特大暴雨條件下小流域溝道的泥沙連通性及其影響因素
——以陜西省子洲縣為例

張意奉， 焦菊英,， 唐柄哲， 陳一先， 王 楠， 白雷超， 王顥霖

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌712100)

黃土高原作為黃河泥沙的主要來源地，其水土保持及其對黃河泥沙變化的影響一直是相關管理部門和學術界關心的熱點問題。自20世紀50年代以來，國家對黃土高原實施了一系列的水土流失治理。在實施大規(guī)模退耕還林(草)與淤地壩建設等一系列生態(tài)修復工程后，侵蝕環(huán)境明顯好轉，入黃泥沙顯著減少，黃河潼關水文站年均輸沙量已由20世紀70年代前的1.60×109t銳減到2000—2015年的2.57×108t，特別是2010—2015年平均僅為1.65×108t，已明顯改變了以往人們對黃河泥沙的認識，被認為控制到了人類活動影響之前的程度[1]。然而，在流域出口監(jiān)測的輸沙量是把整個流域內(nèi)部當作“黑箱”處理，很難解釋整個流域內(nèi)多重尺度上的土壤侵蝕過程與程度[2-3]。近期發(fā)展起來的泥沙連通性概念，指流域內(nèi)泥沙通過分離與輸移從源到匯的傳輸程度[4]，可刻畫流域侵蝕產(chǎn)沙與泥沙輸移過程及其時空變異特征[5]，彌補流域出口輸沙量信息的不足，而成為土壤侵蝕與泥沙輸移研究中的關鍵問題與研究的熱點[6]，被越來越多地引入基于過程的流域侵蝕產(chǎn)沙動態(tài)的研究[7-8]。

連通性及其相關概念最開始是地貌學家提出的[9]。連通性可分為景觀連通性、水文連通性和泥沙連通性，其中景觀連通性是指地貌之間的物理聯(lián)結，如坡面到溝道；水文連通性是指在徑流過程中，徑流中物質(zhì)、能量、有機質(zhì)以及徑流內(nèi)部元素之間的連接；泥沙連通性是指通過泥沙分離和泥沙輸移使泥沙從源到匯的運輸[10]。在泥沙連通性評價方面，泥沙輸移比(SDR)[11-12]等可用來反映流域的泥沙連通性；圖論也被用于泥沙連通性評價，反映泥沙路徑的網(wǎng)絡結構及上下單元的功能連通性[13]。目前，更多的研究借助GIS分析方法和預報模型，計算能夠反映土壤侵蝕和泥沙沉積潛力的區(qū)域及景觀單元間聯(lián)系的地貌學指標來評價泥沙連通性[14-15]。其中，Borselli等[16]基于地形特征，提出了坡溝到河流泥沙輸移的橫向連通性指數(shù)(IC)，可提供源與匯潛在的連接信息。在隨后的研究中，Cavalli等[17]在對該IC指數(shù)的坡度、泥沙貢獻面積及權重因子的計算方法進行了改進；Gay等人[18]通過引入反映景觀滲透和飽和特性的參數(shù)對IC指數(shù)進行了修正；Vigiak等[19]將IC指數(shù)與SDR結合起來評價泥沙連通性。另外，流域泥沙貢獻有效面積也被用來作為評價流域泥沙連通性的指標[6,20]。然而，基于地形的IC指數(shù)和流域泥沙貢獻有效面積只能表征流域潛在的泥沙連通性，不能反映流域泥沙連通性的實際狀況，而且目前針對連通性的實地觀測研究并不多[21]。在黃土高原，關于連通性的研究也剛剛起步，目前僅見于相關綜述性文獻[22]，以及少數(shù)相關研究，如基于人工降雨模擬試驗的坡面水文連通性[23]、Liu Yu等[6]采用流域泥沙貢獻有效面積和開關值(源和匯流路上的最小產(chǎn)沙量)評價黃土高原小流域的泥沙連通性。

溝谷縱橫是黃土高原的一大特點，溝道是徑流對地表產(chǎn)生沖刷、搬運形成的線性排水排沙渠道[24]，可將坡面徑流和泥沙有效輸移到溝道乃至河流[25]。黃土高原經(jīng)過多年的生態(tài)恢復及水土保持工作，在一般降雨條件下，坡面侵蝕已基本得到了控制，淤地壩也會出現(xiàn)無沙可淤的現(xiàn)象。但是，隨著近些年極端天氣的增加，暴雨條件下的土壤侵蝕及洪水危害依然嚴重。同時，黃土高原溝道受人為的干擾性也在增大，溝道的形態(tài)以及溝道內(nèi)泥沙的輸移過程也發(fā)生了改變。因而，溝道泥沙連通性及泥沙輸移過程也成為解釋河流泥沙變化原因的重要方面。為此，本文以陜西省子洲縣為例，調(diào)查與分析“7·26”特大暴雨后小流域溝道的泥沙連通性，研究大暴雨下小流域溝道泥沙的連通程度及影響因素，以期為黃河泥沙變化原因分析及溝道防洪措施的布設提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在陜西省子洲縣(東經(jīng)110.03°，北緯37.62°)境內(nèi)進行，研究區(qū)位于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，土質(zhì)疏松，多柱狀孔隙，粉粒含量占60%以上[26]。具有干旱少雨的大陸性氣候特征，據(jù)1971—2017年的實測資料可知，多年平均降雨量為434.4 mm，降雨季節(jié)比較集中，年降雨量的70%集中在6—9月，且多為強度大、歷時短的暴雨，實測最大降雨強度達3.5 mm/min；年平均溫度為9.5 ℃，年溫差比較大，最高溫度達41.1 ℃，最低氣溫至-25.7 ℃。霜凍期約為半年，風力最大9級以上[26]。由于該地區(qū)地形破碎，地勢陡峻，洪水具有陡漲陡落、歷時短的特點，水土流失十分嚴重。

本研究在子洲縣城的城西選擇了水庫潰壩的清水溝小流域，并以毀損程度較低的蛇家溝小流域為對比，流域面積分別為5.91 km2和4.72 km2，清水溝直接匯入到黃河中游無定河的一級支流大理河，而蛇家溝匯入大理河的一級支流岔巴溝流域。清水溝和蛇家溝的流域面積相近，但清水溝流域為扇形而蛇家溝流域為長條狀，且清水溝內(nèi)的淤地壩為并聯(lián)壩系而蛇家溝淤地壩為串聯(lián)壩系。此外，在清水溝出口修建有水庫，為子洲縣城的飲用水源地，總庫容3.70×105m3，在“7·26”暴雨中水庫發(fā)生潰壩，損失和危害嚴重。

1.2 “7.26”暴雨情況

2017年7月25—26日，黃土高原無定河中下游地區(qū)遭遇特大暴雨，降雨歷時8 h，無定河流域面平均降雨量為67.5 mm，其支流大理河流域面平均降雨量為139.0 mm，子洲縣雨量站降雨量為206.6 mm，其中最大1 h(26日1—2時)降雨量為52.0 mm[27-28]。同時，該次暴雨洪水流量和含沙量高，大理河綏德站洪峰流量達3 290 m3/s，最大含沙量達837 kg/m3，是1959年建站以來的最大洪水；小理河李家河最大含沙量為260 kg/m3，岔巴溝曹坪站為271 kg/m3[29]。子洲和綏德縣城受淹，水深可達3 m，泥沙大量淤積，淤積量約為1.40×107t[29]。

1.3 溝道淤積情況調(diào)查

依據(jù)壩地和自然溝道兩種類型，對清水溝和蛇家溝溝道的淤積情況進行實地觀測。對于壩地，根據(jù)壩地寬度和實際淤積情況確定觀測點位置，通過開挖挖槽，根據(jù)玉米氣根位置以及土壤分層情況確定并測量此次暴雨壩地內(nèi)泥沙淤積厚度；當壩地寬度≥50 m時，在壩寬的1/3和2/3的位置處取平行的兩排觀測點，求其平均值來計算其淤積厚度；當壩地寬度<50 m時，取一排觀測點。同時，在挖取土壤剖面位置處進行環(huán)刀取樣，當土壤有明顯分層時進行分層取樣用于計算各淤地壩淤積層次的容重。對于自然溝道，依據(jù)植被狀況判斷草本植物是否有倒伏(泥沙輸移通過)、掛淤(泥沙有沉積)以及溝道內(nèi)是否有沖淤的痕跡來判別溝道泥沙的輸移與淤積情況。

將自然溝道和壩地溝道進行分段處理(圖1)，便于細化流域內(nèi)溝道的具體情況。在Google Earth將遙感影像與野外調(diào)查記錄對照，同時選擇3個地表幾何形態(tài)特征指標包括流域面積、流域形狀系數(shù)和溝道比降，以及淤地壩的類型與分布，來分析對溝道的泥沙連通性的影響。

圖1 蛇家溝和清水溝的溝道分段

1.4 流域及溝道形態(tài)指標的提取

流域面積、流域形狀系數(shù)、以及溝道比降常用來描述流域及溝道的形態(tài)特征。基于相同的降雨，流域面積越大，上游的來水量越多，洪水過程會相對較為平緩；流域面積越小，來水量越小，如遇短時間暴雨常容易形成陡漲陡落的洪水過程[30]。通常用流域形狀系數(shù)表示流域形狀特征，流域形狀系數(shù)的值越接近1，流域形狀近于圓形，匯流速度快，洪峰流量出現(xiàn)時間早，流域易形成大洪水；流域形狀系數(shù)值距1越大，流域形狀越趨向于狹長，等流時線短，徑流變化平緩，流量變小，延長峰現(xiàn)時間[30]。溝道比降是影響溝道中水流流速的主要因子，比降越大，則溝道中的流速越大，動能越大，易產(chǎn)生更大的洪峰流量[30]。可見，流域面積表征著泥沙侵蝕和淤積發(fā)生的區(qū)域范圍；流域形狀系數(shù)反映了降雨等流時線以及匯流洪峰值出現(xiàn)，影響著泥沙沖淤的位置；溝道比降控制著徑流的流速以及作用力，影響著泥沙輸移量與泥沙沖淤位置；淤地壩的分布影響著泥沙連通性以及對洪水的防御能力。

通過在Google Earth中對清水溝和蛇家溝流域以及分段溝道勾繪，利用Google Earth提取流域和分段區(qū)域面積。同時，利用Google Earth的高程剖面功能，獲取蛇家溝流域主溝道和清水溝流域兩個支溝的溝頭到溝口的高程和水平距離，然后采用高度/水平距離，計算得到比降。形狀系數(shù)為流域分水線的實際長度與流域同面積圓周長之比[30]，公式如下：

Ke=L/C

式中：Ke——流域形狀系數(shù)；L——流域分水線長度(km)；C——同面積圓周長(km)。

1.5 淤地壩的分布與類型

淤地壩對溝道泥沙的輸移起到阻礙作用，但是淤地壩的類型與分布情況會影響其對溝道泥沙的阻攔作用。淤地壩根據(jù)其放水建筑物的類型可以分為一大件(只有壩體，也稱悶葫蘆壩)、兩大件(壩體與豎井或臥管；或壩體與溢洪道)和三大件(壩體、豎井或臥管與溢洪道)。依據(jù)淤地壩在小流域溝道中的分布位置，可劃分為串聯(lián)壩系、并聯(lián)壩系和混聯(lián)壩系。本研究中，清水溝為并聯(lián)壩系，而在蛇家溝為串聯(lián)壩系(表1)。

表1 陜西省子州縣蛇家溝和清水溝淤地壩的基本情況

1.6 泥沙連通性強弱判別

泥沙連通性的強弱可通過溝道中的泥沙沖淤情況來反映。在子洲縣“7·26”暴雨條件下，溝道中沖淤出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象就是淤地壩存在不同程度的損毀、溝道植被被泥沙淹沒、溝道沖刷和淤積痕跡。因此，選用淤地壩壩體損毀及壩地攔沙狀況、溝道植被倒伏現(xiàn)象以及溝道沖刷和淤積痕跡來對泥沙連通性強弱進行判定(表2)。

表2 泥沙連通性強弱判別依據(jù)

2 結果與分析

2.1 溝道泥沙的連通性

將蛇家溝和清水溝這兩個小流域按照自然溝道和壩地溝道進行劃分，得到的劃分結果為蛇家溝自然溝道長度占44.5%，而清水溝中自然溝道長度占62.9%(圖3)。在蛇家溝，靠近溝頭的壩地溝道居多且壩體損毀嚴重(溝段Ⅰ)，在中游和下游則是壩地溝道與自然溝段交替(溝段Ⅱ和溝段Ⅲ)。同時，上游溝道淤地壩的壩體損毀嚴重、自然溝道中的植被大多被泥沙覆蓋且溝道內(nèi)有被沖開的溝渠；在中游，淤地壩的壩體完好而放水建筑物損毀、自然溝道存在被沖刷溝渠且植被倒伏現(xiàn)象明顯；在下游，淤地壩和自然溝道幾乎沒有損毀。因此，蛇家溝的泥沙連通性則是上游的泥沙連通強，中游呈現(xiàn)中等連通性，下游泥沙連通性減弱。

圖2 蛇家溝和清水溝局部溝道連通強弱情況

在清水溝，左側溝頭為自然溝段(溝段Ⅰ)，在左側中游部位(溝段Ⅲ)壩地溝道僅占6.7%，右側溝頭自然溝道和壩地溝道交替(溝段Ⅱ)，而在右側中游部位(溝段Ⅳ)為自然溝道；左右兩側支溝匯入主溝后(溝段Ⅴ)都為自然溝道。左右兩側溝頭的自然溝道基本是淤積狀況，沒有沖刷痕跡；而在左側中游淤地壩的壩體垮塌且自然溝道內(nèi)玉米被泥沙淹沒；同時，主溝道出現(xiàn)多條被沖刷的溝渠。因此，在左右兩側溝頭(溝段Ⅰ和溝段Ⅱ)泥沙連通性較弱，左側中游溝道泥沙連通性呈現(xiàn)中等狀態(tài)，匯入主溝(溝段Ⅳ和溝段Ⅴ)后泥沙連通性增強。

圖3 自然溝道與壩地溝道長度比例

2.2 淤地壩的類型與分布對泥沙連通性的影響

淤地壩具有攔泥防洪作用，在溝道中淤地壩是連通性的開關點，并且在一般降雨條件下淤地壩為關閉狀態(tài)，但是在“7·26”暴雨中，淤地壩大部分呈現(xiàn)打開狀態(tài)，泥沙連通性增大。

蛇家溝的淤地壩為串聯(lián)壩系，從上游到下游淤地壩對溝道中泥沙的輸移起著阻礙作用。蛇家溝溝道3—8號淤地壩壩地的淤積總量從33.57～226 397.85 t，從3—8號淤地壩沿溝道泥沙淤積總量以102的倍率逐漸增大。在此次暴雨中1—4號淤地壩壩體都被沖毀，泥沙便從毀壞的壩體之間輸送；5號淤地壩僅是在臥管的地方被掏蝕出1.8 m×1.5 m的洞穴，泥沙從洞穴連通；6，7和8號淤地壩壩體完好，泥沙只是通過臥管連通(表3)。

清水溝的淤地壩為并聯(lián)壩系，泥沙在壩地淤積總量為299.61～76 094 t，1和2號淤地壩壩體完好，豎井處被沖毀，泥沙通過損毀的豎井進行連通；左側支溝(溝段Ⅲ)內(nèi)的3和4號壩地內(nèi)淤滿，泥沙漫過壩體并通過排水溝進行連通，5號淤地壩壩體沒有垮塌，但是在豎井處的壩體被掏蝕1.5 m×1.8 m的洞穴，泥沙通過洞穴來連通；流域出口的水庫潰壩，沙泄入大理河(表4)。

表3 蛇家溝溝道壩地的淤積量

表4 清水溝溝道壩地的淤積量

2.3 流域與溝道形態(tài)特征對泥沙連通性的影響

2.3.1 流域形狀系數(shù) 清水溝和蛇家溝兩個小流域面積大小相似，而清水溝的流域形狀系數(shù)為0.57，蛇家溝的流域形狀系數(shù)為1.55，很明顯清水溝形狀呈扇形，蛇家溝形狀呈長條形。

從圖4可以看出，蛇家溝各壩控流域的形狀流域系數(shù)比清水溝各壩控流域的值要大，且蛇家溝從上游到下游淤地壩控制流域的形狀系數(shù)整體呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，也就說明從上游到下游達到淤地壩洪峰流量出現(xiàn)有延遲的趨勢，洪水量和匯流域速度都小，同時洪水對淤地壩的損毀程度也就逐漸降低，而且蛇家溝上游淤地壩壩體損毀，中游和下游淤地壩壩體完好，淤地壩攔沙量大。

清水溝各淤地壩控制流域的形狀系數(shù)值都趨近于1，洪水流量集中，匯流速度快，由于淤地壩來不及泄洪而受到的沖擊力較大，所以淤地壩壩體損毀較多，集中下泄使得下游水庫發(fā)生潰壩現(xiàn)象，清水溝泥沙連通性從上游到下游也呈現(xiàn)增強趨勢。

注：d1—5代表清水溝1—5號淤地壩控制流域的形狀系數(shù)； d1—8代表蛇家溝1—8號淤地壩控制流域的形狀系數(shù)。

圖4蛇家溝和清水溝淤地壩控制流域的形狀系數(shù)

2.3.2 溝道比降 通過圖5a可以發(fā)現(xiàn)清水溝溝道的整體比降大于蛇家溝溝道比降，并且清水溝整體比降為5.05%，蛇家溝整體比降為3.70%，清水溝的溝道比降比蛇家溝比降高出1.35%，說明清水溝泥沙在溝道中輸送的速度較快，水流動能大、挾沙能力較強，也使得泥沙連通性較強，而蛇家溝運輸泥沙的水流動能相對較小，泥沙在輸送過程中泥沙易沉積；由于清水溝溝道中洪水流速大，動能大，在到達下游水庫時，水庫不足以承受上游匯流來的洪水，這也是成為造成水庫潰壩的原因之一。

按照從上游到下游排序，通過比較蛇家溝和清水溝的自然溝道和壩地溝道比降(圖5b)以及蛇家溝和清水溝壩地溝道與其淤地壩對應下游的自然溝道比降(圖5c)，結果發(fā)現(xiàn)蛇家溝壩地溝道比降與清水溝壩地溝道比降相差較小，但是蛇家溝自然溝道比降卻小于清水溝自然溝道比降。蛇家溝自然溝道比降幾乎都小于壩地溝道比降，并且蛇家溝壩地溝道比降最大值大于20%，自然溝道比降最大值小于10%，同時壩地溝道比降較大的位置出現(xiàn)在溝頭，這也就是蛇家溝溝頭淤地壩損毀嚴重，泥沙連通性強的原因之一。清水溝自然溝道比降與壩地溝道比降相差較小，尤其是位于溝頭的自然溝道比降小于壩地溝道比降，并且清水溝壩地溝道比降最大值達33%，自然溝道比降最大值小于20%。

注：從左到右代表小流域從上游到下游。圖5 蛇家溝和清水溝壩地溝道和自然溝道比降

3 討 論

在此次暴雨下，小流域溝道泥沙呈現(xiàn)出不同程度的連通狀態(tài)，淤地壩類型與分布，以及流域面積、溝道比降和流域形狀系數(shù)均影響著溝道泥沙連通性，由于淤地壩損毀嚴重且大部分呈現(xiàn)打開狀態(tài)，在此次暴雨條件下淤地壩類型及分布是影響溝道泥沙連通性的主導因子。

在小流域尺度上，不同壩系級聯(lián)方式在調(diào)節(jié)流域洪水過程中發(fā)揮不同的作用[31]。有研究也表明在20世紀70—80年代，流域內(nèi)潰壩的主要原因是沒有形成完整的壩系[32-33]，而且不同壩系布置類型的穩(wěn)定性表現(xiàn)為：混聯(lián)壩系>串聯(lián)壩系>并聯(lián)壩系[31]。本文通過對比串聯(lián)壩系和并聯(lián)壩系小流域溝道的泥沙連通性，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)壩系能夠對暴雨條件下洪水的沖擊層層攔截，在防洪過程中淤地壩雖然有損毀，但是由于逐級攔截，最終蛇家溝中下游淤地壩損毀程度小且泥沙連通性減弱；而并聯(lián)壩系沒有逐級防洪的效果，因此會導致清水溝下游出口處的水庫潰壩且泥沙連通性增大。

對于淤地壩來說，不同結構配套形式對防洪攔沙也發(fā)揮著不同作用。淤地壩三大件和兩大件配套方式抵抗洪水毀壞的能力大于一大件[32]。悶葫蘆壩對上游來水來沙幾乎是全部攔蓄，倘若沒有發(fā)生潰壩洪水泥沙基本無法連通，但是當遇到暴雨，無排水設施，極易被洪水破壞，如蛇家溝1—4號淤地壩為“悶葫蘆壩”壩體全部垮塌，泥沙連通性變強；2013年延河流域沖毀的淤地壩也大多是“悶葫蘆壩”壩體垮塌[34-35]。設有臥管和豎井的淤地壩，洪水泥沙通過放水建筑物排出，但是當超過放水建筑物的排洪設計標準后或排水口排水不暢時，放水建筑物不足以排出洪水，就會使得豎井和臥管損毀，如清水溝1，2號淤地壩；而此次暴雨中王茂溝淤地壩垮壩大多是放水建筑物和漫頂潰壩[45]。設有溢洪道的淤地壩，洪水會通過溢洪道排出，如岔巴溝陽燕溝淤地壩，在此次暴雨中壩體完好；如果排水閘沒有及時打開，就會發(fā)生潰壩，如清水溝水庫。

同時，壩控流域面積、壩地溝道比降以及壩控流域形狀系數(shù)對淤地壩安全都有影響，通過上述研究發(fā)現(xiàn)淤地壩的控制流域面積越大且其放水建筑物修建完善，淤地壩被損毀程度越輕；淤地壩所在溝道的比降若大于9.5%則不適合修建壩高>10 m的淤地壩[36]。同時從表1也可看出，壩體垮塌淤地壩的壩地溝道比降都大于豎井和臥管毀壞淤地壩的壩地溝道比降；同時淤地壩控制流域形狀系數(shù)越大則增大匯水時間，減弱匯流速度為洪水下泄提供了時間，使得洪水對壩體的沖擊力減小。

綜上所述，為了讓淤地壩能更好的發(fā)揮作用，使得泥沙不出溝，流域溝道淤地壩修建應為串聯(lián)壩系甚至混聯(lián)壩系，這樣有利于淤地壩對洪水泥沙的層層阻擋，減弱泥沙連通性。盡量修建設有臥管或豎井以及溢洪道的淤地壩，保證防洪蓄水安全；改善淤地壩排水泄洪管理機制，確保排水建筑物的暢通，保證淤地壩與水庫安全。修建單壩選址要避免溝道比降較大的位置以及壩控流域形狀系數(shù)接近1的溝道，這樣可以減小上游來水對淤地壩的沖擊作用，增加淤地壩的安全性。同時淤地壩是小流域泥沙連通性的決定性因素，增加淤地壩安全也可以降低泥沙連通性，有效地控制泥沙的輸送。

4 結 論

特大暴雨條件下，泥沙連通性的影響因素也發(fā)生了改變，淤地壩將作為主要的連通性阻礙點，淤地壩的類型以及壩系級聯(lián)方式對聯(lián)通性起主導作用。

(1) 流域形狀、流域面積和溝道比降均影響著溝道泥沙連通性，而淤地壩類型及分布是影響溝道泥沙連通性的主導因子。

(2) 從單壩角度來說，淤地壩應修建于溝道比降較小且壩控流域形狀系數(shù)遠離1的位置，同時，淤地壩盡量修建有放水建筑物和溢洪道，尤其是靠近溝頭位置的淤地壩，以保障淤地壩的安全運行；從小流域壩系角度看，串聯(lián)和混聯(lián)壩系的淤地壩防洪能力更強。

(3) 加強對淤地壩的管理，保證在暴雨情況下放水建筑物和溢洪道的暢通非常重要。