坝系开展阶段论的提出及其应用
付明胜 尚国梅 马胜平
（黄河水土保持绥德治理监督局 陕西.绥德 718000）
尊龙凯时 阶段论 初建阶段 发育阶段 成熟阶段 相对平衡阶段
[摘 要] 顺利获得对坝系不同建设时期的调研，发现随着工程淤积量的增加，产生由量变到质变的过程，造成不同运行过程中的措施配置也不同，为此，提出“坝系开展阶段论”，即：初建阶段、发育阶段、成熟阶段和相对平衡阶段。总结了阶段论的形成过程；定义了各阶段的内涵，分析了各阶段工程的功能和运行方式及在坝系建设中的意义；针对坝系开展历程中，提出了不同阶段，时空布局原则、方法、间隔时间和工程特点，为坝系建设不同阶段的规划和稳定开展，给予理论导向作用。
为了使黄土高原地区的坝系建设达到安全、稳定、快速、高效的目的，在审批过程中加强了坝系建设的前期尊龙凯时。但顺利获得黄河水利委员会对黄河流域47条小流域坝系可行性研究报告审查中发现，由于规划布局的小流域坝系现状不同、开展的阶段不同，所以规划布局和运行方式截然不同，为了摸清坝系开展不同阶段的内涵以及各阶段时空间布局的目标、原则和布局方法；针对淤地坝的有限库容和黄土高原无限泥沙的现实，以及淤地坝的减沙效益依赖于时间，随时间而衰减的特点。本文根据笔者数十年坝系建设实践和近年来对各省（区）典型坝系建设与开展的深入调研，在总结实践经验的基础上，应用单位面积产沙与拦沙相对平衡理论，提出了坝系开展阶段论，研究淤地坝不同阶段工程结构的技术指标和后续淤地坝的建设，以工程结构改进和建设的可持续性（计划加高）来弥补单个淤地坝时间上的不可持续性，以空间上的可持续性来弥补单个淤地坝时间上的不可持续性。以实现“接力式”的、可持续的拦沙。有助于坝系不同开展阶段的建设建立在科研理论基础上，促进坝系各阶段建设向科研化、规范化的轨道开展。
1坝系开展阶段论的形成与提出
1.1坝系建设不同阶段的形成
作者简介： 付明胜（1952－）， 男，高级工程师。长期从事水土保持研究尊龙凯时。 E-mail: fmsh1227@163.com
淤地坝从初建到坝系形成、不断到坝系控制流域内来水来沙与坝地用水用沙达到相对平衡，需要经过一个较长的开展过程，而且由于时间的推移淤积量和坝地的增加，产生由量变到质变的过程，即形成不同的开展阶段，各阶段工程空间布局和时序安排也各不相同，我们将坝系形成和开展过程可分为四个阶段：即初建阶段、发育阶段、成熟阶段和相对平衡阶段。
1.2各阶段内涵
（1） 初建阶段
在小流域内的各级空白沟道上，根据沟道特征科研布局骨干工程和中小型淤地坝，形成集防洪、拦泥、生产为一体的水土保持沟道防护体系。在运行过程中骨干工程有效控制洪水，中小型坝快速拦泥淤地、早见生产效益。
（2）发育阶段
这是坝系开展的第二个阶段，整个坝系从快速成地开展到计划拦蓄、计划淤积、计划生产、计划加高的过程，顺利获得各坝间的轮蓄轮种，进行坝系的有序开展。经过对坝系中大部分工程的有序加高，使这些工程的坝地防洪保收能力逐步增强。
（3）成熟阶段
坝系开展到成熟阶段，坝系结构已基本稳定，主沟川台化已经形成，各个干沟大坝和坝系单元区间控制面积基本均衡，大坝的淤地面积与区间控制面积之比（水沙淤积相对平衡系数）基本均衡，坝库数量趋于稳定，在小流域坝系中，形成了若干个“分而治之”的大坝川台化；干沟的原始沟道已基本消失，沟道形态明显改变；各个大坝小洪水（如50年）可保收，大洪水（如200年）可保安全；泥沙不出沟。
（4）相对平衡阶段
坝系流域内来水来沙与坝地用水用沙达到相对平衡后，流域洪水和泥沙不再成为坝地的威胁，而是成为坝地的食粮。坝体加高工程量不大，而且加高一次可以维持较长时间；支沟完全川台化，谷坡大部分淤埋，土壤侵蚀方式发生变化，重力侵蚀基本消失，产流量和侵蚀量大大减小，生态环境显著改变，土地利用结构得到调整。坝系建设完成，开展周期结束。
1.3 各阶段之间的特点
（1）整体性。坝系只有顺利获得统筹规划，各阶段具体实施，才能发挥坝系的整体功能。
（2）层次性。各阶段之间存在着相互依存的关系，如何顺利获得长远的总体规划与短期的实施规划，使各个阶段之间有机地衔接。
（3）关联性。各个阶段内都存在着防洪、拦泥、生产等具体功能的相互关联。
2. 各阶段总体布局特点
2.1 布局原则
（1）实现相对平衡
坝系总体布局以水沙淤积相对平衡为目标，最终实现流域内洪水径流的完全内部消化。
（2）布设基本均衡
骨干工程（大型坝）的布局应遵循三均衡原则。即单坝区间控制面积基本均衡，对干、支沟的沟道控制基本均衡，单坝淤地面积与区间控制面积的比值基本均衡。
（3）单元分片控制[1]
小流域坝系中受控于主、干沟坝系的支沟在其下游或沟口的骨干工程控制下形成一个相对独立的坝系单元，这一个相对完整的子坝系，在整个坝系中起到“呈上启下，独当一面”的作用，发挥相对独立的单元防洪、拦泥和生产的功能，对干沟坝系起“上拦下保”作用。
（4）功能分层互补
骨干坝在流域内分单元切块控制，中小型坝按沟道级别（Ⅰ、Ⅱ级）分层布局。
骨干坝一般应布在Ⅲ级沟道的下游或沟口及干沟的上中下游，切块形成一级控制格局，中型坝一般布在Ⅱ级沟道下游和Ⅲ级沟道的上游，拦泥淤地，并配合骨干坝进行二级补充控制，小型坝则一般布设在Ⅰ级沟道和Ⅱ级沟道的上游，对流域泥沙起分层控制作用。
（5）减少淹没损失
在黄河中游多沙粗沙区，一般小流域的沟道为Ⅳ、Ⅴ级沟道，主沟道的河床两岸一般都有居民点，在选择骨干工程和需要加高的大中型淤地坝坝址时，要尽可能减少淹没损失。
2.2 坝系运行中的布局
（1）轮拦、轮排、轮种
坝系布局时要充分考虑坝系的运行开展，做到防洪、拦泥和生产“三兼顾”，特别是大坝间的相互配合，在防洪、拦泥淤地、排洪种植等方面交替转换、轮流上岗。顺利获得在坝系内进行水沙资源的合理调用，集中泥沙使一批单坝快淤早种，然后补充小坝、计划放淤再使另外一批单坝快淤早种，先生产的坝经过一段时间运行后再加高进行第二次淤积，如此分期分批循环进行，逐渐向坝系流域内来水来沙与坝地用水用沙达到相对平衡方向开展。
（2）弥补控制
在坝系的运行过程中，地处控制地段的干沟大坝因淤满而失去防洪控制能力后，因受到淹没约束而无法加高时，须在其上游或下游适当的部位增建控制性工程，以弥补和完善控制结构；没办法增建工程的，则必须在该大坝上补修溢洪道，用以被动的防洪。其它控制单元则要对这一工程进行上下游及干、支沟防洪控制互补。
（3）坝库相间，清洪分治。
沟道中有常流水或泉水集中露头处，选适当位置，修建水库，蓄水利用。同时，应在其上游修淤地坝或治沟骨干工程，在暴雨中拦蓄洪水，泥沙澄清后放清水进水库存蓄，以延长水库寿命，提高水库利用率。
2.3 各阶段布局特点
坝系从初建到实现相对平衡很难在一个阶段实现，一般要经过初建阶段、发育阶段、成熟阶段和相对平衡四个阶段的开展过程。在各个阶段，由于运行方式有所区别，坝系布局结构也不同。
（1） 初建阶段
主要从小流域的沟口到沟掌依照快速建坝的原则，或先下后上，或先干后支等方式，在流域内的干沟和较大的支沟建设骨干工程或大型坝，形成关键控制，经过短时期的集中拦洪拦沙，形成坝地，进而逐次按单元控制的方式建设骨干工程，构成坝系的骨干控制网络，形成坝系的框架，而后再在各个控制性大坝内补充若干中小型坝。具体到每级沟道[2]的布设原则：
在Ⅰ级沟道中，由于沟道短、比降大、面积小，再加上地形条件的限制，可建设小型坝的沟道一般只有50～60%。
Ⅱ级沟道一般都可以建设中型坝，其坝址位置一般在Ⅱ级沟道的下游，个别面积较大的沟道可建在上游两个Ⅰ级沟道的交汇处，其上游布设小型坝。
Ⅲ级沟道一般都可以建设骨干坝，并且由于沟道较长（3～5km），初建阶段一般可建设2～3座骨干工程和中型坝。
Ⅳ级沟道是小流域的干沟，沟长一般在6～10km之间，沟道可建设3～5座骨干工程和中型坝。
Ⅴ级沟道是小流域的主沟，沟长一般在10～15km之间，可建设5～8座骨干坝，适当部位建设蓄水塘坝。
Ⅵ级沟道一般超出了小流域坝系布局的范围，可对其内包括的Ⅳ、Ⅴ级小流域分别进行单独的坝系布局。使坝系达到逐层逐级控制后，即完成了坝系的平面布局，坝系的初建阶段宣告结束。
初建阶段坝系的主要目标是有效控制洪水、快速拦泥淤地、早见生产效益。因此工程数量最多，布坝密度最大（一般为2.0～2.5座/ km2），基本上沟沟岔岔都有坝。配置上中小型坝的比例也最高(大中小比例一般可达1:3:6)。
（2） 发育阶段
坝系发育阶段是坝系建设和开展的第二个阶段。主要经历从单坝的群体组合到有机结合；拦洪拦沙从快速淤地到计划拦排，运行方式由单坝到坝系的统筹安排和计划加高、计划拦洪、计划淤积、计划生产、轮蓄轮种、有序开展。坝系布局主要是针对初建阶段布局进行坝系结构调整。工程建设以坝系加高为主，以及进行必要补充。随着坝系的开展，淤积面不断升高，出现坝吃坝现象，工程数量递减，大中型坝的数量增多，最后形成稳定的坝系格局。在坝系的发育阶段，布坝密度一般为1.5～2.5座/ km2，骨干工程与中小型坝的配置比例一般开展为1：5～7。
（3）成熟阶段
成熟阶段坝系布局是以实现水沙淤积相对平衡为目标，坝系“切片分割、单元独系、划整为零”进行布局。将坝系划分成若干个大坝独立控制下的单元结构独立运行，洪水和泥沙在单元内消化，部分单坝达到了相对平衡，所以坝系的框架结构基本稳定。布坝密度一般为1.0～1.5座/ km2，骨干工程与中小型坝的配置比例一般为1：1～2。现在开展到成熟阶段的坝系还很少见，关于成熟阶段的坝系布局尚需进一步在实践中研究探索。
（4）相对平衡阶段
坝系达到相对平衡后，各级沟道均已川台化，各个单坝均可防洪保收，洪水泥沙在坝地内已变成“引洪漫地”，坝体加高已变成养护性质的“护埂”，坝系结构持久稳定。布坝密度基本稳定在1.0～1.5座/ km2左右，大中小坝的配置比例基本稳定为 1：1～2左右。相对平衡是坝系建设的理想目标，现在还没有成功的示例，需进一步在实践中探索。
3、各阶段的建坝顺序
在坝系总体布局的指导下，合理安排坝系中各个工程的建设顺序，是坝系建设的重要一环。在坝系的建设过程中，布坝的模式很多，变化较大，各地的应用模式各不相同，很难用一个统一的模式，实践中应因地治宜地进行安排。坝系布局主要在初建阶段完成[3]，发育阶段再根据需要进行补充和加高，成熟阶段和相对平衡阶段主要是坝体加高。
3.1 初建阶段
（1）先布设骨干坝、后布设中小淤地坝。
即在空白沟道上先建设骨干工程控制洪水和泥沙，后建设中小型坝，拦泥淤地生产。该顺序的优点是拦洪拦沙彻底，缺点是骨干工程下游的淤地坝淤积慢。
（2）先关键控制、后布网控制。
骨干工程的建设顺序。在小流域沟道汇水的关键控制部位抢先建设骨干工程，按区间控制面积设计的总库容，作为关键控制范围的防洪库容，实现短时间的抢先控制，然后再在其控制的流域内插补骨干工程，形成分段分片的区间控制格局。该建坝顺序适用于短期内的坝系工程规模建设，优点是抢先拦蓄洪水，泥沙淤积快。
（3）先上后下，先支后干。
此为坝系单元的建设顺序，适用集水面积3—5km2或更大的支沟。一般从上游向中、下游依次修坝，其坝高、库容等技术指标依次逐渐加大。也可在中游或下游同时各修一座中型以上淤地坝，淤平以后再上移修坝，并在中下游适当位置建设治沟骨干工程，以保证坝系安全。
（4）先下后上、先干后支。
适用集水面积1km2以下的小支沟。即先从沟口或下游开始，修建第一座坝，淤平生产时，可在其上游修建第二座坝，该坝在拦泥淤地的同时可保护第一座坝安全生产，第二座坝淤平生产时，再在其上游修建第三座，依次向上推移，直到把全沟修完。
（5）支干结合，插花建设。
适用于集水面积10—20km2的主沟。一般在其上游和两岸支沟坝建成之后，再建中、下游的大型淤地坝，以减轻下游坝的洪水、泥沙负担，降低工程造价。一般单坝控制区间净面积在5km2以下，工程规模应按大型淤地坝考虑，并在淤平前1—2年，在其上游的主沟或主要产洪支沟适当位置修建骨干工程，以保证下游坝地安全生产。
3.2 发育阶段
（1）上拦下种。
上坝拦蓄洪水，下坝安全生产。适合较大沟道串联的工程，在淤满后需要加高的淤地坝。
（2）上种下拦。
上坝泄洪生产，下坝拦洪淤地。适合较小沟道串联的淤地坝工程，在淤满后需要加高的情况。
（3）支沟滞洪,干沟生产，交替进行在较大沟道干支沟内大中型坝的生产运行和循环加高。
（4）坝库功能互换
坝系在进行“轮蓄轮种”的过程中，原来为生产种植的工程，加高后蓄水拦泥，在坝系中起水库的作用，原来在坝系中起水库作用的工程，淤满后生产种植，成为淤地坝。
4、小流域坝系的建坝时间间隔
这里讨论的坝系建设中的时间间隔，包括坝系各个开展阶段的建设周期、分期建设的时间间隔、建设期和运行周期。各个开展阶段的建设周期是指坝系从初建开始到初建完成、从发育开始到坝系成熟、从成熟期开始到相对平衡三个阶段的建设周期[4]；在各个建设周期内，坝系内的所有工程是按坝系的分期建设方案和运行的实际需求分批分时段进行建设的，一批工程建设所用的时间即为建设期；上批工程完成到下批工程开始两者之间的时间间隔即为分期建设间隔。运行周期是指单个工程淤满开始生产到下次再加高拦泥所需的时间。
1、不同阶段的分批建设时间间隔
根据多年淤地坝的建设实践，在坝系初建阶段从空白沟道开始建设到初建完成，可分2个建设期完成较为合理，每个建设期一般1～3年，两期建设间隔一般5～6年。由于初建工程都控制原始沟道，各级沟道都有拦洪拦沙要求，因此首期建设的工程数量较多，坝型较大，第二期建设的工程数量较少，坝型较小。两期建设完成后坝系可运行10年左右，因此初建阶段的周期一般20～25年。
发育阶段的坝系加高可分2～3个建设期完成，建设期一般为1～2年，建设间隔一般为5～6年。随着坝系的开展，坝地面积不断扩大，淤积面不断抬高，侵蚀模数逐渐减小，淤积速度越来越慢，运行周期越来越长，建设的时间间隔也越来越长，分批建设的规模越来越小。完成2～3次加高一般为10～15年，可运行10～20年，因此发育阶段周期一般25～30年。
2、相邻坝间的建设间隔
在坝系的成长发育过程中，大型淤地坝在库容淤积至70～80%（淤平前1—2年）时在该坝上游的主沟或主要产洪支沟选适当位置，修治沟骨干工程，以保证该坝地安全生产，间隔一般为8～10年。中型坝一般在坝库拦泥库容淤积至50～60%时坝地就可开始“抢种抢收”，也就是说一般达到设计淤积年限的50～60%时，上游应建坝拦洪，时间间隔一般为5～6年[5]。
在坝系的初建阶段和发育阶段，相邻骨干坝之间的建设间隔以集中水沙调用为原则，先下后上的布坝顺序时用拦泥库容换取防洪库容，即用下游新建骨干坝的总库容兼顾上游坝的防洪问题，当下游坝的淤积库容淤积到一定程度，库容不能满足控制区间防洪要求时就要在上游进行工程建设，一般时间间隔为5～6年。
5、有待进一步研究的问题
小流域坝系建设是一项长期、艰巨、技术性强的系统工程。顺利获得几十年的开展，积累了不少成功的经验，取得了一些科研成果，但是尚未形成比较完善的理论和技术体系。所以召开小流域坝系建设中关键技术的研究与创新，提高坝系建设的科技含量，进而加快建设速度，提高质量，降低成本，增大效益。
[参考文献]
[1] 付明胜，贾树年.浅谈坝系单元控制论及其应用.中国水土保持,2004(4)11
[2] 付明胜，任兆选等.地貌几何数学模型在黄土高原沟道分级和坝系规划中的应用.中国水土保持科研，2003（4）25－27.
[3] 付明胜、贾树年、金孝华等，陕西多沙粗沙区小流域坝系建设与开展研究[N].68-89.
[4] 黄河水利委员会水土保持局，黄河流域小流域坝系建设实践与探索[N].黄河出版社，2003.88.
[5] 水利部科技推广中心黄河研究会，黄土高原小流域坝系建设关键技术研讨会文集[N].黄河出版社，2004.102.
