本發(fā)明屬于水土流失治理方法技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

黃土高原地處中國(guó)腹地，是黃河流域的主要組成部分。黃土高原的主要環(huán)境問(wèn)題是嚴(yán)重的水土流失。根據(jù)《中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察總結(jié)報(bào)告》，總面積64萬(wàn)km²的黃土高原，土壤侵蝕面積達(dá)39萬(wàn)km²，土壤侵蝕模數(shù)≥15000t/(km²·a)的劇烈水蝕面積3.67萬(wàn)km²，占全國(guó)同類面積的89％。黃土高原嚴(yán)重的水土流失，制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展并對(duì)下游河道行洪安全造成嚴(yán)重威脅，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，暴雨集中、黃土土質(zhì)疏松、植被覆蓋度低以及不合理的人類活動(dòng)是造成黃土高原土壤侵蝕嚴(yán)重的主要原因。為了遏制嚴(yán)重的水土流失，我國(guó)政府采取了調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、恢復(fù)植被、改進(jìn)耕作方式、在坡面修建梯田以及在溝道修建淤地壩等一系列水土保持措施。

淤地壩是指在多泥沙溝道修建的以控制溝道侵蝕、攔泥淤地、減少洪水和泥沙災(zāi)害為主要目的的溝道治理工程設(shè)施。淤地壩是黃土高原地區(qū)人民群眾在長(zhǎng)期同水土流失斗爭(zhēng)實(shí)踐中創(chuàng)造出的一種行之有效的攔泥緩洪、保持水土、淤地造田的措施，在攔泥、淤地、減災(zāi)、提高水資源利用率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)退耕、結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、改善丘陵山區(qū)交通和生活條件等方面發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查，截至2011年，黃土高原共有淤地壩58446座，其中骨干壩5655座，中小壩52791座。

淤地壩數(shù)量眾多，發(fā)揮著巨大的減沙作用，有必要準(zhǔn)確計(jì)算淤地壩的減沙量。因此，需要建立、物理意義明確、參數(shù)獲取方便的淤地壩系減沙量計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法，提高了淤地壩系減沙量計(jì)算精度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，收集并記錄整個(gè)流域內(nèi)淤地壩系的數(shù)量，以及每個(gè)淤地壩系的庫(kù)容、控制面積、淤積情況以及淤地壩系的結(jié)構(gòu)；

步驟2，計(jì)算單個(gè)淤地壩控流域的土壤侵蝕模數(shù)SEM，并確定單個(gè)淤地壩控流域的泥沙輸移比SDR；

步驟3，在步驟2的基礎(chǔ)上，計(jì)算單個(gè)淤地壩系的減沙量；

步驟4，重復(fù)步驟2和步驟3，計(jì)算流域內(nèi)每個(gè)淤地壩系的減沙量；

步驟5，將步驟4計(jì)算的流域內(nèi)每個(gè)淤地壩系的減沙量進(jìn)行合并，形成整個(gè)流域的淤地壩系減沙量。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

淤地壩系是指以骨干壩及其控制范圍內(nèi)的所有中小型壩的集合。

步驟2的單個(gè)淤地壩控流域的泥沙輸移比SDR的計(jì)算方法為：

步驟2.1，測(cè)量單個(gè)淤地壩上游溝道及溢洪道的斷面及比降；

步驟2.2，根據(jù)步驟2.1測(cè)量的單個(gè)淤地壩上游溝道及溢洪道的斷面及比降，分別計(jì)算水位1m下的淤地壩上游溝道和溢洪道的平均水力半徑和平均過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；

步驟2.3，根據(jù)步驟2.2計(jì)算的水位1m下的淤地壩上游溝道和溢洪道的水力半徑和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，計(jì)算淤地壩上游溝道和溢洪道的單位過(guò)流量，泥沙輸移比SDR即為溢洪道單位過(guò)流量與淤地壩上游溝道單位過(guò)流量之比。

步驟3中的單個(gè)淤地壩系的減沙量，具體按照以下步驟計(jì)算：

步驟3.1，判斷單個(gè)淤地壩系內(nèi)的骨干壩是否具有減沙能力，具體為計(jì)算剩余庫(kù)容：式中，Cs為剩余庫(kù)容，單位為：m³；V_t為骨干壩總庫(kù)容，單位為：m³；SEM為壩控區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)，單位為：t/km²/a；A_c為骨干壩控制面積，單位為：km²；SDR為泥沙輸移比；ρ為泥沙容重，取ρ＝1.35t/m³；t為年份；

若C_s≤0，則此淤地壩系內(nèi)的骨干壩不具有減沙能力，返回步驟2開(kāi)始對(duì)另一個(gè)淤地壩系進(jìn)行計(jì)算；

若C_s＞0，則此淤地壩系內(nèi)的骨干壩具有減沙能力，實(shí)施步驟3.2；

步驟3.2，計(jì)算單個(gè)淤地壩系的減沙量：

S_c＝SEM*A_c*(1-SDR)*(1+f_e)*f_s，

式中，S_c為減沙量，單位為：t；f_e為淤地壩異地減沙系數(shù)；f_s為淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)；SDR為泥沙輸移比。

步驟3.2中的淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)f_s的確定方法為：計(jì)單個(gè)淤地壩系骨干壩、中型壩以及小型壩的數(shù)量為別為n_L、n_M以及n_S，骨干壩、中型壩以及小型壩的總庫(kù)容分別為V_L、V_M以及V_S，則

步驟3.2中的淤地壩異地減沙系數(shù)f_e＝0.15～0.3。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法，參數(shù)簡(jiǎn)潔、獲取方便，并可對(duì)淤地壩系的未來(lái)減沙量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明專利一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法的實(shí)施例中的黃土高原河口鎮(zhèn)至花園口區(qū)間骨干壩減沙能力失效時(shí)間曲線圖；

圖2是本發(fā)明專利一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法的實(shí)施例中的黃土高原河口鎮(zhèn)至花園口區(qū)間淤地壩減沙量曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，收集并記錄整個(gè)流域內(nèi)淤地壩系的數(shù)量，以及每個(gè)淤地壩系的庫(kù)容、控制面積、淤積情況以及淤地壩系的結(jié)構(gòu)；

步驟2，計(jì)算單個(gè)淤地壩控流域的土壤侵蝕模數(shù)SEM，并確定單個(gè)淤地壩控流域的泥沙輸移比SDR；具體計(jì)算方法為：

步驟2.1，測(cè)量單個(gè)淤地壩上游溝道及溢洪道的斷面及比降；

步驟2.2，根據(jù)步驟2.1測(cè)量的單個(gè)淤地壩上游溝道及溢洪道的斷面及比降，分別計(jì)算水位1m下的淤地壩上游溝道和溢洪道的水力半徑和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；

步驟2.3，根據(jù)步驟2.2計(jì)算的水位1m下的淤地壩上游溝道和溢洪道的水力半徑和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，計(jì)算淤地壩上游溝道和溢洪道的單位過(guò)流量，泥沙輸移比SDR即為溢洪道單位過(guò)流量與淤地壩上游溝道單位過(guò)流量之比。

步驟3，在步驟2的基礎(chǔ)上，計(jì)算單個(gè)淤地壩系的減沙量；具體按照以下步驟計(jì)算：

步驟3.1，判斷單個(gè)淤地壩系內(nèi)的骨干壩是否具有減沙能力，具體為計(jì)算剩余庫(kù)容：式中，Cs為剩余庫(kù)容，單位為：m³；V_t為骨干壩總庫(kù)容，單位為：m³；SEM為壩控區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)，單位為：t/km²/a；Ac為骨干壩控制面積，單位為：km²；SDR為泥沙輸移比；ρ為泥沙容重，取ρ＝1.35t/m³；t為年份；

若C_s≤0，則此淤地壩系內(nèi)的骨干壩不具有減沙能力，返回步驟2開(kāi)始對(duì)另一個(gè)淤地壩系進(jìn)行計(jì)算；

若C_s＞0，則此淤地壩系內(nèi)的骨干壩具有減沙能力，實(shí)施步驟3.2；

步驟3.2，計(jì)算單個(gè)淤地壩系的減沙量：

S_c＝SEM*A_c*(1-SDR)*(1+f_e)*f_s，

式中，S_c為減沙量，單位為：t；f_e為淤地壩異地減沙系數(shù)；f_s為淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)；SDR為泥沙輸移比。

步驟4，重復(fù)步驟2和步驟3，計(jì)算流域內(nèi)每個(gè)淤地壩系的減沙量；

步驟5，將步驟4計(jì)算的流域內(nèi)每個(gè)淤地壩系的減沙量進(jìn)行合并，形成整個(gè)流域的淤地壩系減沙量。

淤地壩系是指以骨干壩及其控制范圍內(nèi)的所有中小型壩的集合。

步驟2.3中的單位過(guò)流量為水位在1m下的某斷面的流量。

步驟3.2中的淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)f_s的確定方法為：計(jì)單個(gè)淤地壩系骨干壩、中型壩以及小型壩的數(shù)量為別為n_L、n_M以及n_S，骨干壩、中型壩以及小型壩的總庫(kù)容分別為V_L、V_M以及V_S，則

步驟3.2中的淤地壩異地減沙系數(shù)f_e＝0.15～0.3。

本發(fā)明在計(jì)算淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)f_s時(shí)，若缺乏中小型壩庫(kù)容資料，可采用黃土高原平均值進(jìn)行計(jì)算，黃土高原骨干壩、中型壩、小型壩的配置比為1：2：12，而骨干壩、中型壩、小型壩平均總庫(kù)容分別為90萬(wàn)m³，25萬(wàn)m³，5萬(wàn)m³，據(jù)此，推算出壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)f_s＝(1×90+2×25+12×5)/(1×90)＝2.22。

本在計(jì)算單個(gè)淤地壩系的減沙量時(shí)，主要以骨干壩控制的流域?yàn)榛居?jì)算單元，對(duì)于骨干壩中的中型壩和小型壩，通過(guò)淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)f_s進(jìn)行調(diào)整。

由于河口鎮(zhèn)至花園口是黃河泥沙的主要來(lái)源區(qū)，黃土高原淤地壩也主要布設(shè)在該區(qū)間，本方法以該區(qū)間為例，計(jì)算該地區(qū)的淤地壩系減沙量。

首先判斷骨干壩是否有減沙能力，如圖1所示，計(jì)算不同年份下的骨干壩的減沙能力，從1965年開(kāi)始，陸續(xù)有骨干壩失去減沙能力，2035年前后，黃土高原骨干壩將迎來(lái)減沙失效的高峰期，約為80座左右，總失效數(shù)量比例約為35％，至2050年，失效比例將達(dá)到50％，一半的骨干壩將失去減沙能力。

如圖2所示，黃土高原淤地壩減沙量從1965年到1975年逐步上升，從1976年到1987年，保持在1.7億噸上下，從1988年到2008年開(kāi)始增加，特別是2000年后，淤地壩減沙量增速明顯，至2008年達(dá)到最大值，為3.54億噸，2008年后，淤地壩減沙量開(kāi)始下降。