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第二节
坝系相对稳定理论

一、坝系相对稳定的提出

沟道淤地坝工程经过多年的建设实践,形成了以骨干坝为主体、中小型淤地坝相配套的小流域坝系建设模式,通过总结分析运用水平较好的小流域坝系,将淤地坝相对平衡推广运用于小流域坝系建设,提出了坝系相对稳定概念。坝系相对稳定是在小流域内将淤地坝单坝相对平衡的目标,从时间和空间上予以扩大和重新分配,使坝系作为一个整体,克服了为达到单坝相对平衡时所必须建设高坝大库的局限,在结构功能、投资分配、效益发挥等方面具有更为明显的优势。坝系相对稳定的发展,充实了淤地坝相对平衡理论,对于指导坝系建设具有较强的现实意义。

二、坝系相对稳定的概念

所谓坝系相对稳定,是指小流域坝系工程建设总体上达到一定规模后,通过骨干坝、中小型淤地坝、小塘坝坝群的联合调洪、拦泥和蓄水,使洪水泥沙得到合理利用,在较大暴雨(一般为200~300年一遇)洪水条件下,坝系中骨干坝的安全可以得到保证,在较小暴雨(一般为10~20年一遇)洪水条件下,坝地农作物可以实现保收。此时,在一般情况下,坝地平均年淤积厚度小于30cm,需要加高的坝体工程量相当于基本农田的岁修工程量,坝系调洪蓄沙与坝体加高达到一种相对稳定的状态。

三、坝系相对稳定的内涵

从坝系相对稳定的概念出发,对于一条小流域沟道坝系工程,要达到坝系相对稳定,必须同时实现:

1 .坝系防洪安全

即坝系实现在一定设计标准洪水下的安全运行。坝系的防洪安全主要由坝系中的骨干坝承担,坝系防洪标准取决于坝系中骨干坝的校核洪水标准。坝系达到设计淤积高程后,骨干坝能安全蓄泄流域坝系的设计标准洪水。

2 .坝系坝地保收

即坝系在一定频率暴雨洪水作用下,能够保证坝地农作物安全生产而不受较大损失。也就是说,在一定频率暴雨洪水作用下,坝地淹水深度和淹渍时间小于作物允许最大淹水深度和淹渍时间,实现坝地作物产量不受较大损失。

3 .坝系岁修加高坝体

即坝系中坝体年平均加高工程量相当于单位基本农田的年维修量。坝系达到相对稳定时,坝地的年平均淤积厚度小于30cm,坝系中各单坝的年坝体加高工程量相当于一般基本农田的单位岁修量,从而实现小流域水沙的相对平衡和坝系工程的可持续利用。

4 .小流域洪水泥沙的有效控制

即坝系中的骨干坝实现对小流域洪水泥沙的有效控制。当发生一般洪水时,泥沙淤积坝地,清水排泄;当发生坝系设防标准洪水时,洪水被骨干坝有效蓄滞,泥沙最大限度地落淤坝地,清水被排泄利用。

四、坝系相对稳定理论

通过坝系相对稳定的概念和内涵讨论,我们知道坝系相对稳定,是流域来水来沙被坝系工程调配后而达到的一种相对平衡的结果。这种结果要使坝系达到相对稳定,应满足以下条件:

1 .防洪安全条件

即在一定频率(200~300年一遇)暴雨洪水条件下,能够保证坝系主体工程的防洪安全。坝系工程总滞洪库容应大于坝系控制流域范围内设计洪水标准下的洪水总量,且坝系工程中的骨干坝防洪能力不低于设计要求。即

式中 V ——坝系工程总滞洪库容,10 4 m 3

F ——坝系控制流域面积, km 2

M p ——频率为 P 的次暴雨洪量模数,10 4 m 3 /km 2

α ——安全系数。即对坝地淤积纵坡及坝地利用等所产生的不安全情况进行修正的系数。

2 .生产保收条件

即在一定频率次暴雨洪水条件下,坝地淹水深度小于作物允许淹水深度,淹水时间小于作物允许淹渍时间,同时年泥沙淤积厚度控制在一定范围情况下(如30cm),保证坝地作物产量不受较大损失。依据小流域水沙相对平衡原理,坝系实现相对稳定后,在一定频率暴雨洪水条件下,小流域产流产沙与坝系拦水拦沙之间达到相对平衡时,满足流域产洪量不大于坝系坝地保收允许滞洪量即 W W ,且流域产沙量不大于坝系坝地保收年允许淤积拦沙量即, T T 。此两式可以表示为

式中 d p ——坝地作物保收允许的坝内淹水深度, cm;

F ——坝系控制流域面积, km 2

M p ——频率为 P 的次暴雨洪量模数,10 4 m 3 /km 2

S 1 S 2 ——分别为坝系次暴雨淤地面积和年淤地面积, hm 2

d s ——坝地作物保收允许坝地年泥沙淤积厚度, cm;

M s ——流域土壤侵蚀模数,10 4 t/km 2

γ ——淤积泥沙容重,t/m 3

将(2-2)、(2-3)变形,令

式中 d p ——坝内淹水深度, cm;

d s ——坝地年泥沙淤积厚度, cm;

其他符号意义同前。

据调查,在黄河流域黄土高原地区坝地淹水深度和年淤积厚度分别不超过70cm和30cm时坝地作物即可保收。

3 .坝系结构条件

小流域坝系工程是由防洪、生产、蓄水等功能不同的大中小型淤地坝组成,要使坝系达到相对稳定,坝系中各类淤地坝工程应结构配置合理,防洪、生产等任务分工明确,不仅实现坝系防洪安全,而且保证坝地有较高的利用率和保收率。

4 .单坝条件

单坝是坝系的基础和结构单元。特别是骨干坝在坝系相对稳定中起着重要的作用。坝系达到相对稳定时,骨干坝、中型淤地坝滞洪库容应满足相应工程防洪安全要求,淤地坝中的放水建筑物在泄流时应确保本坝及下游坝坝体安全和坝地生产保收安全。

综上所述,坝系达到相对稳定时的四项条件及其衡量指标构成了坝系相对稳定的成立条件和判定指标体系,衡量坝系是否满足相对稳定的四项条件及其数学表达式为坝系相对稳定理论的主要内容。 gT86rAP/lk4I1w8euUEDTzvTjCfD/fL83CXmbV5mGvJ1he/7j1zgWaTH/5xMtlf5

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