泥沙淤積對中小型水庫影響的評估

杭天飛，厲 凱，徐解剛，張 聞，王 盼

(1.揚(yáng)州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.宜興市湖 鎮(zhèn)水利站，江蘇 宜興 214200)

水庫泥沙淤積是太湖流域大多數(shù)水庫的共同問題?？紤]到高淤積率，小型水庫的使用壽命比中型和大型水庫短得多。大型、中型和小型水庫的年平均蓄水量損失分別為0.25%、0.50%和3.00%。孫和平[1]從河流動力學(xué)角度分析了小型水庫淤積的物理成因，探討了小型水庫入庫泥沙量的估算方法。陳懇[2]借助地形處理Arcgis技術(shù)和水工數(shù)理模擬MIKE21HM計算技術(shù)，對水庫泥沙淤積的二維數(shù)值模擬課題開展專題計算分析，探究庫區(qū)泥沙基本淤積形態(tài)和入庫總量，揭示庫區(qū)入流泥沙運(yùn)動規(guī)律和不同粒度懸沙的庫區(qū)分布狀態(tài)。

本文應(yīng)用RUSLE模型并推導(dǎo)其參數(shù)來估計太湖流域油車水庫的產(chǎn)沙量。該模型側(cè)重于空間變異性，有助于估計土壤流失和跨土地單元的泥沙流動的空間格局。還可以將每個季節(jié)的臨界降雨強(qiáng)度納入其中，以確定分水嶺或土地單元的最大季節(jié)性侵蝕潛力。

1 研究區(qū)概況

宜興市地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲地區(qū)，位于江、浙、皖三省結(jié)合部，隸屬江蘇省無錫市，其南部和西南部分別與浙江省長興縣、安徽省廣德市毗鄰，西鄰常州市溧陽市，北接常州市金壇區(qū)和武進(jìn)區(qū)，位于北緯31°07′～31°37′、東經(jīng)119°31′～120°03′，2009年全市總面積為1996.60 km2(其中太湖水面積為242.30 km2)。

洑西河位于江蘇省宜興市南部山區(qū)湖父鎮(zhèn)，屬太湖流域的蠡河水系。洑西河自上游東省莊水庫(1973年竣工，集水面積3.20 km2，總庫容14.3萬m3)，向東流經(jīng)崗下、城澤、廟干、油車、西街等村后匯入湖父大河，是宜興市南部山區(qū)一條重要的排水河道，全長約15 km，匯水面積82.37 km2。河道沿線保護(hù)人口20.63萬人，保護(hù)農(nóng)田0.64萬hm2。

油車水庫，為中型水庫，集水面積41.54 km2，總庫容3324.0萬m3，壩址位于洑西河中段油車村附近，壩址以上主河長11.58 km，坡降13.5‰。油車水庫建成后，將滯蓄水庫以上洑西河20 a一遇以下洪水，部分?jǐn)r蓄100 a一遇以下的洪水，使水庫下泄流量控制在108 m3/s以下，即使遇到100～2000 a一遇的大洪水，水庫下泄流量也不超過417 m3/s，大大削減了洑西河上游匯流直下的洪峰流量，顯著提高了油車水庫壩下洑西河兩岸的防洪安全度。

2 研究方法

2.1 RUSLE模型

本模型研究是基于修正通用土壤流失方程(RUSLE)模型進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)測。RUSLE模型是在通用土壤流失方程USLE基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在RUSLE中，五個主要因素降雨模式、土壤類型、地形、作物系統(tǒng)和水土保持措施，可通過公式(1)計算預(yù)期年平均侵蝕量：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為估算的土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長和坡度因子；C為作物覆蓋與管理因子；P為水土保持因子。

這些因素解釋了流域的沉積過程，流域的沉積過程與流域地形、沉積物來源、輸沙系統(tǒng)、侵蝕物質(zhì)結(jié)構(gòu)、土地覆蓋等有關(guān)。在每個大壩以及每個向各自大壩排水的子流域，使用RUSLE計算產(chǎn)沙量的變量和因素都由各種地形、流域和水文數(shù)據(jù)來源計算和評估。降雨侵蝕力因子R與降雨的動能和強(qiáng)度有關(guān)，它反映了降雨的侵蝕率。土壤可蝕性因子K除考慮降雨可蝕性外，還考慮土壤的抗侵蝕能力。土壤可蝕性是單位區(qū)域上的土壤損失率。高砂質(zhì)和高黏粒含量土壤的K值較低，高粉質(zhì)含量土壤的K值較高。水土保持因子P給出了某一水土保持措施與上坡、下坡耕作預(yù)期土壤流失的比率，通常由經(jīng)驗(yàn)方程得出。

2.2 淤積強(qiáng)度

淤積強(qiáng)度Si主要受輸沙率的影響，尤其受水庫集水區(qū)侵蝕過程強(qiáng)度的影響。淤積強(qiáng)度通常被定義為在一段特定時間內(nèi)，水庫中滯留的泥沙量[3]，如圖1。將淤積強(qiáng)度Si定義為水庫原始容量與流入水庫的年平均泥沙量之比。淤積強(qiáng)度Si主要取決于區(qū)域水文條件和排水系統(tǒng)的輸沙能力。

圖1 SA與Si的回歸相關(guān)性

圖1為平均年淤積率SA和流入水庫的平均年泥沙量(以淤積強(qiáng)度Si表示)之間的關(guān)系。水庫半衰期(HLT)也可以表示為含沙量和庫容流入比(C/I)的函數(shù)，如圖2。

圖2 水庫半衰期(HLT)與含沙量和庫容流入比(C/I)關(guān)系

3 結(jié)果和討論

通過計算得出了油車水庫RUSLE參數(shù)的計算結(jié)果。從實(shí)地勘察取樣的土壤樣品估算的K值在0.31～0.42之間。影響K的物理、化學(xué)和礦物學(xué)土壤性質(zhì)及其相互作用是多種多樣的。此外，幾種侵蝕機(jī)制同時起作用，每一種機(jī)制都與特定的土壤屬性有關(guān)。相對較少的土壤特征不可能準(zhǔn)確地描述每個土壤的K值，因此很難確定K值。K的季節(jié)變化主要與土壤質(zhì)地和土壤水分兩個因素有關(guān)。表1總結(jié)了油車水庫的R、K因子。

表1 計算結(jié)果匯總

此外，還計算了輸沙率SDR，是土壤侵蝕的一部分，在到達(dá)其出口之前在流域內(nèi)沉積。產(chǎn)沙率與地表總侵蝕率的比值稱為輸沙率。在GIS下，如果Sj是流域第j個單元內(nèi)產(chǎn)生的土壤侵蝕量，使用RUSLE方程(1)估算，則流域產(chǎn)沙量Sy可由公式(2)得：

(2)

式中：n為流域上的總單元數(shù)；SDR為最終到達(dá)最近SE的比例。每個單元的SDR值假設(shè)為統(tǒng)一，輸沙率的計算公式(3)為：

SDR= 0.627×(SLP)0.403

(3)

式中：SLP為輸沙率。表2給出了油車水庫的輸沙率。

表2 輸沙率計算

4 結(jié) 論

油車水庫的輸沙率約為62.24%，這主要是由壩址所處位置的地形地貌決定。根據(jù)計算結(jié)果，可以預(yù)測太湖流域的土壤流失率。本文所介紹的計算方法和結(jié)果可作為中小型水庫計算輸沙率和淤積強(qiáng)度等特征值的參考。正確估算中小型水庫泥沙淤積量，對合理規(guī)劃水庫的興利庫容、防洪庫容具有重要的意義，且對流域水土保持治理及水資源分析計算具有一定的參考價值。

對于水庫淤積泥沙的治理問題，控制泥沙來源是解決泥沙淤積的根本措施。對于中小型水庫而言，流域面積通常不大，可以通過與治山造田等農(nóng)業(yè)措施結(jié)合起來實(shí)施。