CN107644113A - 一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法，首先根据淤地坝的设计规模，提取所述淤地坝的基本参数；根据所提取的基本参数，计算获得工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy；根据所述淤地坝的设计年效益x_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到坝地效益年增量变化‑x_i+1/Δh_i；根据所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i；逐渐增大放水涵洞底高y值，得出一系列的x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i值，将其与‑dG_工程/dy进行比较，当两者相差最小时，对应的y值即为所确定的放水涵洞底高。该方法能够有效降低涵洞、卧管、竖井、泄水陡槽等关键放水建筑物的工程投资，使淤地造田效益不降低，减少初期蓄水无效蒸发负效益，达到拦泥不减水的目的。

Description

一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法

技术领域

本发明涉及淤地坝技术领域，尤其涉及一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法。

背景技术

淤地坝是黄土高原地区治理沟道侵蚀的一种有效措施，既能滞洪拦沙，控制水土流失，又能淤地造田，保证粮食增产，因而在黄土高原地区应用广泛。淤地坝一般由“两大件”或“三大件”组成。“两大件”是指坝体和放水建筑物，或者是坝体和溢洪道；“三大件”是指坝体、放水建筑物和溢洪道。“两大件”及“三大件”淤地坝一般都设有放水涵洞，放水涵洞位于坝体内，排水进口接卧管或竖井，放水涵洞的主要作用是排除淤地坝内拦蓄的洪水，确保淤地坝安全，调节洪水过程，消减洪峰流量，同时使坝地作物尽可能的保收。

放水涵洞一般位于坝体下部、沟底以上，涵洞位置的高低直接影响着工程造价、坝地发挥效益的年限，此外通常被忽视的是初期蓄水无效蒸发的负效益，因而放水涵洞是淤地坝设计的关键问题。“两大件”和“三大件”淤地坝的总使用年限是一定的。放水涵洞位置较低，则涵洞、卧管(或竖井)、涵洞下游出口排水陡槽都较长，工程量和投资都较大，但在淤地坝使用年限内较早的放空库内洪水，确保坝地能较早的耕种和保收，受益较早，同时坝库内初期蓄水无效蒸发损失量也较小，因而多年累积效益较大；相反，如果放水涵洞位置较高，涵洞、卧管(或竖井)、涵洞出口排水陡槽相应也较短，工程量及投资都较低，但在淤地坝使用年限内不能较早的放空库内洪水，坝地耕种及保收也较晚，受益较晚，同时造成库内初期蓄水无效蒸发损失量也较多，排向下游河道的水量减少，因而多年累积效益较小，而现有技术方案中并没有明确提出放水涵洞在坝体中竖向位置的确定方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法，该方法能够有效降低涵洞、卧管、竖井、泄水陡槽等关键放水建筑物的工程投资，使淤地造田效益不降低，减少初期蓄水无效蒸发负效益，达到拦泥不减水的目的。

一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法，所述方法包括：

步骤1、根据淤地坝的设计规模，提取所述淤地坝的基本参数；其中，所述基本参数包括竖井或卧管底坡坡率m₁、上游坝坡坡率m₂’、下游坝坡坡率m₂”、陡槽坡率m₃，以及竖井或卧管单位长度造价p_s、放水涵洞单位长度造价p_h、陡槽的单位长度造价p_d；

步骤2、根据所提取的基本参数，利用公式计算获得工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy；

步骤3、根据所述淤地坝的设计年效益x_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i；

步骤4、根据所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i；

步骤5、逐渐增大放水涵洞底高y值，得出一系列的x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i值，将其与-dG_工程/dy进行比较，当两者相差最小时，对应的y值即为所确定的放水涵洞底高。

所述步骤2的过程具体为：

工程投资G_工程的计算公式为：G_工程＝G₀+G_x；

其中，G₀为坝体、溢洪道及其他工程投资，对于某一具体淤地坝来说G₀是定值，不随放水涵洞底高y而改变；

G_x为竖井或卧管、放水涵洞、陡槽、消力池的投资，具体表示为：

G_x＝G_s+G_h+G_d+G_q；

其中，G_s为竖井或卧管；G_h为放水涵洞投资；G_d为陡槽投资；G_q为消力井、消力池投资，设为常量；

进一步的，G_s＝L₁×p_s，G_h＝L₂×p_h，G_d＝L₃×p_d；

其中，L₁为竖井或卧管长度，表示为H为淤地坝的坝高，y为涵洞底距沟底高度；

L₂为放水涵洞长度，表示为L₂＝(H-y)(m₂'+m₂")+e，e为淤地坝的坝顶宽；

L₃为陡槽长度，表示为

故

工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy表示为：

其中，dG₀/dy＝0，则dG_工程/dy表示为：

由该公式计算工程投资随涵洞底高的变化率dG_工程/dy。

所述步骤3具体包括：

首先根据放水涵洞底高y，找出对应的淤地坝开始发挥效益的年度i；

根据淤地坝设计年淤积量，由坝高～库容曲线或库容～坝高经验公式获得各年的淤积高度Δh_i；

再由坝高～面积曲线或面积～坝高经验公式获得各年的坝地可耕面积，获得所述淤地坝的设计年效益x_i，进而计算获得坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i。

所述步骤4具体包括：

根据所述淤地坝设计的年洪水量、年拦泥量，由库容～坝高关系曲线获得相应年的蓄水高度；

再根据面积～坝高关系曲线获得蓄水水面面积，通过单位面积水面年蒸发量计算年蒸发水损失量；

再根据水价，计算所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i，进而计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够有效降低涵洞、卧管、竖井、泄水陡槽等关键放水建筑物的工程投资，使淤地造田效益不降低，减少初期蓄水无效蒸发负效益，达到拦泥不减水的目的，减少对下游流量的影响；也解决了长期困扰淤地坝放水涵洞位置设计的技术难题，对于广大黄土高原地区淤地坝建设是有力的科技支撑，具有广泛的应用和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供确认淤地坝放水涵洞位置的方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述淤地坝的整体示意图；

图3为本发明实施例所述淤地坝效益分析示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先，淤地坝工程总效益可以表示为：

E_总＝X_坝地+X_拦沙+X_滞洪-G_工程-S_初

式中：E_总—淤地坝总效益；

X_坝地—坝地作物累计效益；

X_拦沙—拦沙效益；

X_滞洪—滞洪效益；

G_工程—淤地坝工程总投资，一般包括坝体、泄水建筑物、溢洪道及其他工程投资；

S_初—初期拦蓄水量无效蒸发损失的效益。

拦沙效益、滞洪效益与坝高、溢洪道位置和规模有关，而与放水涵洞位置关系不大，故可以认为不随涵洞位置变化的定值。故淤地坝总效益随涵洞位置的变化情况仅需考虑工程总投资、坝地作物累计效益、初期蓄水无效蒸发负效益随涵洞位置变化情况。淤地坝总效益最大时即为涵洞的最佳位置，本实施例计算淤地坝总效益最大时的涵洞最佳位置。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供确认淤地坝放水涵洞位置的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、根据淤地坝的设计规模，提取所述淤地坝的基本参数；

在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所述淤地坝的整体示意图，参考图2，图中的基本参数主要包括有：

H—总坝高(m)；

y—涵洞底高(m)；

▽₁—溢洪道底高程(m)；

▽₂—最低放水孔高程(m)；

▽₃—坝前地面高程(m)；

m₁—竖井或卧管底坡坡率；

m₂'—上游坝坡坡率；

m₂"—下游坝坡坡率；

m₃—陡槽坡率；

L₁—竖井或卧管长度(m)；

L₂—放水涵洞长度(m)；

L₃—陡槽长度(m)；

e—坝顶宽(m)。

在该步骤中提取的基本参数还包括：竖井或卧管单位长度造价p_s、放水涵洞单位长度造价p_h、陡槽的单位长度造价p_d。

步骤2、根据所提取的基本参数，利用公式计算获得工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy；

在该步骤中，由图2可知：“三大件”淤地坝建设投资G_工程一般包括坝体、泄水建筑物、溢洪道和其他工程投资；“两大件”淤地坝工程投资一般包括坝体、泄水建筑物和其他工程投资(或坝体、溢洪道和其他工程投资)。这里考虑有泄水建筑物的“两大件”或“三大件”淤地坝，对于某个具体的淤地坝，由于坝高为一定值，则坝体、溢洪道和其他工程投资G₀为定值，而泄水建筑物(竖井或卧管、放水涵洞、陡槽、消力池等)投资G_x随放水涵洞在淤地坝中位置的不同而变化，该工程投资G_工程的计算公式表示为：

G_工程＝G₀+G_x；

其中，G₀为坝体、溢洪道及其他工程投资，对于某一具体淤地坝来说G₀是定值，不随放水涵洞底高y而改变；

G_x为竖井或卧管、放水涵洞、陡槽、消力池的投资，具体表示为：

G_x＝G_s+G_h+G_d+G_q；

其中，G_s为竖井或卧管；G_h为放水涵洞投资；G_d为陡槽投资；G_q为消力井、消力池投资，可认为常量；

进一步的，对于某个淤地坝，竖井或卧管、放水涵洞、陡槽断面一般为定值，竖井或卧管、放水涵洞、陡槽的单位长度造价为p_s、p_h、p_d，则有：

G_s＝L₁×p_s，G_h＝L₂×p_h，G_d＝L₃×p_d；

其中，L₁为竖井或卧管长度，表示为H为淤地坝的坝高；

L₂为放水涵洞长度，表示为L₂＝(H-y)(m₂'+m₂")+e，e为淤地坝的坝顶宽；

L₃为陡槽长度，表示为

故

进一步的，淤地坝规模确定后，拦沙效益X_拦沙、滞洪效益X_滞洪不变，而坝地作物效益X_坝地、工程投资G_工程、初期蓄水无效蒸发损失效益S_初都与放水涵洞底高y有关，作相应的变化，要获得淤地坝效益E_总最大值，即相应放水涵洞的最佳高度y，应使：

工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy表示为：

其中由于G₀不随y而变化，dG₀/dy＝0，则dG_工程/dy表示为：

由该公式计算工程投资随涵洞底高的变化率dG_工程/dy。

步骤3、根据所述淤地坝的设计年效益x_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i；

在该步骤中，首先根据放水涵洞底高y，找出对应的淤地坝开始发挥效益的年度i；

根据淤地坝设计年淤积量，由坝高～库容曲线或库容～坝高经验公式获得各年的淤积高度Δh_i；

再由坝高～面积曲线或面积～坝高经验公式获得各年的坝地可耕面积，获得所述淤地坝的设计年效益x_i，进而计算获得坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i，作为dX_坝地/dy的近似值。

举例来说，设m年后，淤地面高度到达最低放水孔高程，这之前由于无法放空拦蓄的洪水，无法耕种和保收，坝地每年效益为0，m+1年坝地开始耕种并产生效益，因此N年内坝地的累积效益的计算公式为：

上式中x_i为建坝后第i年的效益，当坝地高程达到溢洪道底后(n年)坝地面积基本不再增加，坝地面积效益基本无变化。

坝体内放水涵洞位置的上下变化影响坝地累计效益大小，可根据设计的年淤积量，由坝高～库容曲线或库容～坝高经验公式查出(或算出)各年的淤积高度Δh_i，再由坝高～面积曲线或面积～坝高经验公式查出(或算出)各年的可耕面积，获得所述淤地坝的设计年效益x_i，进而计算获得坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i，作为dX_坝地/dy的近似值。

步骤4、根据所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i；

在该步骤中，根据所述淤地坝设计的年洪水量、年拦泥量，由库容～坝高关系曲线获得相应年的蓄水高度；

再根据面积～坝高关系曲线获得蓄水水面面积，通过单位面积水面年蒸发量计算年蒸发水损失量；

再根据水价，计算所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i，进而计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i。

举例来说，初期蓄水无效蒸发负效益S_初与淤地坝建成初期(坝地发挥效益前)累积拦蓄的总水量有关，即有：

式中，s_i为第i年的蓄水无效蒸发的负效益。

对于某座特定的淤地坝而言，设计的年来水量是一定的，初期拦蓄水无效蒸发量与水面面积有关，可以由库容～坝高关系曲线(或经验公式)查出(或计算出)相应年的蓄水高度；

再根据面积～坝高关系曲线(或经验公式)查出(或计算出蓄水面积)水面面积，通过单位面积水面年蒸发量计算年蒸发水损失量(水面年蒸发量一般为800～1600mm)；或者也可以认为初期蓄水损失为蓄水量除去下渗的量为全部蒸发损失，即设计年蓄水量减去年入渗量。

假定水的单位价值为c元/m³，每年无效蒸发的水量为u_i，则所述淤地坝的年水损失负效益增量

s_i＝cu_i

进而计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i，作为dS_初/dy的近似值。

步骤5、逐渐增大放水涵洞底高y值，得出一系列的x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i值，将其与-dG_工程/dy进行比较，当两者相差最小时，对应的y值即为所确定的放水涵洞底高。

在该步骤中，通过逐渐增大放水涵洞底高y值，得出一系列的x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i值，将其与-dG_工程/dy进行比较，两者相差最小时，最佳涵洞位置就是对应年的淤积高程，同时兼顾了坝地效益、淤地坝投资和初蓄水损失负效益。

随着涵洞底高y的增大，由于坝地收益时间推迟而使坝地累计效益减少，因此X_坝地为递减函数，淤地坝投资与y呈线性关系，也是随着y的增大而减少。随着y的增加，初期蓄水量增加，因此初期蓄水损失负效益是递增函数。如图3所示为本发明实施例所述淤地坝效益分析示意图，参考图3：效益与投资、初期蓄水损失负效益的差值即为净效益E_总'，极值点A为净效益最大值点。

图3中，A、B点分别代表X_坝地曲线导数值分别与(G_工程+S_初)、G_工程导数相同点，当淤地坝放水涵洞高度计算只考虑坝地效益、工程造价间的差值最大化，而未考虑初蓄水损失负效益，即选取B点对应的y值作为最佳涵洞位置，然而实际造成的初蓄水损失负效益为DF，即实际效益仅为BF；而考虑初蓄水损失负效益后，则A点对应的y值应作为最佳涵洞位置，最大效益为AE代表的值，相应造成的初蓄水损失负效益EC值比传统上的FD值小。

由上可知，通过计算工程投资的导数dG_工程/dy，采用列表法计算-x_i+1/Δh_i、cu_i+1/Δh_i；经比较，找出-dG_工程/dy与(x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i)最接近之处，其对应的放水涵洞底高y即为最佳涵洞位置。

下面以具体的实例对上述方法进行详细说明，以陕西省安塞县某淤地坝为例，该坝泄水建筑物采用卧管、放水涵洞、陡槽的形式。

①首先提取淤地坝基本参数，m₁、m₂’、m₂”、m₃分别为2、3、2、1.8，p_s、p_h、p_d分别为450元/m、800元/m、400元/m，坝高～库容曲线、坝高～面积曲线、设计年平均淤积量、设计年平均洪水量等。

②由公式计算工程投资随涵洞底高的变化率为4183。

③初步设定放水涵洞底高y为3m，则根据淤地坝设计规模，对应的淤地坝淤积坝地开始发挥效益年i为4；根据设计年淤积量，由坝高～库容曲线查出第3年的淤积总高度h₃为3m，第4年与第3年的Δh_i为0.8m；根据淤积高度、坝高～面积曲线查出第4年淤积坝地面积，由设计坝地单位面积年效益，计算坝地效益年增量变化x₄/Δh₃。

④根据设计年洪水量、年拦泥量，由库容～坝高关系曲线查出相应年的蓄水+拦泥高度，再根据面积～坝高关系曲线查出水面面积，通过单位面积水面年蒸发量计算年蒸发水损失量；根据水价，计算年水损失负效益增量cu_i，则可以计算年水损失效益变化cu₄/Δh₃。

⑤提高涵洞底高y为第5年坝地发生效益时的高度，重复步骤③、④计算相应的(x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i)；

以此类推，逐步提高y值，列表计算(x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i)，当其与相差最小时，对应的放水涵洞底高y即为所求的最优涵洞底高。

综上所述，本发明实施例所述方法既兼顾了淤地造田效益，又考虑了初期蓄水无效蒸发负效益，达到放水建筑物投资与坝地效益、初期蓄水无效蒸发负效益的平衡；同时有效降低了涵洞、卧管、竖井、泄水陡槽等关键放水建筑物的工程投资，使淤地造田效益不降低，减少初期蓄水无效蒸发负效益，达到拦泥不减水的目的，减少对下游流量的影响；也解决了长期困扰淤地坝放水涵洞位置设计的技术难题，对于广大黄土高原地区淤地坝建设是有力的科技支撑，具有广泛的应用和推广价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种确认节水型淤地坝放水涵洞位置的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据淤地坝的设计规模，提取所述淤地坝的基本参数；其中，所述基本参数包括竖井或卧管底坡坡率m₁、上游坝坡坡率m₂’、下游坝坡坡率m₂”、陡槽坡率m₃，以及竖井或卧管单位长度造价p_s、放水涵洞单位长度造价p_h、陡槽的单位长度造价p_d；

步骤2、根据所提取的基本参数，利用公式计算获得工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy；

步骤3、根据所述淤地坝的设计年效益x_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i；

步骤4、根据所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i、年淤积厚度Δh_i，计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i；

步骤5、逐渐增大放水涵洞底高y值，得出一系列的x_i+1/Δh_i+cu_i+1/Δh_i值，将其与-dG_工程/dy进行比较，当两者相差最小时，对应的y值即为所确定的放水涵洞底高。

2.根据权利要求1所述确认淤地坝放水涵洞位置的方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：

工程投资G_工程的计算公式为：G_工程＝G₀+G_x；

其中，G₀为坝体、溢洪道及其他工程投资，对于某一具体淤地坝来说G₀是定值，不随放水涵洞底高y而改变；

G_x为竖井或卧管、放水涵洞、陡槽、消力池的投资，具体表示为：

G_x＝G_s+G_h+G_d+G_q；

其中，G_s为竖井或卧管；G_h为放水涵洞投资；G_d为陡槽投资；G_q为消力井、消力池投资，设为常量；

进一步的，G_s＝L₁×p_s，G_h＝L₂×p_h，G_d＝L₃×p_d；

其中，L₁为竖井或卧管长度，表示为H为淤地坝的坝高；

L₂为放水涵洞长度，表示为L₂＝(H-y)(m₂'+m₂")+e，e为淤地坝的坝顶宽；

L₃为陡槽长度，表示为

故

工程投资G_工程随放水涵洞底高y的变化率dG_工程/dy表示为：

其中，dG₀/dy＝0，则dG_工程/dy表示为：

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dG</mi> <mi>x</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>y</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>s</mi> </msub> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>h</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>d</mi> </msub> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>m</mi> <mn>3</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

由该公式计算工程投资随涵洞底高的变化率dG_工程/dy。

3.根据权利要求1所述确认淤地坝放水涵洞位置的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

首先根据放水涵洞底高y，找出对应的淤地坝开始发挥效益的年度i；

根据淤地坝设计年淤积量，由坝高～库容曲线或库容～坝高经验公式获得各年的淤积高度Δh_i；

再由坝高～面积曲线或面积～坝高经验公式获得各年的坝地可耕面积，获得所述淤地坝的设计年效益x_i，进而计算获得坝地效益年增量变化-x_i+1/Δh_i。

4.根据权利要求1所述确认淤地坝放水涵洞位置的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

根据所述淤地坝设计的年洪水量、年拦泥量，由库容～坝高关系曲线获得相应年的蓄水高度；

再根据面积～坝高关系曲线获得蓄水水面面积，通过单位面积水面年蒸发量计算年蒸发水损失量；

再根据水价，计算所述淤地坝的年水损失负效益增量cu_i，进而计算得到年水损失效益变化cu_i+1/Δh_i。