黃土丘陵第三副區典型淤地壩系結構特征分析

宇 濤, 李占斌,3, 陳怡婷, 袁水龍, 王 偉

(1.西安理工大學 旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室, 西安 710048;2.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 西安 710048;3.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業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

淤地壩作為黃土高原最主要的溝道治理措施，在黃土高原大量建設，截至2011年第一次全國水利普查，黃土高原仍有淤地壩5.6萬座，且大多數淤地壩已經形成了壩系[1]。淤地壩系是為了攔蓄溝道洪水和泥沙，改善小流域生態經濟環境，提高水土資源開發利用效果，在小流域各級溝道科學布設骨干壩、中、小型淤地壩，形成有機結合、功能協調、具有樹形結構的小流域溝道工程體系[2-3]。壩系規劃是指在防治水土流失的前提下，科學合理地布設淤地壩，使壩系的投資最少[4]。能夠讓單個淤地壩發揮最大的作用、并且形成具有防洪、攔泥、生產等綜合功能的淤地壩系統，是壩系規劃的重點內容，更是淤地壩建設運行和管理中首先要解決的問題[5]。目前針對淤地壩系規劃建設的研究已有大量報道，水利部黃河水利委會綏德水土保持試驗站于1983年，使用正交試驗分析法，探索小流域淤地壩壩系的建壩密度、建壩順序、骨干壩位置、建壩時間間隔及泄水建筑物結構組成等方面的優化設計方案[6]。部分學者在90年代以后利用非線性規劃等技術對壩高和建壩時間進行優化規劃研究[7-8]。劉志剛等[9]基于現有的黃土高原小流域基礎數據，運用“3S”技術、計算機圖形技術、數據庫技術、虛擬現實技術等，開發了小流域壩系規劃三維可視化決策支持系統。王丹等[10]選取黃土丘陵第一副區韭園溝壩系為研究對象，綜合考慮經濟、安全及效益等各方面因素，構建了淤地壩系布局評價系統。王丹等[11]對寧夏典型流域淤地壩的運行風險進行了綜合評價。目前關于淤地壩系的研究多處于淤地壩系的規劃設計階段，針對已建成壩系的研究還較少；且研究區大多處于黃土丘陵第一副區，針對黃土丘陵第三副區的研究鮮為報道，因此研究黃土丘陵第三副區典型淤地壩系結構特征具有重要意義。本研究通過對黃土丘陵第三副區車路溝壩系溝道特征、庫容分布特征、泥沙淤積及蓄水量分布特征總結，并對壩系的級聯方式進行解析，以及對把口站的水沙變化趨勢進行分析，闡明黃土丘陵第三副區典型淤地壩系的結構特征。研究成果以期為黃土高原淤地壩系建設管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

車路溝流域位于寧夏回族自治區西吉縣東部，流域距縣城約15 km。屬渭河水系一級支流葫蘆河的一級支溝，流域面積89.5 km2，相對高差339 m，為黃土丘陵溝壑第三副區。流域在平面上呈三角形，主要支溝有大坪和鷂子川兩條，主溝道平均比降為1/180。流域氣候屬于中溫帶半濕潤向半干旱過度類型，具有大陸性季風氣候，多年平均氣溫為4.9℃，最高氣溫32.6℃，最低氣溫-27.9℃。降雨量少，且時空分布不均，多年平均降雨量448 mm，最大降雨量667.6 mm，最小降雨量206.8 mm。年徑流模數3.5萬m3/km2，年侵蝕模數4 800 t/km2，水土流失面積78.3 km2，占流域總土地面積87.5%，溝道長度73.39 km，溝壑密度0.82 km/km2，強度侵蝕以上面積占水土流失面積46.61%[12]。水土流失以水蝕為主，兼有重力侵蝕。西吉車路溝壩系共有淤地壩44座，其中骨干壩10座，中型壩16座，小型壩18座。

圖1 西吉車路溝壩系布局

1.2 數據來源與分析

車路溝流域淤地壩資料來源于寧夏回族自治區水保局，主要包括淤地壩位置、建壩時間、總庫容、防洪庫容、淤積庫容、已淤積庫容和蓄水量等數據。夏寨水文站為車路溝流域的把口站，共收集到其1984—2004年、2007—2014年的日平均流量和含沙量數據，所涉及的流量、含沙量等的測量和試驗分析嚴格按照國際標準進行，數據來源于寧夏水文局[13]。根據水文監測的相關標準[14]，本研究以徑流深>0.05 mm，洪峰流量>0.1 m3/s，歷時超過150 min的汛期徑流事件為一次洪水事件[15]。流域的DEM數據來源于中國地理數據云，精度為30 m。主要通過軟件ArcGIS 10.1和Excel 2010對數據進行分析，溝道和子流域通過SWAT中的流域劃分(Watershed Delineator)工具進行提取，最小控制面積為0.1 km2，通過Mann-Kendall(M-K)檢驗對水沙變化趨勢進行分析。

2 結果與分析

2.1 車路溝流域溝道特征分析

根據美國地貌學家R. E. Horton和A. N. strahler提出的地貌幾何定量的數學模型分級方法[16]，對于小流域的分析類比較為科學，該方法強調在一個流域內最小的不可分枝的支溝屬于第一級水道，以此類推，直到全流域水道劃分完畢。通過全流域的溝道為最高級水道，也就是小流域的流域等級，這種方法顯著的特點是同級溝道侵蝕形態具有明顯的相似性。由表1可得，隨著溝道級別的提高，溝道平均面積增大，平均溝長增加，但溝道的平均比降減小。由于Ⅰ級溝道控制面積較小，但數量巨大，因此以建設小型壩為主；Ⅱ級溝道控制面積增大，溝道數量減少，以建設中型壩為主；Ⅲ級、Ⅳ級溝道控制面積進一步增大，區間來水來沙量巨大，因此以建設溝道骨干工程為主。

表1 車路溝溝道特征分析

2.2 淤地壩系分布特征分析

由表2可以看出，西吉車路溝壩系共有淤地壩44座，其中骨干壩10座，中型壩16座，小型壩18座。Ⅰ級溝道小型壩的數量最多，Ⅱ級溝道中型壩的數量最多，Ⅲ級和Ⅳ級溝道骨干壩的數量最多。隨著溝道級別的提高，骨干壩占比逐漸增大，中型壩和小型壩的占比逐漸減小，因此主溝道以骨干壩建設為主，同時修建部分中型壩和小型壩，支溝則以小型壩和中型壩建設為主。車路溝壩系Ⅰ級溝道小型壩的數量雖然最多，但中型壩的壩控面積最大，占Ⅰ級溝道壩控面積的59.40%；Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級溝中，骨干壩的壩控面積最大，中型壩次之，小型壩最小，因此壩系中骨干壩的數量雖然最少，但是在流域中起到控制性作用；隨著溝道級別的提高，骨干壩的壩控面積逐漸增大，中型壩和小型壩的壩控面積逐漸減小(表3)。

表2 車路溝壩系淤地壩分布特征統計

表3 車路溝壩控面積分布特征統計

2.3 淤地壩系設計庫容分布特征

西吉車路溝壩系總庫容1 453.21萬m3，其中骨干壩庫容1 011.68萬m3，占總庫容69.62%；中型壩庫容335.06萬m3，占總庫容23.06%；小型壩庫容106.47萬m3，占總庫容7.33%；Ⅰ級溝道中，中型壩庫容最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級別的提高，骨干壩的總庫容表現為逐漸增大，中型壩和小型壩的總庫容表現為逐漸減小(表4)。由圖2A可以看出，Ⅰ級溝道中，中型壩的設計防洪庫容最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩的設計防洪庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級別的提高，骨干壩的設計防洪庫容表現為逐漸增大；中型壩和小型壩逐漸減小。由圖2B可以看出，Ⅰ級溝道中，中型壩的設計淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩的設計淤積庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級別的提高，骨干壩的設計淤積庫容表現為逐漸增大；中型壩和小型壩的設計淤積庫容表現為先增大后減小。

表4 車路溝淤地壩總庫容分布特征統計

圖2 車路溝淤地壩系設計庫容分布特征

2.4 淤地壩系泥沙淤積和蓄水量分布特征

對車路溝淤地壩系泥沙淤積和蓄水量分布特征進行統計(圖3)。由圖3A可以看出，Ⅰ級溝道中，中型壩的已淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩的已淤積庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。骨干壩在Ⅱ級和Ⅲ級溝道中的已淤積庫容基本相等，而Ⅳ級的已淤積庫容幾乎是Ⅱ級和Ⅲ級溝道已淤積庫容的總和；中型壩和小型壩的已淤積庫容隨著溝道級別的提高，表現為先減小后增大。由圖3B可以看出，Ⅰ級和Ⅱ級溝道中，中型壩的蓄水量最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩的蓄水量最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級別的提高，骨干壩的蓄水量逐漸增大；中型壩和小型壩的蓄水量表現為先減小后增加。車路溝壩系總剩余淤積庫容265.04萬m3，其中骨干壩剩余淤積庫容244.67萬m3，占總剩余淤積庫容92.31%；中型壩剩余淤積庫容11.26萬m3，占總剩余淤積庫容4.25%；小型壩已淤積庫容9.11萬m3，占總剩余淤積庫容3.44%(表5)。車路溝壩系中型壩和小型壩的設計淤積庫容已經幾乎淤滿，而骨干壩還剩余較大的淤積庫容。Ⅰ級溝道中，中型壩的剩余淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩的剩余淤積庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。

圖3 車路溝淤地壩系泥沙淤積和蓄水量分布特征

表5 車路溝淤地壩剩余淤積庫容分布特征統計

2.5 淤地壩系級聯方式解析

根據車路溝壩系調查資料，結合小流域水系圖，對車路溝壩系結構進行解析，結果如圖4所示。車路溝壩系在總體上可劃分為4個壩系單元，分別為溝口壩系單元、王昭壩系單元、盤路灣壩系單元、前咀壩系單元。車路溝壩系框架布局中各單壩與壩系單元之間存在明確的控制或從屬關系，王昭壩系單元控制著盤路灣和前咀壩系單元，盤路灣壩系單元和前咀壩系單元互為并聯關系，王昭壩系單元處于上中游位置，其對洪水泥沙的攔截起著承上啟下的作用，通過攔截上游下泄的洪水來緩解干溝淤地壩的防洪壓力(圖4)。

對車路溝壩系單元關系特征統計可以看出，車路溝小流域壩系單元平均控制面積為29.85 km2，各壩系單元建壩數量在5～14座之間，每個壩系單元平均布壩11座，大、中、小型淤地壩配置比例為5∶8∶9；各壩系單元對洪水泥沙的控制關系表現為聯合攔蓄、互為補充、彼此協調，上游的壩系單元通過攔蓄洪水泥沙為下游干溝淤地壩減輕防洪壓力，壩系單元內部各中小型壩盡快淤積成地。車路溝壩系總庫容1 437萬m3，當前車路溝壩系攔泥量為220.82萬m3，占總庫容的15.37%，說明整個壩系淤地很少，還具有很大淤積潛力(表6)。

圖4 西吉車路溝域壩系單元控制關系框架

2.6 淤地壩系把口站水沙變化趨勢分析

夏寨水文站位于葫蘆河支流車路溝上，為車路溝流域的把口站。測站斷面與夏寨水庫都位于西吉縣城附近，控制流域面積89.5 km2，自1972年建站至今，主要觀測內容包括河道水位、流量、含沙量等。從寧夏水文局獲取了夏寨站1984—2004年、2007—2014年的次洪和含沙量資料，所涉及的流量、含沙量等的測量和試驗分析嚴格按照國際標準進行。Mann-Kendall(M-K)檢驗被廣泛應用于降水、徑流和水質等水文氣象序列的趨勢變化[17-18]。通過M-K檢驗對水沙數據進行趨勢變化分析，結果見表7。由表7可以看出，夏寨站的洪峰流量和最大含沙量呈減小趨勢，洪峰流量的突變點發生在2003年，最大含沙量的突變點發生在2004年，這可能與車路溝在2004年前后開始進行淤地壩建設有關。

表6 車路溝壩系單元關系特征

表7 車路溝壩系單元關系特征

3 結 論

(1) 車路溝流域隨著溝道級別的提高，溝道平均面積增大，平均溝長增加，平均比降減小。Ⅰ級溝道小型壩的數量最多，Ⅱ級溝道中型壩的數量最多，Ⅲ級和Ⅳ級溝道骨干壩的數量最多。Ⅰ級溝道小型壩的數量雖然最多，但中型壩的壩控面積最大，占Ⅰ級溝道壩控面積的59.40%；Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級溝中，骨干壩的壩控面積最大，中型壩次之，小型壩最小。

(2) 西吉車路溝壩系總庫容1 453.21萬m3，其中骨干壩庫容占總庫容69.62%，中型壩占總庫容23.06%；小型壩占總庫容7.33%；隨著溝道級別的提高，骨干壩的總庫容和設計防洪庫容表現為逐漸增大，中型壩和小型壩表現為逐漸減小；隨著溝道級別的提高，骨干壩的設計淤積庫容表現為逐漸增大；中型壩和小型壩表現為先增大后減小。

(3) 車路溝壩系中型壩和小型壩的設計淤積庫容已經幾乎淤滿，而骨干壩還剩余較大的淤積庫容。Ⅰ級溝道中，中型壩的剩余淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最小；其余各級溝道表現為，骨干壩的剩余淤積庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。

(4) 車路溝壩系框架布局中各單壩與壩系單元之間存在明確的控制或從屬關系，各壩系單元對洪水泥沙的調控表現為聯合攔蓄、互為補充、彼此協調；上游壩系單元通過攔蓄洪水泥沙為下游干溝淤地壩減輕防洪壓力，壩系單元內部各中小型壩盡快淤積成地。車路溝壩系總庫容1 437萬m3，當前車路溝壩系攔泥量為220.82萬m3，占總庫容的15.37%，仍具有很大淤地潛力；隨著車路溝淤地壩系的建設，流域把口站的水沙趨勢發生了明顯變化。