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      一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法與流程

      文檔序號:12596884閱讀:668來源:國知局
      一種淤地壩系減沙量的計(jì)算方法與流程

      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)境問題是嚴(yán)重的水土流失。根據(jù)《中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察總結(jié)報(bào)告》,總面積64萬km2的黃土高原,土壤侵蝕面積達(dá)39萬km2,土壤侵蝕模數(shù)≥15000t/(km2·a)的劇烈水蝕面積3.67萬km2,占全國同類面積的89%。黃土高原嚴(yán)重的水土流失,制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展并對下游河道行洪安全造成嚴(yán)重威脅,受到了國內(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)人民群眾在長期同水土流失斗爭實(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、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水?dāng)嗝婷娣e,計(jì)算淤地壩上游溝道和溢洪道的單位過流量,泥沙輸移比SDR即為溢洪道單位過流量與淤地壩上游溝道單位過流量之比。

      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)算剩余庫容:式中,Cs為剩余庫容,單位為:m3;Vt為骨干壩總庫容,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Cs≤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開始對另一個(gè)淤地壩系進(jìn)行計(jì)算;

      若Cs>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:

      Sc=SEM*Ac*(1-SDR)*(1+fe)*fs

      式中,Sc為減沙量,單位為:t;fe為淤地壩異地減沙系數(shù);fs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)fs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nL、nM以及nS,骨干壩、中型壩以及小型壩的總庫容分別為VL、VM以及VS,則

      步驟3.2中的淤地壩異地減沙系數(shù)fe=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)簡潔、獲取方便,并可對淤地壩系的未來減沙量進(jìn)行預(yù)測。

      附圖說明

      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)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

      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水?dāng)嗝婷娣e,計(jì)算淤地壩上游溝道和溢洪道的單位過流量,泥沙輸移比SDR即為溢洪道單位過流量與淤地壩上游溝道單位過流量之比。

      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)算剩余庫容:式中,Cs為剩余庫容,單位為:m3;Vt為骨干壩總庫容,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Cs≤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開始對另一個(gè)淤地壩系進(jìn)行計(jì)算;

      若Cs>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:

      Sc=SEM*Ac*(1-SDR)*(1+fe)*fs,

      式中,Sc為減沙量,單位為:t;fe為淤地壩異地減沙系數(shù);fs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)fs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nL、nM以及nS,骨干壩、中型壩以及小型壩的總庫容分別為VL、VM以及VS,則

      步驟3.2中的淤地壩異地減沙系數(shù)fe=0.15~0.3。

      本發(fā)明在計(jì)算淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)fs時(shí),若缺乏中小型壩庫容資料,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、小型壩平均總庫容分別為90萬m3,25萬m3,5萬m3,據(jù)此,推算出壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)fs=(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,對于骨干壩中的中型壩和小型壩,通過淤地壩系結(jié)構(gòu)系數(shù)fs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,淤地壩減沙量開始下降。

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