按照如下順序安排：

一是堅持“以人為本”原則，優(yōu)先安排大壩下游影響范圍內有村莊、學校、工礦、道路等重要設施的淤地壩，影響人口越多，越需盡早安排施工。在萬安溝小流域壩系工程優(yōu)先安排的淤地壩有6座，分別是G6、G9，Z4、Z5、Z12、Z13。

二是安排受影響因素最多的淤地壩。依據(jù)壩系相互影響關系圖自下而上逐層級安排實施，一般是上游有多個串、并聯(lián)的淤地壩先安排。萬安溝小流域壩系工程中安排時序從第5層級開始，依次為第5層級的G7，第4層級的G4，第3層級的G2、G8，第2層級的G1、G3、G5、G10、Z15，第1層級的G11、G12、Z1—Z3、Z6—Z11、Z14、Z16—Z18。

三是處于壩系相互影響關系圖同一層級的淤地壩，優(yōu)先安排防洪庫容相對較小的大型淤地壩，其次是安排上游已實施除險加固的淤地壩，再次是安排中型淤地壩。為了直觀描述防洪能力，采用已淤積庫容占總庫容的百分比來確定，值越大，說明剩余庫容的防洪調節(jié)能力越小，越需要盡早安排。如第2層級的安排時序為大型淤地壩G10、G3、G1、G5，中型淤地壩Z15，各層級已淤積庫容占設計總庫容的百分比見表2。

四是對第1層級的淤地壩，安排時序首先是大型淤地壩，其次是安排單獨支溝的中型淤地壩，再次是剩余的中型淤地壩。如先大型淤地壩G11、G12，再單獨支溝的中型淤地壩Z17、Z18，然后是剩余的中型淤地壩Z11、Z10、Z14、Z16、Z1、Z7、Z6、Z9、Z3、Z8、Z2。

根據(jù)以上原則，確定的萬安溝小流域壩系中型以上淤地壩除險加固安排時序見表2。

表2 萬安溝小流域壩系中型以上淤地壩除險加固安排時序

5 結 語

壩系工程除險加固施工時序安排需要考慮的問題很多，本研究僅考慮了下游影響范圍是否有村莊、村莊人口數(shù)量、各壩在壩系工程中的位置、已經(jīng)淤積情況及單獨支溝建設的淤地壩問題，對淤地壩下游保護耕地面積、上游治理情況及除險加固實施中的社會問題沒有考慮。這些問題需要在實踐中不斷研究、不斷探索，豐富和完善壩系工程除險加固施工時序實施理論，以便更好地指導壩系工程除險加固工作，為淤地壩和壩系工程安全運用提供有力的技術支撐。