黃土高原壩田綠色走廊建設(shè)的構(gòu)思與實踐

陳祖煜

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

我國黃土高原區(qū)溝壑縱橫，據(jù)統(tǒng)計侵蝕溝道共計666719條。地形切割強烈，導(dǎo)致植被稀疏，水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境極其脆弱。黃河泥沙淤積，河床抬高的趨勢雖然有所緩和，但尚未達到長治久安的水平。

在車軌共振試驗中發(fā)現(xiàn)，由于軌道剛度及基礎(chǔ)特征的變化，懸浮控制系統(tǒng)特性隨之發(fā)生了較大變化，通過進一步優(yōu)化參數(shù)并與軌道特性相匹配，可以實現(xiàn)穩(wěn)定良好的懸浮控制。結(jié)合軌道特性、懸浮架結(jié)構(gòu)特性和振動激勵的施加等因素，在車軌共振試驗臺上，可以系統(tǒng)地研究懸浮控制系統(tǒng)的剛度、阻尼、濾波參數(shù)對懸浮控制性能的影響，對進一步優(yōu)化懸浮系統(tǒng)性能具有重要價值。研究中發(fā)現(xiàn)，在懸浮剛度和阻尼不變的情況下，間隙信號濾波器成為影響車軌共振情況的主要因素。根據(jù)軌道振動頻率，采用不同的低通和高通濾波參數(shù)可以有效消除車軌共振。系統(tǒng)最終采用的懸浮控制方案如圖3所示。

《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》是全面建成小康社會，向第二個百年奮進的新時期提出的戰(zhàn)略規(guī)劃。綱要明確了以“山水林田湖草沙”作為一個生命共同體的重要理念。黃土高原淤地壩和梯田建設(shè)正是黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的組成部分。

“十四五”期間，淤地壩建設(shè)將重點聚焦黃河粗泥沙集中來源區(qū)，規(guī)劃攔沙淤地壩達萬余座。目前，一期工程已全面展開，包括2729座中、小型攔沙壩。投資45.08億元。一期工程建成后，共形成攔沙庫容8.15億m3，可攔沙11.00億t，攔截粒徑大于0.05mm的粗泥沙4.10億t，攔截粒徑大于0.1mm的粗泥沙1.64億t。在攔沙期內(nèi)遏止下游河床淤積面抬高0.11m。

坡耕地是我國水土流失的重要策源地，也是目前黃土高原群眾賴以生存和發(fā)展的生產(chǎn)資料。未經(jīng)規(guī)劃的坡耕地導(dǎo)致嚴重的水土流失，破壞耕地資源，降低土地生產(chǎn)力，危及國家糧食安全、生態(tài)安全和防洪安全。為進一步加強坡耕地水土流失治理，大力發(fā)展旱作梯田，國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合編制印發(fā)了《全國坡耕地水土流失綜合治理“十三五”專項建設(shè)方案》。以榆林市為例，橫山等7個縣(區(qū))從2012到2020年期間，共下達建設(shè)任務(wù)194.89km2，總投資41548萬元，截至2020年已完成坡改梯171.6km2。

本文擬就推動黃土高原淤地壩和梯田綠色走廊建設(shè)相關(guān)問題做一探索。

1 黃土高原淤地壩建設(shè)

1.1 建設(shè)成就

淤地壩的防洪風(fēng)險制約了其發(fā)展規(guī)模。淤地壩是水土保持工程，大部分淤地壩沒有溢洪道。淤地壩的臥管輸水系統(tǒng)也多建于土基，由于管理不當(dāng)，在實際運行中無法始終滿足明流泄水條件，時有出現(xiàn)臥管爆裂、甚至導(dǎo)致潰壩的現(xiàn)象。文獻[2]回顧了20世紀70年代以來典型的水毀淤地壩事故。圖1示2019年7月26日在榆林子洲清水溝淤地壩潰決現(xiàn)場，為近期典型的水毀工程。淤地壩多以壩系方式建設(shè)，呈復(fù)雜的串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。遇暴雨經(jīng)常發(fā)生數(shù)壩連潰災(zāi)害。例如2012年7月15發(fā)生在韭園溝流域特大降雨峰值達98.4mm，其中王茂莊流域一小時最大降雨量達到75.7mm。45座淤地壩及其配套工程遭受不同程度地損壞。

有效遏制水土流失，使山變青、水變綠。淤地壩形成的壩地不僅攔沙，更重要的是抬高了侵蝕基準面，從而大大減輕溝谷的重力侵蝕，使溝壑梯田化，有效地遏制了水土流失。正因為淤地壩對小環(huán)境、小氣候的改變，本世紀以來，陜西綠色版圖向北推移400km。森林覆蓋率提高，揚沙天氣數(shù)減少，黃土高原的人居環(huán)境質(zhì)量顯著提升[1]。

歸納上述中央和國務(wù)院近年內(nèi)連續(xù)出臺的關(guān)于水問題的各項改革舉措，可以說是歷史上空前的，客觀上講這也是歷史的必然抉擇，是國家最高決策層不失時機、實事求是地抓住了水資源這個束縛經(jīng)濟社會發(fā)展的核心瓶頸問題。因此，充分認識到水權(quán)明晰、界定與交易的重要性和所面臨的問題十分重要。

切實鞏固退耕還林成效，保障糧食安全。淤地壩增加的耕地土平、地松，每年控制了小流域的產(chǎn)流，具有極強的抗旱能力，因而穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。據(jù)實地調(diào)查，一畝壩地可促進6～10畝的坡地退耕。壩地平均畝產(chǎn)量是坡耕地的6～10倍、梯田的2～3倍[2]。

對觀察組患者開展目標(biāo)性護理，具體護理內(nèi)容為：①制定護理目標(biāo)。對患者開展健康教育，并確定健康教育目標(biāo)包括：藥物知識、飲食方式、心理情緒、運動等多方面知識。促使患者了解飲食習(xí)慣、運動、藥物干預(yù)等對血糖水平的影響，提高患者血糖自我監(jiān)測能力，明確教育目標(biāo)后，對患者予以健康指導(dǎo)，并糾正患者不良習(xí)慣，及時發(fā)現(xiàn)問題制定解決方案。

使用MIDAS Civil、FEA分別建立梁單元與實體仿真模型，材料為C30混凝土一維線性本構(gòu)，原構(gòu)件梁截面為10 000 mm2，長300 mm。分別在100 mm、200 mm處施加豎向1 000 N集中力。原結(jié)構(gòu)層側(cè)面增設(shè)加固層，加固層厚50 mm(0.5h0<0.6 S，其中h0為原結(jié)構(gòu)厚度，0.6 S為《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG D61-2005[6]規(guī)定偏心距限值)，控制變量起見，加固層材料與原結(jié)構(gòu)層一致，不計收縮徐變效應(yīng)，通過截面特性合理設(shè)置加固層截面偏心距模擬新舊材料表面貼合，該方式默認加固后外力作用點不發(fā)生改變，未考慮界面粘結(jié)與層間相互作用。

攔沙減沙效益顯著。根據(jù)相關(guān)研究，2011—2017年黃土高原淤地壩共攔沙10.5億t，淤地壩攔沙減蝕作用對黃河泥沙減少的貢獻率為34%，為遏制黃河河床抬高做出了重要貢獻[3- 4]。

(3)使用臺階式柔性溢洪道和PCCP有壓輸水管道，可以使高標(biāo)準淤地壩的防洪水工建筑物和小(2)型土石壩相應(yīng)的設(shè)施達到相同或稍高的水平。

1.2 存在問題

淤地壩在其發(fā)展過程中存在一系列瓶頸，急需解決。

根據(jù)第一次全國水利普查水土保持情況公報，截止2013年我國共有淤地壩58446座，淤地面積927.57km2。淤地壩建設(shè)取得了以下公認的成就：

正確答案是：主人、上司、長輩。不過，如果有客人、下屬或晚輩忽略了握手禮的先后次序，先對我們伸出了手，我們還是應(yīng)該回握喲！另外，“女士優(yōu)先”的原則在這里也是適用的。

大壩、溢洪道、輸水管道是淤地壩的“三大件”。建設(shè)高標(biāo)準淤地壩就是要采用水工建筑物的創(chuàng)新技術(shù)提升“三大件”的服役功能，促成淤地壩長期蓄水。同時，對小流域在暴雨條件壩系風(fēng)險防控需要提出相關(guān)的基礎(chǔ)理論和軟件，確保人身安全。本節(jié)擬對相關(guān)的核心技術(shù)做一探討。

建設(shè)高標(biāo)準淤地壩是充分充分發(fā)揮其生態(tài)修復(fù)和促進地方經(jīng)濟作用的重大舉措。作者認為，高標(biāo)準淤地壩應(yīng)在風(fēng)險防控和興利功能方面基本達到小(2)型水利工程的標(biāo)準，從而可以讓一部分淤地壩在一定的條件下蓄水，為黃土高原的高質(zhì)量發(fā)展做出新的貢獻。

綜上所述,臨床婦科給予患者施行腹腔鏡手術(shù)過程中選擇全麻復(fù)合硬膜外麻醉的麻醉效果明顯高于單純?nèi)榈穆樽硇Ч?可以減少術(shù)中麻醉藥物使用量,有效縮短手術(shù)時間及術(shù)后蘇醒時間,有重要臨床應(yīng)用價值。

1.3 高標(biāo)準淤地壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

單一的攔沙淤地模式難以調(diào)動農(nóng)民筑壩的積極性。在當(dāng)前基本口糧已解決和糧價不具競爭力的形勢下，淤地壩單獨靠糧食生產(chǎn)的模式難以維系其發(fā)展[2]。

(2)規(guī)范規(guī)定的淤地壩壩體的壓實度為0.94，稍低于小(2)型的0.96的標(biāo)準。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，為使壓實度達到0.94，必須使用具有一定壓實功能的機械。對高標(biāo)準淤地壩，將0.94提高到0.96，只是適當(dāng)調(diào)整鋪土厚度和碾壓遍數(shù)，不會實質(zhì)性地增加工程投資。

實現(xiàn)土壩壩身泄洪，降低溢洪道建設(shè)成本，始終是幾代水利人孜孜不倦追求的目標(biāo)。制約土壩壩身泄洪的風(fēng)險主要由以下兩個因素觸發(fā)。一是由混凝土，漿砌塊石或其它剛性材料組成的溢洪道一旦開裂，在泄洪過程中即因下臥土體被沖刷快速崩潰；二是即便在壩高10m的條件下溢洪道底部水流流速將高達10m/s左右，沒有足夠的消能措施，溢洪道和消力池將被沖毀。

表1比較小(2)型土石壩和中小型淤地壩設(shè)計標(biāo)準，可見目前淤地壩的設(shè)計標(biāo)準和小(2)型土石壩相比略有不足。但是實現(xiàn)前述建設(shè)高標(biāo)準淤地壩的新技術(shù)，即可使中小型淤地壩達到小(2)型土石壩的設(shè)計標(biāo)準。

圖2 延安市三連淤地壩服役的臺階式柔性溢洪道

1.3.2壩下有壓輸水管道

傳統(tǒng)淤地壩放水建筑物由放水臥管和輸水混凝土管組成，埋在壩下，其安全運用的前提是在各種運用條件下水流的水力學(xué)特征能保證輸水混凝土管處于無壓明流狀態(tài)。實際運用中難以有效地實施，由于輸水管破裂導(dǎo)致管涌事故頻發(fā)。如圖3(a)所示2016年7月18日發(fā)生在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達拉特旗哈他土溝2#號壩臥管破壞。

尋找更為可靠安全的輸水方式是消除淤地壩防洪風(fēng)險的重要一環(huán)。本課題組前期曾在延安安塞的王崖堯淤地壩開展了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(簡稱“PCCP”)的試驗示范科研工作，如圖3(b)所示。鑒于PCCP可以承受遠超水庫水位形成的內(nèi)水壓力，其安全性能大大提高。

在少不更事的年紀里，不懂家人的飯局，只覺得鬧。醉酒之人大聲地發(fā)笑，不停地絮叨，看著長輩們頻頻舉杯，搖頭走掉。而多年后的此刻，當(dāng)我深切地坐在其中，便發(fā)覺原來一切都是那么的順理成章。酒里帶著一種氛圍，一種讓人無法抗拒的魔力。美食佐酒，深秋之味，讓人相信美好的事物是這個世界的根源。即使生活未必完美，卻總有美好內(nèi)里。

還有的是“微滿足”。有人說，他們單位的微信群，已經(jīng)變成了“拍馬群”“獻媚群”“討好群”。只要單位領(lǐng)導(dǎo)一露面，群里立即就會響起一片叫好聲。這個說“領(lǐng)導(dǎo)高明”，那個說“領(lǐng)導(dǎo)辛苦”。爭相“獻花”“敬茶”“豎大拇指”，唯恐領(lǐng)導(dǎo)看不到自己。

圖3 壩下埋管(于沭供稿)

1.3.3壩系防洪風(fēng)險分析

淤地壩通常以壩系形式建設(shè)。在一個小流域，幾十座骨干壩、中型壩和小型壩構(gòu)成復(fù)雜的串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在對某一壩進行防洪演算時，需要考慮上游潰決和幸存的壩的下泄流量。近期，作者研究團隊根據(jù)小流域徑流的特點和淤地壩系類似人類家譜的結(jié)構(gòu)，采用魯棒算法，實現(xiàn)了精細水文分析，可以確定壩系每座壩的臨界降雨閾值。相應(yīng)方法參見文獻[6]，[7]。圖4為對榆林王茂莊淤地壩系在12小時降水量為179.6mm(相當(dāng)于200年一遇)條件下22座壩的生存情況。紅色為潰決的壩，綠色為幸存的壩[2]。

由此可見,Al(OH)3若作酸參加反應(yīng)時,它是一元弱酸,Al(OH)3若作堿參加反應(yīng)時,它是三元弱堿。據(jù)此便可建立如下定量關(guān)系:

圖4 淤地壩系防洪精細水文分析

1.3.4實現(xiàn)中小型淤地壩長期蓄水的措施

水資源是建設(shè)黃土高原綠色走廊的命脈。我們的目標(biāo)是建設(shè)高標(biāo)準淤地壩，讓一部分淤地壩達到小(2)型土石壩的設(shè)計要求，從而結(jié)合相應(yīng)的管理措施讓淤地壩蓄起水來，帶動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)保護事業(yè)。

2019年，中國水利水電科學(xué)研究院在陜西省綏德縣辛店溝淤地壩試驗基地成功地開展了一個高差達10m的土工布和當(dāng)?shù)攸S土材料建成的臺階式柔性溢洪道的水力學(xué)試驗[2]。對小型土石壩，這一新型結(jié)構(gòu)可基本解決上述兩個制約因素。壩頂過水的初步試驗結(jié)果表明，當(dāng)水頭差為9.85～10.05m時，溢洪道底部流速最大達6.7m/s，臺階式溢洪道提供了73%～93%消能率。經(jīng)二十余次試驗，溢洪道未見損壞和明顯的變形。建設(shè)成本比傳統(tǒng)溢洪道降低60%～70%左右。近期我們在延安市三連淤地壩增設(shè)了一個服役的高度為9.5m的臺階式柔性溢洪道，如圖2所示。

孫曉妍、蓋地（2015）分析論述了增值稅符合費用要素的基本確認標(biāo)準，通過增值稅稅負影響企業(yè)盈余的實證分析驗證了增值稅的費用特性。[4]

(1)淤地壩防洪能力薄弱的根本原因是沒有溢洪道。設(shè)置溢洪道后。使用2.3.3節(jié)介紹的精細水文分析方法可以對淤地壩系臨界降雨量做出科學(xué)合理的計算。由于淤地壩的流域面積很小，溢洪道的過水?dāng)嗝嫔宰髡{(diào)整，即可使其泄洪標(biāo)準達到小(2)型土石壩的設(shè)計要求。如文獻[7]介紹的山西省西廒溝2至7號骨干壩和中型壩，因具備溢洪道其防洪標(biāo)準均超過或接近千年一遇。

1.3.1臺階式柔性溢洪道

顯著改善當(dāng)?shù)亟煌?，促進鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展。黃土高原千溝萬壑，極不便利的交通條件，嚴重制約鄉(xiāng)村經(jīng)濟的發(fā)展。大部分已建的淤地壩都成為了連接溝壑兩岸的橋梁。例如稱鉤河壩系工程中的21座骨干壩在當(dāng)?shù)匦纬闪?5km的交通道路網(wǎng)絡(luò)，徹底改變過去人擔(dān)畜馱的歷史[5]。

表1 小(2)型土石壩和中小型淤地壩設(shè)計標(biāo)準比較

2 黃土高原的旱作梯田建設(shè)

2.1 回顧與展望

退耕還林是遏止水土流失，綠化黃土高原的重要舉措。水平梯田可以改變地面坡度和徑流系數(shù)，從而降低水的流速，達到蓄水保土和減輕土壤侵蝕等的目標(biāo)。2013—2015年，在黃土高原7省(自治區(qū))水土流失綜合治理的一個項目在3年內(nèi)建設(shè)土坎梯田805km2[8]。潼關(guān)以上梯田實現(xiàn)減沙約5億t[9]。

黃土高原旱作梯田建設(shè)雖然取得了巨大進步，發(fā)揮了重要作用，但目前梯田建設(shè)尚缺少國家規(guī)范。林業(yè)和水土保持部門尚未對黃土高原的坡地改造形成統(tǒng)一的治理標(biāo)準。陜西省地方標(biāo)準DB61/T 444—2008《機修梯田技術(shù)規(guī)范》和DB61/T 329—2003《梯田技術(shù)規(guī)范》多年未重新修訂。急需總結(jié)近年水平梯田建設(shè)的經(jīng)驗，以推動高標(biāo)準的旱作梯田建設(shè)。以延安上游山坡為例，其植樹造林業(yè)已初見成效，但延河楊家?guī)X段經(jīng)2019和2020年兩次洪水，河道淤積面提高了約50cm(如圖5所示清理后露出的原人行便道)。其原因是大部分樹木直接栽在坡面上，鑒于黃土抗沖流速極低，林木仍無法固土防沖。窄幅梯田不能適應(yīng)機械化農(nóng)業(yè)的要求，撂荒問題嚴重。圖6所示未達到預(yù)期效果的梯田，和圖7所示按近期建設(shè)的高標(biāo)準梯田作一比較，其差距十分明顯。因此急需總結(jié)已有的建設(shè)經(jīng)驗，出臺新的標(biāo)準。

圖5 延安延河楊家?guī)X段河道淤積情況

圖6 未達到預(yù)期效果的梯田

2.2 寬幅梯田-黃土高原水土保持關(guān)鍵技術(shù)

寬幅梯田是近年水土保持工程的一個新創(chuàng)舉，其要點是沿等高線布置梯田，具有便于機械化耕作運輸?shù)膶挿_地。臺地邊緣布設(shè)擋水土坎以防止坡面侵蝕。

圖7 高標(biāo)準梯田

圖8所示綏德縣艽園趙家坬現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)規(guī)劃建設(shè)的寬幅梯田，總面積3萬畝，預(yù)計總投資4.11億元，已建成林果園12km2?？梢?，依據(jù)現(xiàn)代化的寬幅梯田技術(shù)規(guī)劃建設(shè)黃土高原的水土保持工作，我們完全有理由相信，這片廣袤的國土將變成花果山。

圖8 綏德縣艽園趙家坬寬幅梯田(王埃平供稿)

3 壩田綠色走廊建設(shè)

3.1 戰(zhàn)略構(gòu)思

壩田綠色走廊建設(shè)的核心思想是建設(shè)高標(biāo)準淤地壩，使其達到小(2)型水利工程的風(fēng)險控制標(biāo)準，使大部分淤地壩可正常蓄水的條件，為黃土高原的綠色走廊建設(shè)提供基礎(chǔ)水資源。

水資源是制約旱作梯田的建設(shè)的瓶頸。我國黃土高原的年降雨量大部分在600～800mm。樹苗一旦成活，即有條件正常生長。但是需要為栽樹和施藥等作業(yè)提供基礎(chǔ)水資源。圖9(a)為旱作梯田的集雨水坑，對于解決梯田用水，可謂杯水車薪。淤地壩一旦蓄水，利用2.2節(jié)討論的高標(biāo)準淤地壩形成的水庫，可解梯田生命之水之患。圖9(b)為擬建的綏德石家溝淤地壩，它將與上述趙家坬寬幅梯田形成壩田一體化的示范工程。庫水可通過太陽能提水，成為振興鄉(xiāng)村經(jīng)濟的長效機制。

圖9 壩田一體化為梯田提供基礎(chǔ)水資源

3.2 實施方案

建議結(jié)合正在實施的黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程一期項目，挑選一、二個典型示范區(qū)開展黃土高原綜合治理的前期探索研究。

作者課題組前期通過調(diào)研建議將內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗東溝水庫作為選項之一。項目區(qū)位于鄂爾多斯水土保持科技示范園內(nèi)，利用現(xiàn)有的骨干壩(總庫容129.1萬m3)，在壩址左岸緩坡地帶布置光伏裝機15MW，并試點低水頭抽水蓄能2.8MW，規(guī)劃0.47km2牧草地和經(jīng)濟林，養(yǎng)羊約4000只?？偼顿Y1.15億元。本項目將和中國電建西北勘測設(shè)計院合作，形成深度研究報告，促成此示范工程落地。

4 結(jié)語

讓黃土高原變綠，讓黃河變清，是世世代代中華兒女的奮斗目標(biāo)。利用現(xiàn)代水利工程的創(chuàng)新技術(shù)，這個目標(biāo)是有可能實現(xiàn)的。黨中央提出的“黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展”的戰(zhàn)略規(guī)劃，為建設(shè)黃土高原壩田綠色走廊帶來契機。本文總結(jié)了制約淤地壩和旱作梯田發(fā)展的主要因素，提出以建設(shè)高標(biāo)準淤地壩為主線，帶動高土高原生態(tài)修復(fù)和建設(shè)新農(nóng)村美好家園的構(gòu)想和技術(shù)路線，期待為這一偉大的事業(yè)貢獻一份灼見。

圖10 內(nèi)蒙古準格爾旗東溝水庫