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(环境工程专业论文)札林川小流域坝系工程建设方案研究.pdf.pdf 免费下载
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学位论文独创性声明: 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实,本人负全 部责任。 论文作者( 签名) :近刍兰i 竺九碑乙月 ( 注:手写亲笔签名) 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档,可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) :乏立:j 竺 厂年乙月 ( 注:手写亲笔签名) 日 摘耍 摘要 通过对黄土高原丘陵沟壑区和风沙区过渡地带的典型小流域陕西省榆 林市榆阳区大河塔乡札林川小流域自然状况、社经情况、水土保持治理现状、沟 道坝系工程建设现状的调查研究,从札林川小流域自然环境、人文环境,以及水 土保持现状、沟道淤地坝现状布局、防洪能力、存在问题等方面,分析了该流域 建设淤地坝的条件和对治理水土流失、减少入黄泥沙、解决“三农”问题的现实 意义,在充分考虑坝系建设现状、建坝资源、交通、筑坝材料、技术力量和群众 基础等因素的基础上,按照黄河水土保持生态工程建设蓄洪拦沙和淤地生产两大 目标,依据淤地坝建设、设计的有关技术规范,设计了两套坝系建设方案,对两 套方案从相对稳定、防洪能力、防洪保收能力、经济效益四方面进行比较分析评 价,选择了在不减少坝控面积、不降低防洪标准的情况下,减少骨干坝的数量, 加大骨干坝规模的坝系建设方案,供当地水土保持生态工程建设使用。该方案水 土保持防洪拦沙效果好,满足当地基本农田建设需要,经济效益较高,符合札林 川自然条件和社会实际情况。这些研究,不仅为札林川小流域坝系建设提供了科 学的建设设计方案,而且也为类似的风沙区与黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带的 同类地区类似地貌特征的小流域的坝系建设提供了有价值的参考。 关键词:札林川小流域坝系工程建设方案 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e x td e s c r i b e st h ec is t r i c tt ot h el o e s s p l a t e a um o u n dg u t t e r s a r e am o d e r a t eb r e e z e ss a n da r e ao fn a t u r a lc o n d i t i o n inz h a li n c h u a n 、 d a h et o w n ,y u l i n ,s h a a n x ip lo v i n e e ,a n de c o n o m y ,s o c i e t ye n v i r o n m e nl l h e p r e s e n tc o n d i t i o no fw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o nm a n a g e s ,t h ed i t c ha d a md e p a r t m e n te n 9 1 n e e r l n gt oc o n s t r u c tt h ep r e s e n tt e n d il i o no f i n q u i s i t i o nr e s e a r c h ,l h ist e x ti sf r o mt h el o e s sp l a t e a um o u n dg ull e e s a r e az h a li n c h u a ns m a l lr i v e tv a ll e yn a t u r a le n v ir o n m e n t t h eh u m a n i t i e s e n v i r o n m e n l ,a n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h es i l td a m f l o o dc o n t r e a b i l i t y ,t h ee x i s t e dp r o b l e me t c ,a n a l y z e dt h ee o n d i t i o no f s i l td a m c o n s t r u c t i o na n dt h er e a l i s t j cf u n c t i o n :m a n a g et h es o i le r o s i o na n d r e d u c es e d i m e n ti n t ot h ey e l l o wr i v e r ,r e s o lv e ”t h r e ea g r i c u l t u r e s ”s p r o b l e m o nt h eb a s eo ff u l l yc o n s i d e rt h ep r e s e n tc o n d i t i o no fd a m d e p a r t m e n te o n s t r u c t i o e ,r 6 - s o u r c e so fs e t t i n gu pt h ed a m s ,t r a n s p o r t a t i o n m a t e r i a lf o rb u i l d i n gt h ed a m s ,t e c h n i q u ep o w e ra n dm a s sf o u n d a t i o ne t c a c c o r d i n gt ot h et w og r e a t e s tt a r g e t s :y e l l o wr i v e rw a t e ra n ds o i l e o n s e r v a tl o n e c o s y s t e me n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ,f l o o dc e n t r e l a n d p r o d u c es i l tg r o u n d a c c m d i n gt ot h ef o u n d a t i o no fs i i td a r na n d r e l e v a n t l yt e c h n i c a ls p e c if i c a t i o n d e s i g nt w od i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n p r o j e c t s ,a f t e rc o n t r a s ta n a l y s i sa r g u m e n to f f l o o dc e n t r e la b i 】it y a s s u r a n c eh a r v e s ta b i l i t y ,e c o n o m i cp e r f o r m a n c ee t c c h o o s eas e to f p r o j e c tw h i c hc a n tr e d u c et h ed a mc o n t r o la r e a c a n tr e d u c et h ef l e n d c o n t r o ls t a n d a r d ,c a n tr e d u c et h en u m b e r so ft h ef r a m e w o r kd a mb u tc a n a d du pt h es c a l eo ft h ef r a m e w o r kd a ma n ditc a nb eu s e di nt h el o c a lw a t e r a n ds o i lc o n s e r v a t i o ne c o s y s t e me n g i n e e r i n gc o n s t r u e t i o n t h i sp r o j e c t c a ng r e a t l yc o n t r o lt h ef l o o d ,s a t i s f i e st h el o c a lf a r m l a n dc o n s t r u c t i o n e c o n o m i cp e r f o r m a n c ei sh ig h e ra n di tm a t c ht h en a t u r a lc o n d i t i o no f z h a l i n c h u a na n ds o c i a lc i r c u m s t a n c e t h er e s e a r c h ,t h et e x tn o to n l yf o r t h es c i e n t i f i cc o n s t r u c t i o np r o j e c to fz h a l i n c h u a ns m a l lr i v e tv a l l e y b u ta l s op r o v i d e st h ew o r t h yr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gt h ed a m sd e p a r t m e n t t h ec o n s t r u c t i o np r oj e c to ft h ee x c e s s i v ed i s t r i c to ft h es i m i l a r s a n d s t o r ma r e aa n dt h el o e s sp l a t e a um o u n dg u t t e r sa r e a k e y w o r d :z h a l i n c h u a n s m a l lr i v e rv a l l e yt h ed a md e p a r t m e n t t h ep r o j e c to ft h ec o n s t r u c t i o n i i 第一章前言 第一章前言 黄土高原被称为中华历史的摇篮,黄河被赞为中华民族的母亲河,在巾华民族发 展史上有着不可磨灭的功勋。正是这不可磨灭的功勋留下了现在黄土高原支离破碎的 地形地貌、恶劣的生态环境,形成了水资源匮乏、断流危机、河床不断抬高的黄河。 黄土高原丘陵沟壑区是黄土高原的典型代表,是我国乃至世界水土流失最严重的地区 之一,淤积黄河、抬高河床、造成现在地上悬河的主要泥沙源自该区的水土流失,尤 其是黄土丘陵沟壑区第一副区,是黄河的多沙粗沙区。历史以来严重的水土流失,造 就了黄丘区梁峁起伏、沟壑纵横、地形破碎、土地瘠薄、水资源匮乏的恶劣生态环境, 恶劣的自然条件,使区域内农业生产力水平低下,区域经济落后,农民群众生活在贫 困线以下。贫困的生活又更加促使了具有吃苦耐劳天性的当地农民在瘠薄的梁峁坡地 上采用广种薄收的掠夺式生产:疗式增加收入,于是步入了愈垦愈贫、愈贫愈垦的恶性 循环中。因此,黄土高原丘陵沟壑区的水土保持生态环境建设问题、水土流失防治问 题、从根本上解决黄河的水患问题与解决黄土高原丘陵沟壑区的“三农”问题等,从 源头上讲,就是解决农民的土地问题。 黄土丘陵沟壑区第一副区泥沙主要来自沟道,据研究表明,本区沟谷面积占总面 积的4 0 ;左v f :5 ,而沟谷产沙量却占区域总产沙量的6 0 以上f 6 1 7 1 。多年的水土保持生 态环境蠊测结果表明,在水土保持生物措施、农业措施、工程措施等各单项措施中, 工程措施蓄水拦沙效益最大。淤地坝拦沙量占小流域水土保持措施总减沙量的 6 6 f 1 4 ( j 5 】。经过多年的淤地坝建设,逐步在小流域沟道中形成坝系,其蓄水拦沙效益 更为显著。淤地坝蓄水拦沙防止泥沙输入黄河抬高下游河床,而且,可以抬高、淤埋 沟道,防治沟道侵蚀。更重要的是其淤积的坝地是当地高产稳产基本农田。由于淤地 坝淤积的泥沙来源于山坡地的表土层,土壤有机质含量高,加之雨水淋溶山坡地的无 机物后又集中到淤地坝的土壤中,而且,淤地坝土壤系洪水沉积,含水量高,又离地 下水近,且经常被坡面径流淤埋,因此,坝地的土肥水条件均优于当地自然的台塬地。 据黄委会绥德水土保持科学试验站测定,坝地土壤有机质和水解氮含量比梯田高 2 4 4 2 ,比坡地高3 7 7 6 ,含水率比梯田高4 2 1 4 3 ,比坡地高6 2 5 1 6 8 l 】驯口:同时淤地坝的建设改善了当地的生产、交通条件,提高了劳动生产率。 羽海大学t 程顶- l 专、i p 学位论文 当地群众称赞说“村有百亩坝,天早也不t f l ”,“玎坝如修仓,澄泥如潘粮”。 黄土丘陵沟壑区淤地坝建设不仅深受农民喜爱,也越来越得到自关部门领导的垣 视。2 0 0 3 年水利部将黄土高原淤地坝建设列为三火水利新“亮点”1 f 2 之,提1 1 1 : 到2 0 1 0 午,在黄十- 高原建设6 万座淤地坝:到2 0 2 0 ,午,建设1 6 乃库淤地坝。黄洲 水利委员会存2 0 0 3 年全河上作会议上提出,“当前黄河流域水土保持t 作的重要忏务 是加强黄土高原地区的淤地坝建设”1 5 旧i ,更j j u 突出了淤地坝建殴在黄1 一高原水t 保 持生态环境建设中的作用与地位。 第二章小流域坝系建的国内外进展 第二章小流域坝系建设的国内外进展 淤地坝是在我国黄土高原丘陵沟壑区产生和发展的,距今有4 0 0 多年的历史,但 真正以科学的方式建设和研究淤地坝还是在新中国建立以后才逐步开始的,而以小流 域为单元坝系建设是在八十年代中后期才逐步形成的,只有2 0 多年的发展历程。因 此,淤地坝在我国黄土高原丘陵沟壑区的产生和发展是既有悠久的历史,又是年轻的 新生事物,仍然还有许多需要试验研究的技术问题在实践中探索。 2 1 淤地坝的产生与发展 淤地坝是指在各级沟道中,以拦泥淤地为目的而修建的建筑物,其拦泥淤成的地 叫坝地【1 1 1 25 1 。 在黄土高原丘陵沟壑区筑坝拦泥淤地,对于抬高沟道侵蚀基准面、防治水土流失、 改善当地生产生活条件、建设高产稳产的基本农田、促进当地群众脱贫致富等方面有 着 分重要的意义,是小流域水土保持综合治理的一项重要措施。在水土流失严重的 黄土高原丘陵沟壑地区,由于淤地坝投资少、见效快,淤成坝地利用时间长、效益高, 深受群众欢迎。 淤地坝是黄土高原丘陵沟壑区特定自然条件和社会条件下的特殊产物,其产生与 发展过程有其自然性和社会性。区内最早出现的淤地坝,不是人工修筑,而是由于地 震和地下水等原因,沟坡山体发生大体积的滑坡或滑塌堵塞沟道后形成天然坝库,当 地群众称聚湫( 见表2 1 ) 。最为典型的聚湫是明隆庆三年( 1 5 6 9 年) ,陕西省子州 县裴家湾乡王家圪洞( 俗称黄土洼) ,山体滑坡堵塞沟道后形成的天然聚湫,堆积坝 体高6 2 m ,淤地5 0 多h m 2 ,集水流域面积2 7 2 k m 2 ,长期拦蓄洪水泥沙,坝地年年丰 收,产粮3 7 5 0 k g h m 2 。 据史料记载,黄土高原匠陵沟壑区人工修建淤地坝,始于山西省汾西县,距今有 4 0 0 余年的历史 。至建国前1 9 4 9 年,该县已淤成坝地数十公顷。到了清代,淤地坝 在晋西北和陕北开始普遍发展。民国时期,1 9 2 0 年李仪祉就提出“设置谷坊及堵其 去跃,山谷之间设横堵”的治黄主张,即在沟道中修筑淤地坝,抬高侵蚀基准面,防 止沟道扩张,减少入黄泥沙的技术方案,作为治黄方略的一个重要组成部分。 町海大学二r 程颂十专业学位论文 表2 一l 天然淤地坝( 聚湫) 主要特性【7 聚湫名称黄十洼老坝头十湫子一r 里长涧 八里同 陕北甘肃u 肃陕 匕 陕j t 行政隶属 子洲县环县台水靖边县;= 边盟 地貌类型区黄匠区 萤f i 区 黄丘区 茧丘医黄丘区 控制流域面积( k m2 ) 27 22 5201 0 25 8 4 淤成坝地面积( u n 2 )4 0 08 6 72 8 o12 0 0 4 0 0 0 淤地与集流面积比 1 6 81 2 91 71j 83l 1 4 6 相当坝高( m )6 0 一一7 06 43 0 ,、4 0 坝前淤积厚度( m 12 76 1 年甲均淤杉 厚度( m ) o0 3 5 00 4o0 2 00 5 0 io l o 1 最大洪水深( m ) 1 01 olo 现有库容( 1 0 4 1 1 1 3 ) 8 4 新中崮成立以来,在总结历史经验的基础上,把发展淤地坝列为黄土高原丘陵沟 壑区水上保持的一项重要措旌,积极开展试验、示范和推广,取得厂显著的成效。淤 地坝不但拦截洪水泥沙,防止沟头扩张,防治水土流失,减少入黄泥沙,而且坝地由 于汇集了坡面洪水央带的熟化较好的表土,因此土壤肥沃,且土壤水份充足,生产条 件相对坡地优越很多,在l 刊等耕作条件下坝地单产比坡地高5 8 倍,成为区内照要 的基本农田。e 如群众所称赞的“打坝如修仓,增地又增粮,沟沟都有坝,天旱也小 怕”。为此,淤地坝建设在本区得到了迅速的发展,就其发展过程大致经历了以f 几 个阶段: ( 1 ) 试建阶段( 1 9 4 9 1 9 5 7 ) 。从1 9 4 9 年开始在陕蓖省榆林地区绥德县、米脂 县、佳县、吴堡县四县进行试建,两年内筑坝2 1 4 座,一般坝高5 l o m ,单坝控制 面积o 5 k m 2 以下。1 9 5 31 9 5 7 年本区得到大面积的推广,仅榆林地区先后修建淤地 坝9 2 1 0 座,其中向万方以上2 9 座,并举办筑坝淤地技术培训班,边试建边示范【7 j 。 ( 2 ) 推广阶段( 1 9 5 8 1 9 7 0 ) 。在筑坝试建不范取得经验的基础上,1 9 5 8 年开 始在区内大力推j 建坝淤地的经验,国家也投资扶助淤地坝的建设,掀起筑坝商潮, 一些沟道逐步形成淤地坝群,涌现出了一此坝系布堤较好的典型3 _ i 。 ( 3 ) 巩固提高阶段( 1 9 7 1 1 9 8 5 ) 。在1 9 7 0 年北方农业会议和中歧中突给延安 复电精神的鼓舞下,群众对淤地坝的热情更高,淤地坝得到人力发展。但由r1 9 7 7 、 l9 7 8 年区内普遍出现连续罕见的大暴雨,淤地坝遭到不f 几j 程度的破坏,此后 如发展 为主转向以恢复提高为主的阶段,对水毁工程作了恢复加间。同时刈淤地坝的发展讲j 景、防御洪水标准等关键技术问题进行了调研 。 第一章 小流域坝系建的国内外进展 ( 4 ) 兴建治沟骨干工程阶段( 1 9 8 6 1 9 9 8 ) 。在认真总结筑坝淤地经验教训的基 础上,为提高防洪标准,经国家计委批准立项,开始在黄河l j 游地区,尤其是在黄土 高原丘陵区第一副区( 以下简称黄丘( 一) 副区) 进行了治沟骨干工程专项建设。肯 干工程由于库容较大( 5 0 万n 1 3 ) ,不仅有拦泥库容,而且有防洪库容,在小流域坝 群中能起到“上拦下保”的控制作用,充分发挥拦泥、淤地、防洪、保收等综合效益。 自此以后,在形成坝系的典型流域中,在多次暴雨袭击下,未发生垮坝现象。1 9 8 6 1 9 9 8 年,共修建骨干工程1 0 0 0 余座,淤成坝地3 3 3 万h m 2 。本区内晋西、陕北一些 小流域沟道已形成坝系。 ( 5 ) 坝系相对稳定阶段( 1 9 8 6 2 0 0 2 ) 2 9 1o 本区许多小流域经过5 0 多年的淤地 坝建设,已逐步形成坝系。1 9 7 7 年之前小流域坝系建设主要遵循“小多成群”,实现 沟壑川台化。1 9 8 6 年之后主要遵循“小多成群,骨干控制,上拦下保,综合利用”, 实现其拦泥、淤地、防洪、保收等综合效益。2 0 0 0 年经黄委会立项,在陕北绥德县 韭园沟流域开展了坝系相对稳定的试建示范工作。目前全流域已建淤地坝2 6 3 座,布 坝密度为2 9 座k m 2 ,坝地利用率为8 1 ,保收率为7 8 8 ,坝系达到了运行安全、 生产保收的相对稳定状态。 ( 6 ) 新世纪坝系发展阶段( 2 0 0 3 ) 2 7 1 。进入新世纪党和国家把西部大开发作 为一项发展战略,在科学发展观、人与自然和谐相处、建设和谐社会思想的指导下, 生态建设成为西部大开发的根本点和切入点。在西部大开发的同时,通过增加地面植 被,防治水土流失,改善生态环境,减少自然灾害,增强环境对经济发展的承载能力, 使经济持续稳定的发展,进而促进小康、和谐社会的全面实现。多年的试验研究与实 践证明,淤地坝是黄土高原生态建设中一项主要工程措旌,是各项措施中的虽后一道 防线,是最终控制水土流失的项工程措施,是根治入黄泥沙,改变生产条件,促进 农村粮食生产和经济发展,解决“三农”问题的一项根本性措施。在2 0 0 3 年全国水 利厅局长会议上,水利部提出将黄土高原淤地坝建设列为本年度启动实施的全国水利 建设的三大“亮点 = 程”之一,提出到2 0 1 0 年,在黄土高原地区建设6 万座淤地坝 的宏伟目标。随即由黄委会黄河上中游管理局负责,对黄河上中游7 省( 区) ,涉及 3 9 条入黄支流( 片) ,开展以_ 、流域为单元,以治沟骨干工程为主体,大、中、小型 淤地坝相结合的沟道坝系建设规划,黄丘( 一) 副区是水土流失的重点地区,也是本 次规划的重点区域。同年1 1 月在山西省太原市召开了黄土高原淤地坝建设启动会, 将淤地坝建设工程纳入国家基本建设计划,加大了投资力度,标志着淤地坝系发展的 新高潮即将到来。 河海大学丁程坝士专业学位论文 2 2 淤地坝试验研究 新中国成立5 0 多年来,黄土高原淤地坝得到了迅速的发展,即山天然聚湫纠人 丁修筑,由淤地坝剑治沟骨干工程建设,由学坝到以小流域为单元的坝系建设, 【j 耕 众性的松散建设到纳入崮家摹本建设计划的规模建设。淤地如! t 所以如此快速的发 展,一是由于淤地坝具有拦泥淤地,增加产量,改善牛态环境的作用,得到了群众的 认可、政府的支持;二是由j 。科技的支撑,存淤地坝各个发展阶段攻克j 7 一些关键技 术难关,为淤地坝的推广创造了条件。淤地坝的发展促进了淤地坝试验研究的深化, 试验研究的深化又反过来推进了淤地坝建设的快速发展。淤地坝的试验研究随着淤地 坝的发展也经历了以下儿个阶段2 7 鹏i : ( 1 ) 淤地坝的试验研究阶段( 1 9 4 91 9 7 0 ) 。主要进行单坝的试验研究,即工程 结构、筑坝技术、设计洪水标准、坝地改良与生产利用等。通过试验研究,促进淤地 坝建设的科学性,同时由于这一阶段淤地坝发展较快,崮家扶持的一些人中型淤地坝 基本上能做到科学的设计和施工,一程质量有保汪。但一些乡、利自发兴建的淤地坝, 缺乏科学的选址、设计和施工,质量得不到保证,在大暴雨的冲击下出现水毁王见象。 ( 2 ) 骨t 坝建没研究阶段( 1 9 7 0 1 9 9 8 ) 。19 7 0 1 9 7 6 年,黄丘区一些典型小 流域的淤地坝建殴逐步形成了坝系,向沟壑川台化迈进。但由于1 9 7 7 、1 9 7 8 午连续 遭到暴雨的袭击,许多小流域坝系遭到了破坏,体现了坝系防洪能力差,从而提 了 如何提高流域坝系整体防洪能力的新课题。通过总结经验教训,提出存沟道中兴建治 沟骨干工程( 骨t 坝) ,以提高坝系的总体防洪能力,并报国家计委批准立项,在黄 河中游地区丌始修建治沟骨干坝工程。1 9 8 6 一- 2 0 0 2 年重点在黄丘区的无定河、i 川 河、阜甫川、窟野河、秃尾河、孤【j f j 忆县川河、延河等8 条入黄支流流域内建设。 截止2 0 0 2 年底,在黄土高原地区共安排建设治沟骨干工程15 2 8 座,( 其中新建【程 1 1 3 7 座,旧坝加固工程3 9 1 座) ,涉及7 省( k x 2 ) 3 0 个地( 盟) 、1 3 0 个县( 旗) ,上 程布局8 0 集中在侵蚀模数在5 0 0 0 t k i n 2 a 以匕的多沙羊f i 沙区,9 0 以的i 程分御 在黄上丘陵沟壑区第一至第五副区,涉及面积大于1 0 0 0 k m 2 的重点支流3 1 条;其r r | 黄i ( 一) 副区安排8 5 9 座( 新建工程序6 1 0 座,旧坝加固2 4 9 座) ,占治沟骨t 工 程总数的5 6 2 2 ;控制面积5 6 8 1 k m 2 ,占总控制面积的5 68 6 ;总库容9 4 3 8 6 力m5 1 总库容的6 2 3 6 :拦泥库容5 5 6 0 2 万n 1 3 ,占总拦泥库容的6 5 4 6 。 小流域坝系中兴建治沟骨干l j 程,提高r 坝系的整体防洪标准,在此后的暴m 洪 水中很少发生淤地坝水毁的连锁反应,防止了一次泥沙的流失: 第二章小流域坝系建的国内外进展 ( 3 ) 坝系相对稳定研究阶段( 1 9 9 2 2 0 0 3 ) 。小流域沟道坝系增没了治沟骨干工 程之后,提高了坝系的防洪标准,另一方面提出了以小流域为单元,沟坡兼治进行坝 系建设,使坡面雨水就地拦蓄入渗,减少了沟道的洪水流量,从而促进坝系的稳定。 1 9 9 2 年以来,开展了有关坝系相对稳定方面的研究课题:国家“八五”重点攻关 项目黄河中游多沙粗沙区快速治理模式研究及试点;黄河水土保持科研基金项 目黄土丘陵沟壑区小流域坝系相对稳定及水土资源开发利用研究;黄河水土保 持科研基金项目黄河多沙粗沙区沟道坝系安全评价方法研究;黄河水土保持生 态工程韭园沟示范区建设科研项目韭园沟示范区沟道坝系相对稳定布局评价及水资 源利用研究等。通过这些课题的试验研究,以小流域为单元、沟道坝系为对象,进 行坝系相对稳定、水资源合理利用、综合防护体系建设等研究,使沟道坝系能最大限 度地发挥其防洪、拦泥、淤地、增产、改善生态环境等功能。 ( 4 ) 坝系建设及管理机制研究。一是开展坝系建设的前期工作,把坝系建设与 科研工作紧密地结合起来,建立前期工作体系,其工作程序是:小流域坝系规划、立 项建议书、小流域坝系可行性研究、初步设计四个步骤,从而加强了前期工作的科学 性,避免了过去淤地坝建设的盲目性。二是对典型流域的坝系建设的管理体制、运行 机制等开展调查和试验研究,如韭园沟示范区工程建设综合防治措施体系与管理机 制研究等。在坝系建设的过程中实行“三项制度”改革,即建设项目法人制、工程 监理制、项目招投标制,淤地坝建设要按照国家基本建设程序进行管理。从而使坝系 建设走向科学化、规范化、制度化,为黄丘区淤地坝系的快速发展奠定了基础。 2 3 国外水土保持中淤地坝的应用 坝系生态工程建设是我国水土保持科技人员针对黄河流域,特别是黄土高原丘陵 沟壑区的水土流失的防治,提出的具有独特功能的治理开发措施,是一个具有中国特 色的水土保持科技专用名词,n # b 鲜有坝系的相关报道,但有关修坝建库的研究的实 践,有些经验也值得借鉴。 国外因自然条件和社会基础的不同,在水土保持沟壑治理中采取的主要措旋不完 全象我国黄土丘陵沟壑区沟道治理的淤地坝,多采用植物措施与小型沟渠工程,或者 是石坝、混凝土库坝等7 1 1 2 5 1 2 6 1 。 2 3 1 美国小流域治理中的库坝建设 美围是世界上开展水土保持工作较早的国家。美国总土地面积9 3 6 万k m 2 ,其中 坷海大学丁程顾十专业学位论文 水士流失面积】1 4 万k m 2 ,占总面积的1 2 2 ,虽然水土流失面积占总土地面积的比 例0 i 是很大,但却把防治水上流失作为丌发治理晌前提。据有火拿家列美罔小流域治 理的考察,全美约有l3 0 0 0 条流域面积为4 0 1 0 0 0k m 2 的小流域,其中需要治理的肯 8 3 0 0 条,已雉本上治理或正在治理的有3 0 0 0 条。 美国小流域规划基本分为两部分,一是工程规划,主要是沟道工群;一二足水保规 划,主要是农业耕作措施、罔问工程和植物措施。以小流域为单7 c 治理,在美国中部 和东部地区较为普遍,其治理目标主要是防洪和崮沟,也有少数为了解决小城镇供水 和旅游。他们考察的1 6 条小流域,均处于雨量卡沛、水土流失严重的黄上地区,其 中为保护城镇、防洪的占3 8 ;防止沟道下切、拦截泥沙、保持水士的占2 5 :作 为科研站所试验基地的占1 9 :防洪、旅游兼顾的占1 2 :单纯旅游的占6 。这种 比例关系,大致足美围小流域治理的缩影。必须指出的是,这些小流域治理的关键措 施则是坝库建设。 美国在治理沟壑时采取的水土保持技术措施主要有: ( 1 ) 草皮排水道,就是对田问原有天然排水道修整种草,减少洪水冲刷,变成 安全或轻微流失排水道。这种排水道适宜于集水面积在0 6 0 8 k m 2 ,古则草皮不能承 受洪水的冲刷难以稳定。 ( 2 ) 封沟育林草,对中、小沟壑采用封禁,禁止放牧、垦种等一切可能造成水 十流失的人类活动,使自然林草在生态自然修复f 恢复植被,这是最简荦、最经济的 水土流失治理方法之一。 ( 3 ) 沟头防护,在沟头选择合适的地形部位修建土坝、谷坊,然后住坝体迎水 面坝脚处修建一竖井、接卧管式排水口。 ( 4 ) 削坡填沟,机械填沟造平地然后种植草皮防护。 ( 5 ) 坝库工程,在美国少数地方的地形地貌和土壤条件适宜于应用中国黄上丘 陵沟壑区的淤地坝,坝库都设有溢洪道,设计标准 般是2 5 lo o 年一遇洪水标准。 以下是美国几个小流域治理的实例。 ( 1 ) 甜水河小流域,位于田纳西州东部,是田纳西河的二级支流,流域面积1 5 2 k m 2 t 该小流域为解决下游防洪问题而进行治理的。经过规划设计,在支沟上修建厂 “小多成群”的坝库,疏浚扩宽下游河道,加大过洪流量。全流域规划修建1 8 座水 _ r 车,总库窖4 7 1 万i i l 。,单坝最人库容2 2 0 万m 3 ,最小库容1 8 力m3 。1 9 7 5 年开j , 已修建3 座,水库“一大件”齐全,由卜坝、竖井或泄水管和1 常溢洪道组成,单化 第一章 小流域坝系建的国内外逍展 库容投资约1 美元m 3 。 ( 2 ) 哑克纳河小流域,位于密西西比河北部,是耶祖河的支流,流域而积4 0 4k m 2 。 为了防洪和固沟,在支流上规划了1 8 座水库,控制流域面积1 2 0k i n 2 。为了巩固沟床, 防止冲刷,规划在干流上兴建跌水、涌洞及护岸工程4 0 处,该流域治理经费仅以骨 干工程投资计,单位面积投资约4 万美元k i n 2 。 ( 3 ) 北鸽子河小流域,位于衣阿华州南部,是密苏里河的支流,流域面积1 8k i n 2 。 由于地处丘陵起伏的黄土区,为防止沟道下切,规划兴建1 5 座坝库,总库容1 7 4 万 m 3 ,从1 9 6 6 年开始,已建成1 l 座,库容1 2 5 万m 3 ,投资1 1 0 万美元。 ( 4 ) 庞尼河小流域,位于衣阿华州南部,流域面积7 7k m 2 。以防洪和控制沟蚀 为目标,全流域规划修建坝库2 2 座,其中2 座为防洪,2 0 座为控制沟蚀,己全部建 成,共投资8 0 万美元,下游7 k m 长的河道整治投资1 0 0 万美元,平均单位面积投资 约2 3 万美元k m 2 。 从以上事例不难看出,美国的这些小流域自然条件相对较好,地面坡度较为平缓, 一般在1 0 以下,少数在1 0 一2 0 度,植被覆盖度也相对较高,水土流失较黄土高原 相对较轻,但仍十分注重沟道治理,而且凡是防洪和控制沟壑发展的工程均由联邦政 府投资,这些都是我们可以借鉴的。 2 3 2 日本的砂防工程 日本是个多山岛国,国土面积3 7 7 万k m 2 ,其中土壤侵蚀面积2 4 6 万k m 2 ,占 国土面积的6 4 。日本全境山多河流短,且降水集中,泥石流是“全民族的灾害”。 日本政府非常重视砂防工程,早在1 8 7 4 年就制定了砂防法,将水土保持称为“砂 防工学”。砂防以工程措施为主,在全国所有水土流失严重地区,上游修谷坊,下游 筑堤坝,施工前必须先规划设计,经批准后再实施。在日本由于山势陡峻,河流短促, 水流湍急,山体以岩石层中夹杂有松散的碎屑状火山灰岩沉积物构成,没有易采的筑 坝材料,但日本是一个经济和技术都比较发达的国家,他们不惜巨资进行山川河流治 理。修建“砂防工程”拦截泥沙,多采用钢桩上焊接钢丝网,在铡丝网上喷水泥沙 浆固结护坡,或在沟道中修建砌石坝、钢构式坝和混凝土坝。我国自然和社会条件虽 然与日本1 i 同,但这些经验也是值得我们借鉴的。 2 3 3 朝鲜的沟道治理工程 素有“三千里锦绣江山”之称的朗鲜,总- 1 - 地面积2 2 万k m 2 ,境内多山,山地 和高原面积约占3 4 。水上保持工作中,住增加山林植被的同时,十分重视保持水土 河海大学工程坝十专业学位论文 的_ l _ _ 程措施,对直接威胁交通、村庄、耕地安全的沟壑,般采用修俗坊的工程措施 进行治理。如香山郡香由道的几条沟,山卜植被覆盖郜比较好,沟长只有1 2 k i n ,但 扯沟口仍然修了谷坊。谷坊用4 0 c m 左右的大河卵石浆砌或干砌向成,坝高25 m ,k 1 0 多米,坝顶设肓溢洪道,口宽12 m ,下游衬砌海漫,有的还有翼墙和挑流坝。 2 3 4 澳大利亚的沟蚀防护 澳大利亚总土地面积7 6 8 ,2 3 万k m 2 ,其中土壤侵蚀面积2 6 0 力k m 二,占总土地面 积的3 38 。新南威尔州是澳大利亚水土保持重点地区,该州地形多为缓坡丘陵, 冲沟发育不其强烈,们该州在沟道治理的工程中,仍采用滞洪拦沙坝、砂袋钢桩谷功 等措施控制沟蚀,滞洪拦沙。特别是用铅丝石笼、混凝上、防护网垫防护岸、堤、沟 头、陡坡等易受侵蚀的地段。防护网垫足一种先进、快速、经济的防护技术,整体性 强,而又可根据需要铺筑成任意形状,施工简单,它既可用于水下也可用于地上。此 种网由尼龙丝编织而成,为双层结构,上下两层在过滤点处连接。此种网具有抗酸抗 碱、抗有机溶液腐蚀的性能。使用时,将其铺设在已整好沟壁( 任何形状均刖) ,将 边缘埋入土中,然后用压力泵把水泥砂浆灌入两层之间,凝固后成一整体。混凝卜结 构和防护网挚造价和作用相同,但费工,建设工期长,故用防护网垫作为防冲防渗材 料具有广阔前景。 通过总结国内外坝系建设研究概况,使我们认识到国内外情况相差较大,尽管围 外也有借鉴之处,但要大力发展我国坝系建设,必须靠我国科技人员和广大劳动人民 存实践巾研究适合我因困情,特别是黄土高原实际情况的坝系建没技术。 第三章 扎林川小流域坝系建设现状及问题 第三章札林) 1 1 4 , 流域坝系建设现状及问题 3 1 流域概况 3 1 1 自然概况 3 1 1 1 地理位置 札林川发源于陕西省榆林市榆阳区东北部麻黄梁镇李家峁梁,向东南于大河 塔乡徐家塔汇入黄河一级支流秃尾河,距榆阳城区约5 0k m 。该流域地处毛乌素 沙漠的南缘,是风沙区和黄土丘陵沟壑区的过度地带,属黄河中游多沙粗沙区, 流域面积7 2 6 7k m 2 ,行政隶属于陕西省榆林市榆阳区的麻黄梁镇和大河塔乡。 地理坐标为e 1 1 0 。0 1 7 5 3 ”1 1 0 。1 2 7 2 7 ”,n 3 8 。3 l 3 5 ”3 8 。2 7 2 5 ”。 海拔1 4 0 9 m 1 0 5 4 m 。 3 1 1 2 地质地貌 ( 1 ) 地质地貌 该流域地处毛乌素沙漠向黄丘区过渡的风、水蚀交融地带,形成了风沙区向 黄土丘陵沟壑区过渡的特殊地貌景观,地貌是黄土丘陵沟壑,部分地段分布有片 状沙丘,大致分为盖沙梁峁区和片沙黄丘区。流域内沟床有风化砂岩出露,其上 覆盖保德黄土、沙壤土和风积沙土等。 片沙黄丘区分布于流域上游及中游南岸,面积3 5 7 1 k m 2 ,占流域总面积的 4 9 1 4 。该区植被稀疏,沟壑纵横,土壤瘠薄,土地以梁峁为主,缓坡地带分布 不连续风积片状沙梁;沟谷下切强烈,切深在8 0 - - 1 2 0 m 左右,沟谷深窄弯曲,多 呈“v ”型或“u ”型,沟壑密度3 0 4 k m k m 2 。 表3 1 札林川流域地面坡度组成表单位( h m 2 ) 5 o 5 。一1 5 。 1 5o 一2 5 。2 5 。3 5 。 3 5合计 坡度 面积面积面积 面积面积 面积 盖沙区1 0 6 4 2 88 32 1 4 3 5 8c 6 37 4l o 1 31 1 529 83 69 65 0 8 6 片沙 4 ,0 3儿2 91 2 2 93 4 4 25 31 48 426 37 3 61 1 4 63 2 ,0 93 5 7 l4 9 1 4 黄r 区 合计1 46 72 01 93 3 7 24 64 090 41 2 4 537 35 1 4 l l4 6 1 5 7 87 2 6 7 盖沙梁峁区分布于流域下游及中游北岸,面积3 6 9 6k m 2 ,占流域总面积的 河海大学上程埘! 士专业学位论文 5 08 6 。该区植被稀疏,梁峁相问,沙丘或链状沙梁分布在滩地、沟谷和黄土梁 之间,多为固定或半固定沙丘或沙梁,黄七梁呈点片状出现在沙r 之间,胍沙一卜 层厚在1 0 m 上下,下联为深厚的新老黄土层,沟谷切深3 0 - l o o m ,沟坡、沟底彳i 新黄土出露。坡度较缓,沟谷深宽,多呈“u ”型、梯形或“v ”型,沟壑密度 1 3 4 k m k m 2 。 全流域地势较缓,地表平均坡度1 1 4 5 。,其中盖沙区平均坡度8 7 4 。,“ 沙黄丘区平均坡度2 0 4 2 。,各级坡度血积见表3l 。 ( 2 ) 沟道特自f 流域主沟道呈“y ”双枝权型,主沟道长1 68 k m ,沟壑密盛霉1 蛳口伽 沟道甲均 比陶9 6 ,流域平均宽度5 k m ,流域面积大于0 5 k i n 2 的沟道4 4 条,沟道比降与流域 面积成反比,即流域面积越大沟道比降越小。沟道特征统计详见表: 2 。 表3 2 札林川流域沟道特征统计表 面积范围( k 田2 ) 0 5 一l卜33 - 55 1 01 0 5 0 5 0 合训 沟通条数( 条)2 01 9432l4 4 平均比降( ) 3 12 92 82 6 l2 2 4l7 l 流域主要沟道红石壳、赵家峁、闹泥沟二条大支沟,面积在1 0 k r a 2 以上,沟 道长存l o k m 以上;有瓦窑坡、哿河沟、大塔则沟三条较大独立支沟,面积在3 k m 2 左右。只有红石壳、瓦窑坡沟在盖沙区,其余沟道主要分布在片沙黄丘区。 3 1 1 3 土壤植被 流域土壤在第四纪沉积物和当代冲积、堆积物母质上发育而成,主要上壤为 风沙十,其中大部分为固定风沙土和半固定风沙土。风沙土质地料松,有机质含 量低,保水保肥能力差。 该流域地处温带草原地带,植被具有森林草原向典璎草原过渡特性。出于人 类活动的的深刻影响,地带性植被哀退,隐域性旱沙生植被比较发育。 盖沙区沙生植被发育优势,主要有沙竹群系和籽蒿半灌丛,分布自沙棚】、沙 蒿、花棒等,还分布有柠条、沙棘、紫穗槐、苜蓿等人工林草,沟谷、沟坡分布 有杨、柳、槐等人工乔术= 片沙黄丘区有明显的过渡性植被特性,沙生植被和草原植被川隔性分布,分 布有长茅、艾蒿、沙蒿等,柠条、沙棘、紫穗槐、苜蓿等人工林草也有分却,沟 谷、沟坡、四旁栽植的杨、柳、槐等人上乔木为当地的主要用材林。 3 1 1 4 水文气象 笫三章扎林川小流域坝系建设现状及问题 ( 1 ) 气候 札林川流域地处中温带半二f 旱大陆性季风气候区,春季干旱多风沙,夏季炎 热少雨,秋季凉爽多雨,冬季寒冷干旱。多年平均气温8 1 ,极端最高气温3 5 6 ,极端最低气温一3 2 7 ,。o 。c 积温3 2 0 0 ,无霜期1 5 5 天。流域内日照充足, 年平均光照时数2 9 2 5 j , 时。最大风速3 5 m s ,平均风速5 m s 。气象特征见表3 3 。 ( 2 ) 降雨 流域降水特点为年际变化大,年内分布不均,且多以暴阿形式出现。据榆阳 区站观测,多年平均降雨量3 8 :3 8m m ,最大年降水量为6 9 5 4 m m ( 1 9 6 4 年) ,最小 降水量为1 5 9 6 r a m ( 1 9 6 5 年) 。多年平均汛期( 69 月) 降水量为2 7 2 5 m m ,占多年 平均降水量的7 0 9 。降水特征值如表3 3 。 表3 - 3 札林川流域气象特征表 气象 气温( ,年降雨量( m i l l ) l o 积 年日照时无霜期 温数( h ) ( d ) 站名 最高最低年均 最大最小多年平均汛期降雨 榆阳 3 5 63 2 78 16 9 5 41 5 9 63 8 3 82 6 93 2 0 02 9 2 5 51 5 5 查1 9 8 3 年编榆林地区水文手册 ( 3 ) 径流、泥沙 流域径流受降水特点的影响,也呈现出年际变化大,年内分配不均,且多以 洪水形式出现的特点。据观测,流域最大年径流量达2 2 6 万m 3 ,最小年径流量仅 2 0 i 万m 3 ,多年平均年径流量为1 5 3 6 巧- m 3 。多年平均汛期( 6 - 9 月) 径流量为1 3 5 4 万m 3 ,占多年平均径流量的6 6 。该流域洪水峰高、量小、时短、含沙率高。流域 内沟道有常流水,据外业调查分析,流域内基流最大约0 叭m 3 s ,年均常流水总 量为3 1 5 4 万m 3 。径流特征见表3 4 。 表3 - 4 札林川流域径流特征值表 年径流量( 万m 3 ) 多年平均多年平均 面积 雨量站名 最大最小 汛
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