基于層次分析法的壩系工程除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)與洪水組合探討

桂莉莉

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030013)

淤地壩是黃土高原水土流失區(qū)溝道治理時(shí)以淤地造田和滯洪攔沙為目的而修建的水工建筑物，是改善當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活條件、將荒溝變良田、增加糧食產(chǎn)量的水土保持溝道治理工程[1]。病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固是保障淤地壩安全運(yùn)行、推進(jìn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。如何科學(xué)合理地確定各壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，做好洪水組合計(jì)算，是壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。在這方面有關(guān)專家做了大量研究，提出了壩系工程防洪標(biāo)準(zhǔn)確定原則[2]和洪水組合計(jì)算方法[3-5]，并在實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用[6]。本研究基于層次分析法相關(guān)理論，以臨縣萬安溝小流域壩系工程為例，從流域內(nèi)干支溝最上游開始，綜合分析各壩的分布位置及其對(duì)下游的影響，構(gòu)建壩系內(nèi)大中型淤地壩層次結(jié)構(gòu)模型，直觀、快捷地分析流域內(nèi)各壩的分布特征及上下游壩間的相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上確定各壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)和洪水組合計(jì)算方法，為壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 層次分析法

層次分析法[7]由美國運(yùn)籌學(xué)家薩德于20世紀(jì)70年代提出，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，它將復(fù)雜問題按相互關(guān)系構(gòu)成遞階層次結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比分析確定相同和相異層次中各因素的重要性，并做出綜合決策判斷，在我國社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，層次分析法在淤地壩效益分析、施工時(shí)序安排等方面也有應(yīng)用[8-9]。

基于層次分析法相關(guān)理論，將臨縣萬安溝小流域內(nèi)干支溝最上游的淤地壩設(shè)定為第1層，把其影響到的下游淤地壩設(shè)定為第2層，再把第2層影響到的下游淤地壩設(shè)定為第3層……以此類推，直到分析完整個(gè)壩系。若某座淤地壩上游有多座并聯(lián)淤地壩，且位于不同層次時(shí)，按最低層次原則，逐級(jí)遞推，順次將其劃分至下一層次，使壩系內(nèi)大中型淤地壩形成一個(gè)層次分明的結(jié)構(gòu)體系，且各層間具有特定的內(nèi)在聯(lián)系，通過分析各壩的分布位置及其相互影響關(guān)系，構(gòu)建壩系層次結(jié)構(gòu)模型。

2 萬安溝小流域壩系工程概況

萬安溝小流域位于山西臨縣臨泉鎮(zhèn)境內(nèi)，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，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)1.43萬t/(km2·a)。流域壩系工程建設(shè)期為2004年9月至2006年11月，共建成大中型淤地壩30座[10]。其中，大(1)型淤地壩1座，設(shè)計(jì)總庫容212.35萬m3，主要建筑物級(jí)別按4級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30 a 一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a 一遇洪水校核；大(2)型淤地壩11座，設(shè)計(jì)總庫容50萬～100萬m3，主要建筑物級(jí)別按5級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a 一遇洪水校核；中型淤地壩18座，設(shè)計(jì)總庫容10萬～50 萬m3，主要建筑物級(jí)別按5級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、50 a 一遇洪水校核。壩系工程可控制流域面積44.6 km2，總庫容1 416.4萬m3，其中攔泥庫容991.1萬m3，可淤地面積141.6 hm2。在這30座淤地壩中，除殷唐溝大(1)型淤地壩為“三大件”外，其余均為大壩和放水工程“兩大件”，除險(xiǎn)加固的主要任務(wù)是增設(shè)溢洪道。萬安溝小流域壩系工程總體布局見圖1，淤地壩除險(xiǎn)加固基本情況見表1，圖表中G、D、Z分別表示大(1)型、大(2)型和中型淤地壩，標(biāo)“*”表示該淤地壩下游影響范圍內(nèi)有居民點(diǎn)。

表1 萬安溝小流域壩系工程淤地壩除險(xiǎn)加固基本情況

圖1 萬安溝小流域壩系工程總體布局

按照層次分析法，結(jié)合萬安溝小流域壩系分布情況，將流域內(nèi)大中型淤地壩劃分為5層：第1層淤地壩有19座，包括大(2)型淤地壩3座、中型淤地壩16座；第2層淤地壩有6座，包括大型(1)型淤地壩1座、大型(2)型淤地壩3座、中型淤地壩2座；第3層淤地壩有3座，均為大(2)型淤地壩；第4、5層淤地壩各有1座，均為大(2)型淤地壩。萬安溝小流域壩系工程層次結(jié)構(gòu)模型見圖2。

3 層次分析法確定防洪標(biāo)準(zhǔn)

利用層次分析法確定萬安溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)，具體分析過程如下。

3.1 下游影響范圍內(nèi)有居民點(diǎn)的淤地壩

從圖2中可以看出，位于第1層的D5*、Z4*、Z5*、Z13*，第2層的Z12*和第3層的D8*這6座淤地壩下游影響范圍內(nèi)有居民點(diǎn)。根據(jù)《淤地壩技術(shù)規(guī)范》(SL/T 804—2020)中“失事后損失巨大或影響嚴(yán)重的淤地壩工程中5級(jí)主要永久性建筑物，經(jīng)論證可提高一級(jí)”的要求，主要永久性建筑物可提高一級(jí)，其相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)提高一級(jí)，因此D5*和D8*這2座大(2)型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高到大(1)型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a一遇洪水校核，用GD5*和GD8*表示；Z4*、Z5*、Z13*和Z12*這4 座中型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高到20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核，用DZ4*、DZ5*、DZ13*和DZ12*表示。

圖2 萬安溝小流域壩系工程層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 位于單獨(dú)支溝的中型淤地壩

從圖2中可以看出，第1層Z17和Z18這2座中型淤地壩位于單獨(dú)支溝內(nèi)，且下游沒有大型淤地壩。根據(jù)《淤地壩技術(shù)規(guī)范》(SL/T 804—2020)中“大型淤地壩控制區(qū)域外的中型淤地壩校核洪水重現(xiàn)期應(yīng)取上限”的要求，這2座中型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高到20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核，按大(2)型淤地壩設(shè)計(jì)，用DZ17和DZ18表示。

3.3 壩系洪水組合計(jì)算需要提高標(biāo)準(zhǔn)的淤地壩

從3.1分析中可知，流域內(nèi)大(1)型淤地壩有3座，分別是位于第1層的GD5*、第2層的G1和第3層的GD8*。便于洪水組合計(jì)算，與其相關(guān)的大(2)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)提高到大(1)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

位于第1層的GD5*和第2層的G1下游是位于第5層的D6，G1上游還有防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(2)型淤地壩的DZ4*和DZ5*，考慮調(diào)洪計(jì)算時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)的一致性，D6、DZ4*和DZ5*這3座大(2)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高到大(1)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，分別用GD6、GZ4*和GZ5*表示。而位于第5層的GD6，上游有位于第4層的D4、位于第3層的D2和位于第2層的D3、D1，共4座大(2)型淤地壩，便于洪水組合計(jì)算，其防洪標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)提高到大(1)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，分別用GD4、GD2、GD3和GD1表示。

位于第3層的GD8*上游為第2層的Z15和第1層的Z14這2座中型淤地壩，因不考慮其影響范圍，故保持原有防洪標(biāo)準(zhǔn)。

這樣，從洪水組合計(jì)算角度考慮，需要提高到大(1)型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的壩有7座，分別是GD1、GD2、GD3、GD4、GD6、GZ4*和GZ5*。

3.4 防洪標(biāo)準(zhǔn)保持不變的淤地壩

防洪標(biāo)準(zhǔn)保持不變的淤地壩共有17座，其中：大(1)型淤地壩1座，為G1；大(2)型淤地壩有4座，分別是位于第1層的D10、D11、第2層的D9和第3層的D7；中型淤地壩有12座，分別是位于第1層的Z1、Z2、Z3、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z14、Z16和位于第2層的Z15。

綜上所述，萬安溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，最終確定該流域壩系工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為：大(1)型淤地壩10座，分別是位于第1層的GZ4*、GZ5*、GD5*，第2層的G1、GD1、GD3，第3層的GD2、GD8*，第4層的GD4，第5層的GD6；大(2)型淤地壩8座，分別是位于第1層的D10、D11、DZ13*、DZ17、DZ18，第2層的D9、DZ12*，第3層的D7；中型淤地壩12座，分別是位于第1層的Z1、Z2、Z3、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z14、Z16和第2層的Z15。其防洪標(biāo)準(zhǔn)分布見圖3，防洪標(biāo)準(zhǔn)層次結(jié)構(gòu)模型見圖4，從圖中可直觀地看出需要提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的淤地壩及提高的原因。

圖3 萬安溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)分布

圖4 萬安溝小流域壩系除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)層次結(jié)構(gòu)模型

4 壩系洪水組合計(jì)算

壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，洪水組合計(jì)算包括組合洪峰流量和組合洪水總量兩部分，利用層次結(jié)構(gòu)模型按單壩、串聯(lián)壩和并聯(lián)壩三種情況分析洪水組合[3]。

4.1 按單壩計(jì)算

因大型淤地壩洪水組合計(jì)算時(shí)，其區(qū)間產(chǎn)流面積包括區(qū)間防洪標(biāo)準(zhǔn)為中型淤地壩的產(chǎn)流面積，因此按單壩計(jì)算的淤地壩就是位于第1層的所有淤地壩，以及設(shè)計(jì)壩上游層均為中型淤地壩的大(1)型淤地壩和大(2)型淤地壩。從圖4中可以看出，共有24座淤地壩按單壩計(jì)算，分別是位于第1層的19座淤地壩；位于第2層其上游第1層為中型淤地壩的大(1)型淤地壩GD1、GD3和大(2)型淤地壩D9、DZ12*這4座淤地壩；位于第3層其上游第2、1層均為中型淤地壩的大(1)型淤地壩GD8*。

4.1.1 洪峰流量

根據(jù)山西省《淤地壩工程技術(shù)規(guī)范》(晉Q 834—85)，計(jì)算公式為

QP=C1H24PF2/3

(1)

式中：QP為頻率為P的洪峰流量，m3/s；C1為洪峰地理參數(shù)；F為產(chǎn)流面積，km2；H24P為頻率為P的24 h暴雨量，mm。

4.1.2 洪水總量

洪水總量計(jì)算公式為

WP=KRPF

(2)

式中：WP為頻率為P的設(shè)計(jì)洪水總量，萬m3；K為小面積洪水折減系數(shù)；RP為頻率為P的設(shè)計(jì)暴雨一次洪水模數(shù)，萬m3/km2；其余符號(hào)意義同前。

4.2 按串聯(lián)壩計(jì)算

按串聯(lián)壩計(jì)算的淤地壩是指位于相鄰兩層次、防洪標(biāo)準(zhǔn)相同，且相互關(guān)系唯一的淤地壩。從圖4中可以看出，按串聯(lián)壩計(jì)算的有位于第2層的Z15與第1層的Z14，是中型淤地壩串聯(lián)；位于第3層的GD2與第2層的GD1，是大(1)型淤地壩串聯(lián)。

4.2.1 組合洪峰流量[4]

組合洪峰流量計(jì)算公式為

(3)

式中：QP調(diào)為經(jīng)上層壩調(diào)節(jié)后的洪峰流量，m3/s；QP區(qū)為區(qū)間洪峰流量，m3/s；QP未為未經(jīng)上層壩調(diào)節(jié)的洪峰流量，m3/s；Q1P為上層壩的洪峰流量，m3/s；q1P為上層壩的最大下泄流量，m3/s。

4.2.2 組合洪水總量

組合洪水總量計(jì)算公式為

(4)

式中：WP調(diào)為經(jīng)上層壩調(diào)節(jié)后的洪水總量，萬m3；WP未為未經(jīng)上層壩調(diào)節(jié)的洪水總量，萬m3；F為設(shè)計(jì)壩上游的總產(chǎn)流面積，km2；f區(qū)為區(qū)間產(chǎn)流面積，km2；W1為上層壩達(dá)到最大下泄流量時(shí)的泄洪總量，萬m3。

4.3 按并聯(lián)壩計(jì)算

按并聯(lián)壩計(jì)算的淤地壩是指位于設(shè)計(jì)壩上游相鄰層、防洪標(biāo)準(zhǔn)相同，且上層壩有2座或2座以上的淤地壩。從圖4中可以看出，上層并聯(lián)2座淤地壩的有3座，分別是位于第2層的G1、第3層的D7與第4層的GD4。其中G1上層是防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(1)型淤地壩GZ4*、GZ5*和中型淤地壩Z6，G1在洪水計(jì)算時(shí)，按照上游串聯(lián)壩下泄洪水與產(chǎn)流總面積進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，應(yīng)考慮GZ4*、GZ5*下泄洪水與區(qū)間產(chǎn)流面積(含Z6區(qū)間產(chǎn)流面積)的洪水組合；D7上層分別是防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(2)型淤地壩DZ12*、DZ13*，D7在洪水計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高到大(2)型淤地壩DZ12*、DZ13*的下泄洪水與區(qū)間產(chǎn)流面積的洪水組合； GD4上層分別是防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(1)型淤地壩GD2、GD3，GD4在洪水計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高到大(1)型淤地壩GD2、GD3的下泄洪水與區(qū)間產(chǎn)流面積的洪水組合。

上層并聯(lián)3座淤地壩的有1座，是位于第5層的大(1)型淤地壩GD6，其上層分別是位于第4層的GD4、第2層的G1、第1層的GD5這3座大(1)型淤地壩和按區(qū)間產(chǎn)流面積計(jì)算的Z7～Z10這4座中型淤地壩。GD6在洪水計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮上層并聯(lián)的3座大(1)型淤地壩GD4、G1、GD5*的下泄洪水與區(qū)間產(chǎn)流面積的洪水組合。

從以上分析可得，按并聯(lián)壩計(jì)算的共有4座淤地壩，分別是按并聯(lián)2座淤地壩計(jì)算的G1、D7、GD4及按并聯(lián)3座淤地壩計(jì)算的GD6。此處主要介紹并聯(lián)3座淤地壩時(shí)洪峰流量和洪水總量的計(jì)算。

4.3.1 組合洪峰流量[3]

并聯(lián)3座淤地壩的組合洪峰流量計(jì)算公式為

(5)

式中：Q1P、Q2P、Q3P分別為上層1號(hào)壩、2號(hào)壩、3號(hào)壩的洪峰流量，m3/s；q1P、q2P、q3P分別為上層1號(hào)壩、2號(hào)壩、3號(hào)壩的最大下泄流量，m3/s；∑f為設(shè)計(jì)壩上層3座壩產(chǎn)流面積之和，km2；其余符號(hào)意義同前。

4.3.2 組合洪水總量

并聯(lián)3座淤地壩的組合洪水總量計(jì)算公式為

(6)

式中：W1、W2、W3分別為上層1號(hào)壩、2號(hào)壩、3號(hào)壩達(dá)到最大下泄流量時(shí)的泄洪總量，萬m3；其余符號(hào)意義同前。

5 結(jié) 語

基于層次分析法理論，將流域內(nèi)大中型淤地壩層次化、條理化，構(gòu)建壩系工程層次結(jié)構(gòu)模型，可直觀地反映出流域內(nèi)壩系工程的整體布局，快速、便捷地掌握各壩與上下游壩的相關(guān)關(guān)系，科學(xué)合理地確定各壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，做好壩系洪水組合計(jì)算，有利于病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，可推廣應(yīng)用。