淤地壩“淤滿”后的水沙效應(yīng)及防控對策

高海東， 賈蓮蓮， 龐國偉， 袁水龍

(1.西安理工大學(xué)，土木建筑工程學(xué)院，710048，西安；2.西安理工大學(xué)，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，710048，西安；3.黃河水利委員會黃河上中游管理局，710021，西安；4.西北大學(xué)，城市與環(huán)境學(xué)院，710127，陜西楊凌)

淤地壩“淤滿”后的水沙效應(yīng)及防控對策

高海東1，2， 賈蓮蓮3， 龐國偉4， 袁水龍2

(1.西安理工大學(xué)，土木建筑工程學(xué)院，710048，西安；2.西安理工大學(xué)，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，710048，西安；3.黃河水利委員會黃河上中游管理局，710021，西安；4.西北大學(xué)，城市與環(huán)境學(xué)院，710127，陜西楊凌)

黃土高原大規(guī)模的淤地壩建設(shè)在減少黃河泥沙以及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了巨大作用。但是，在淤地壩“淤滿”的極端條件下，關(guān)于其水沙效應(yīng)變化及防治對策的研究還較少涉及。經(jīng)分析，淤地壩“淤滿”后：1)壩控范圍內(nèi)坡度降低，徑流長度減少，溝道比降降低，而橫斷面由原來的“V”型溝道，演變?yōu)椤癠”型溝道；2)以關(guān)地溝4號壩為例，使用RUSLE計算，修建淤地壩前，壩控范圍內(nèi)平均每年土壤侵蝕模數(shù)為4 472 t/(km2·a)，淤滿后，土壤侵蝕模數(shù)下降至4 019 t/(km2·a)，降幅約10%，“原地”減蝕作用顯著，從修建至淤滿階段，攔沙作用巨大；3)淤地壩淤滿后，壩地流速顯著降低，從修建淤地壩前的0.83 m/s降至0.27 m/s，但壩體外坡的流速顯著增加，特別是坡底，最大流速可達3.76 m/s；4)淤地壩淤滿后，淤地壩“異地”減蝕作用會降低?；谏鲜鲎兓?，針對淤地壩淤滿后的極端條件，本文提出如下防治對策：1)以小流域為單元，以溢洪道為主體，完善溝道排洪設(shè)施布設(shè)，提高支溝內(nèi)以及支溝與主溝的連通度，提升排洪能力；2)遵循“因地制宜”原則，科學(xué)合理植樹種草、修建梯田，加強坡面治理，減少坡面來水來沙，消耗和分散坡面來水侵蝕能量，降低壩地淤滿后被損毀的風(fēng)險；3)采取“截水溝和排水溝相結(jié)合，工程措施和植物措施相結(jié)合”的方法，做好壩體陡坡防治，提高壩體外邊坡植被覆蓋度。研究結(jié)果以期為黃土高原淤地壩建設(shè)提供理論支撐。

黃土高原； 淤地壩； 水沙變化； “異地效應(yīng)”

淤地壩是黃土高原最主要的溝道治理工程，廣泛分布于黃土高原丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)，在攔泥、淤地、減災(zāi)、提高水資源利用率、促進農(nóng)業(yè)退耕、結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟增長、改善丘陵山區(qū)交通和生活條件等方面發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用[1]。經(jīng)過20世紀50年代的試驗示范、60年代的推廣普及、70年代的發(fā)展建設(shè)、80年代的壩系建設(shè)以及90年代的除險加固等階段，黃土高原淤地壩得到了全面發(fā)展。根據(jù)2009年的黃土高原淤地壩安全大檢查[2]，黃土高原淤地壩總數(shù)達9.1萬座，其中骨干壩5 500多座，淤成壩地30多萬hm2，總庫容達到103億6 200萬m3。根據(jù)《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》至2020年，建設(shè)淤地壩達16.3萬座。

有研究[3]表明，壩庫、梯田等工程措施是1970年代至1990年代黃土高原產(chǎn)沙減少的主要原因，占54%，而1970—1996年，河龍區(qū)間淤地壩年均減洪減沙量分別占水土保持措施年均減洪減沙總量的59.3%和64.7%[4]。淤地壩雖然發(fā)揮了巨大作用，但也存在一些問題，其中一個主要的原因是超標(biāo)暴雨造成的連鎖潰壩，導(dǎo)致淤地壩水毀嚴重。如2012年，陜北遭遇特大暴雨，經(jīng)調(diào)查，榆林綏德縣韭園溝流域內(nèi)45座淤地壩，有24座受到不同程度的損壞。

根據(jù)黃土高原淤地壩安全檢查，截至2008年底，黃土高原的1萬6 743座骨干壩和中型壩中，達到或超過設(shè)計淤積高程的淤地壩總數(shù)為4 107座，其中骨干壩808座，中型壩3 299座，占總數(shù)的24.50%。當(dāng)淤地壩運行期滿后，可通過加高對其解決，但是，淤地壩不能無限加高；因此，淤地壩的另一個主要問題，是在淤地壩“淤滿”后，其水沙效應(yīng)變化情況如何？如何防控？關(guān)于這些問題，目前研究較少涉及。該問題的解決，對于發(fā)揮淤地壩的長效減蝕機制、促進黃土高原淤地壩建設(shè)具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

王茂溝流域是陜西省綏德縣韭園溝的一條支溝，流域面積5.74 km2，主溝長3.75 km，溝道平均比降為2.7%，溝壑密度4.3 km/km2。流域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較單純，表層多被質(zhì)地勻細、組織疏松的黃綿土覆蓋，厚度20～30 m。流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫10.2 ℃，多年平均降水量513 mm，汛期降水量占年降水量的73.1%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，造成嚴重的水土流失，泥沙量的95%集中在汛期，以水力侵蝕為主。流域土地利用類型以草地、坡耕地、梯田以及林地為主，其他土地利用類型有園地、壩地、農(nóng)村居民點、道路等。王茂溝流域自1953年開展流域綜合治理工作，至2009年底，有淤地壩23座，總庫容273萬m3。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)由等高距為5 m的1∶1萬地形圖通過Hutchinson插值方法獲得，柵格分辨率為2.5 m，投影為通用橫軸墨卡托投影(Universal Transverse Mercator, UTM)，格式為ESRI GRID。研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)由快鳥(Quickbird)影像目視解譯而來，影像分辨率為0.61 m，成像時間為2004年9月，云量為0%。水沙資料來源于綏德水土保持治理監(jiān)督局。淤地壩位置、壩地淤積情況、淤地壩結(jié)構(gòu)及放水建筑物尺寸由實測而來。

2.2 土壤侵蝕模數(shù)計算

使用修正通用土壤流失方程(RUSLE)并在ArcGIS軟件支持下確定土壤侵蝕模數(shù)[5]，表達式為

A=RKSLCP。

(1)

式中：A是年平均土壤流失量，t·/(hm2·a)；R是降雨侵蝕力因子[6]，MJ·mm/(hm2·h·a)；K是土壤可蝕性因子[7]，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；S是坡度因子；L是坡長因子[8]；C是作物覆蓋-管理因子[9]；P是水土保持措施因子[10]。

2.3 地表徑流水動力學(xué)模型

使用西安理工大學(xué)和英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)合作開發(fā)的基于顯卡加速的地表水及其伴隨輸移過程模型[11](GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model, GAST)，模擬修建淤地壩前和淤地壩淤滿后的水流流速變化情況，模型采用Godunov格式的有限體積法求解二維淺水和泥沙輸移方程的數(shù)值模型，該類方法能夠很穩(wěn)健地解決不連續(xù)問題，并可嚴格保持物質(zhì)守恒。采用適用于復(fù)雜網(wǎng)格的二階算法，可提高模擬的精度和計算效率，并能解決復(fù)雜地形下的地表水流動和物質(zhì)輸移模擬模擬。模型利用GPU技術(shù)來加速計算，顯著提高計算速度。

3 結(jié)果與分析

3.1 淤地壩淤滿后的侵蝕特征變化

以陜西省綏德縣王茂溝流域關(guān)地溝4號壩為原型，分析淤地壩淤滿后的地形和水沙特征變化。關(guān)地溝4號壩建于1959年，壩高20 m，壩長50 m，壩頂寬8.75 m，壩控范圍面積39.78 hm2，其中峁邊線以上面積為26.09 hm2，比例為66%，峁邊線以下面積為13.69 hm2，比例為34%。土地利用結(jié)構(gòu)為壩地2.11 hm2，比例為5.29%，梯田5.11 hm2，比例為12.82%，坡耕地11.01 hm2，比例為27.63%，退耕坡地5.39 hm2，比例為13.52%，草地16.24 hm2，比例為40.74%。

3.1.1 淤地壩淤滿后的地形與土地利用變化 淤地壩淤滿后，地形會發(fā)生顯著變化，壩控范圍內(nèi)坡度會降低。以4號壩為例，修建淤地壩前，流域平均坡度為32°，淤滿后，坡度降為28°。同時，由于侵蝕基準(zhǔn)面的抬高，壩控范圍內(nèi)徑流長度也發(fā)生了顯著變化，修建淤地壩前，最長徑流長度達1 100 m，平均徑流長度為28 m，淤地壩淤滿后，最長徑流長度為408 m，平均值降為20 m。同時，隨著淤地壩的淤滿，對溝道形態(tài)也產(chǎn)生了明顯的影響(圖1)，總體而言，降低溝道的縱比降，使縱剖面發(fā)生了明顯的變化，同時使河道從原來的“V”型溝道，逐漸演變?yōu)椤癠”型溝道。

圖1 淤地壩淤滿后溝道縱剖面變化Fig.1 Variation in longitudinal profile of gully channel after a check dam was fully filled

淤地壩修建后，對土地利用的影響主要有3個方面：一是隨著壩地的淤積，流域內(nèi)新增壩地這一黃土高原特有的土地利用類型；二是隨著壩地的淤積，侵蝕基準(zhǔn)抬高，淹沒了原來侵蝕最嚴重的溝谷荒草地；三是隨著壩地的增加，會促進坡耕地退耕，從而減少坡耕地面積。但是，由于壩地比例較低，對土地利用結(jié)構(gòu)影響較小。

3.1.2 淤地壩淤滿后的土壤侵蝕特征變化 關(guān)地溝4號壩控制范圍內(nèi)主要土地利用為草地，其次為林地，另有部分坡耕地和梯田。根據(jù)RUSLE計算結(jié)果，草地平均土壤侵蝕模數(shù)為3 521 t/(km2·a)，林地平均土壤侵蝕模數(shù)為426 t/(km2·a)，坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)為9 185 t/(km2·a)，梯田平均土壤侵蝕模數(shù)為456 t/(km2·a)。侯建才等[12]使用137Cs計算，坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)為8 487 t/(km2·a)，草地平均土壤侵蝕模數(shù)為2 948 t/(km2·a)，相對誤差分別為7.6%和16.3%。整個關(guān)地溝4號壩平均土壤侵蝕模數(shù)為4 472 t/(km2·a)，根據(jù)4號壩淤積泥沙調(diào)查計算，關(guān)地溝4號壩控制范圍內(nèi)多年平均土壤侵蝕模數(shù)為5 127 t/(km2·a)，相對誤差為14.6%，顯示出RUSLE計算結(jié)果和流域?qū)嶋H土壤侵蝕模數(shù)較符合。

修建淤地壩前，壩控范圍平均土壤侵蝕模數(shù)為4 472 t/(km2·a)，淤滿后，侵蝕模數(shù)下降至4 019 t/(km2·a)，降幅約10%(圖2)。淤地壩淤滿后，淤積原來侵蝕最嚴重的溝谷地(平均侵蝕模數(shù)約8 000 t/(km2·a))，是導(dǎo)致壩控范圍土壤侵蝕模數(shù)降低的主要原因。這一部分減蝕作用，可以稱為淤地壩的“原地”減蝕作用，同時，淤地壩還存在著攔沙作用，以關(guān)地溝4號壩為例，全部淤滿后，庫容可達44萬m3，可攔蓄泥沙約116萬t。

圖2 淤地壩修建前及淤滿后侵蝕模數(shù)變化圖Fig.2 Change in soil erosion modulus before a check dam was built and after it was fully filled

3.1.3 地表徑流流速變化分析 基于顯卡加速的地表水及其伴隨輸移過程模型(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model, GAST)，以關(guān)地溝4號壩為原型，降雨采用2012年7月15日陜北暴雨，模擬時長為6 h，模型步長為30 min。在降雨3 h，出口處流量達到最大，圖3輸出的流速即為洪峰流量時刻流速。由于缺乏實測流速數(shù)據(jù)，難以定量對模擬結(jié)果進行評價，只能定性進行分析。GAST模型是基于物理機制的分布式水動力學(xué)模型，模型方法為Godunov類型的有限體積法，該類方法能夠很穩(wěn)健地解決不連續(xù)問題，并可嚴格保持物質(zhì)守恒，模型在流域產(chǎn)匯流的水動力學(xué)模擬中得到廣泛應(yīng)用，并取得了滿意的模擬結(jié)果[13]。從模擬結(jié)果看，流速的空間分布基本合理，和坡度的符合度較高。

根據(jù)流速分布(圖3)，淤滿后，壩地流速顯著降低，從未修建淤地壩的0.83 m/s降至0.27 m/s；但是，壩體外坡的流速顯著增加，由原來的0.64 m/s，增加至2.30 m/s，特別是坡底，最大流速可達3.76 m/s。

圖3 淤地壩修建前及淤滿后流速分布圖Fig.3 Distribution of runoff flow velocity before a check dam was built and after it was fully filled

3.2 壩系淤滿后對侵蝕輸沙的影響

考慮更極端情況，當(dāng)一個壩系單元內(nèi)，所有淤地壩都淤滿后，其對水沙影響如何？除前述的“原地”減蝕作用外，淤地壩等水土保持措施還存在著“異地”減蝕作用。如圖4所示，溝道水流經(jīng)過淤地壩消能后，當(dāng)其經(jīng)過壩址下游的F、H、K點的時候，流速顯著降低，對溝道的沖刷減弱，從而使F、H、K點的侵蝕降低。壩系單元內(nèi)不同淤地壩的組合配置，其消能作用更加明顯，“異地”減蝕作用也更顯著。同理，對于梯田和林草地等，不僅有“原地”減蝕作用，同時也存在著“異地”減蝕作用，如A、B地塊，假設(shè)原來均為坡耕地，當(dāng)上方A地塊修建為梯田后，除A地塊由坡耕地變?yōu)樘萏锒a(chǎn)生的“原地”減蝕作用外，坡面徑流經(jīng)過梯田后，由于梯田的作用，坡面徑流經(jīng)過B點時，流速、流量等均會降低，從而降低B地塊的侵蝕量，這一部分可稱之為梯田的“異地”減蝕作用。

直觀來說，壩系中的淤地壩淤滿后，淤地壩的“異地”減蝕作用會降低。這是因為，在一個壩系中，未淤滿前，骨干壩、中型壩以及小型壩等相互配合，形成完整的泥沙調(diào)控系統(tǒng)，相比于單個淤地壩，多個淤地壩通過不同級聯(lián)方式所形成的壩系，均會顯著降低溝道徑流的流速、流量。根據(jù)計算，有壩流域洪峰流量僅為無壩流域的13%～56%，溝道徑流侵蝕能量減少47%～95%，流域滯時延長3倍。由于壩系對流速以及流量的顯著調(diào)控作用，流域的輸沙能力顯著降低，對淤地壩下游溝道的侵蝕能力也顯著減弱；而當(dāng)淤地壩淤滿后，在下游會形成一個較陡邊坡，壩地來水經(jīng)過壩體陡邊坡的加速作用，導(dǎo)致徑流的流速增加，徑流挾沙能力提高，對淤地壩下游河道的沖刷增加，導(dǎo)致“異地”產(chǎn)沙量增加，從而會降低淤地壩的“異地”減蝕作用。

圖4 水土保持措施“異地”減沙效應(yīng)示意圖Fig.4 Schematic of “off-site” sediment reduction effect of soil and water conservation measures

4 淤地壩“淤滿”后防治對策

4.1 以小流域為單元，以溢洪道為主體，完善溝道排洪設(shè)施的建設(shè)

由于淤地壩系建設(shè)以小流域為基本單元進行; 因此，也應(yīng)以小流域為基本單元，完善以溢洪道為主體的排洪設(shè)施建設(shè)。具體而言，就是在壩地陰坡一側(cè)(陽坡一般為居民地和道路)，構(gòu)建完善的排洪渠道。溢洪道下段，為防止溝道下切，破壞已淤滿壩地，應(yīng)修建為漿砌石溢洪道。對于骨干壩和中型壩，都應(yīng)該修建排洪渠道，而對于處于溝道下游的小型壩，也應(yīng)該布設(shè)排洪渠道，以提高支溝內(nèi)部以及支溝和主溝的連通度，提升流域排洪能力。

4.2 加強坡面治理

黃土高原，治溝和治坡需同時進行，對于坡面治理，要遵循“因地制宜”的原則，科學(xué)合理的植樹種草、修建梯田。對于坡度較緩且集中連片的坡耕地，考慮修為梯田，其他坡耕地，應(yīng)進行退耕還草還林。此外，根據(jù)“異地”減蝕作用原理，還應(yīng)當(dāng)大力開展溝頭防護工程建設(shè)，消耗和分散坡面來水的侵蝕能量，降低溝谷侵蝕。

4.3 做好壩體陡坡防治

淤地壩淤滿后，壩體外坡會形成陡邊坡，徑流流速增加，從而形成土壤侵蝕的新策源地；因此，壩體的侵蝕防治十分必要。對于壩體陡坡侵蝕防治，可有2類辦法，一類是布設(shè)坡面截水和排水設(shè)施，另一類是采用工程措施和植物措施相結(jié)合的方式，提高邊坡植被覆蓋度。

在壩體外邊坡，橫向布設(shè)小型截水溝，截水溝能減低對坡面的沖刷，同時和溢洪道連接，將坡面徑流引至溢洪道?？v向布設(shè)小型排水溝，將坡面徑流排向下游溝道。在截排水溝外的其他地區(qū)，可以采用工程措施和植物措施相結(jié)合的方法，提高植被覆蓋度，工程措施以水平溝、水平階以及魚鱗坑等規(guī)模小、擾動小的措施為主，而植被恢復(fù)應(yīng)以自然恢復(fù)為主，減少人為干擾。

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Runoff-sediment effect of “fully filled” check dam and related prevention and control measures

GAO Haidong1,2, JIA Lianlian3, PANG Guowei4, YUAN Shuilong2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, 710048, Xi’an, China; 2.Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology of Ministry of Education at Xi’an University of Technology, 710048, Xi’an, China; 3.Upper and Middle Yellow River Bureau, Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources, 710021, Xi’an, China; 4.College of Urban and Environmental Science, Northwest University, 710127, Xi’an, China)

[Background] Large-scale check dams in the Loess Plateau of China play a key role in sediment reduction and regional environmental improvement in the Yellow River basin. However, changes in the effects of runoff-sediment and related prevention and control measures on check dam under full capacity conditions have been rarely studied. [Methods] Based on geospatial data, we employed the RULSE and GAST hydrodynamic model to calculate soil erosion modulus and flow velocity, respectively.[Results] Here, we analyzed check dam once they reached full capacity, with the following changes found: 1) within the check dam control area, the surface slope and gully channel gradient both decreased, flow length was shortened, and the cross-section evolved from a V-shaped gully to a U-shaped gully; 2) using RUSLE computations and Guandigou No. 4 check dam as an example, the mean soil erosion modulus within the check dam control area was 4 472 t/(km2·a) before the check dam was built, but this decreased by 10% to 4 019 t/(km2·a) after the check dam was fully filled, thusin-situerosion reduction was significant and sediment retention occurred from check dam construction to full capacity; 3) runoff flow velocity fell significantly from 0.83 m/s before construction to 0.27 m/s after the check dam reached capacity, but runoff flow velocity on the outer slope of the check dam increased significantly, in particular, the maximum runoff flow velocity at the bottom reached 3.76 m/s; and 4) “off-site” erosion reduction of the check dam decreased once the check dam reached full capacity. [Conclusions] Based on the above changes observed under the extreme siltation conditions, the following prevention and control measures are proposed: 1) spillway-based flood discharge works should be established in the gully channels of all catchments to improve connectivity within a branch gully and between branch and main gullies, thereby increasing flood discharge capacity; 2) the planting of trees and grasses and creating terraced fields built with local conditions considered should be undertaken to enhance slope erosion control, reduce flood and sediment supply to the slope surface, dissipate water erosion energy on the slope surface, and lower the risk to dam farmland after full capacity is reached; and 3) catchwater drains and drainage ditches, as well as engineering and vegetation measures, should be implemented to help prevent and control dam and steep slope erosion and increase vegetation cover of the outer slopes of a dam body. The results of this study are intended to provide scientific evidence to help improve check dam construction in the Loess Plateau of China.

the Loess Plateau; check dam; change of runoff and sediment; off-site effect

2016-05-10

2017-02-09

項目名稱： 國家自然科學(xué)基金“黃土高原淤地壩對流域侵蝕過程調(diào)控機理研究”(41401305)；國家重點研發(fā)計劃“黃土高原生態(tài)、地貌多過程群體效應(yīng)模擬與驗證”(2016YFC0402406-ZT2)，“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)——水文過程響應(yīng)機理研究”(41330858)

高海東(1983—)，男，博士，講師。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:hdgao@xaut.edu.cn

S157.1

A

2096-2673(2017)02-0140-06

10.16843/j.sswc.2017.02.018