岔巴溝流域不同淤積狀態下淤地壩淤積深度研究

馬 力, 張秋芬, 倪用鑫, 李 勉, 呂錫芝

(1.黃河水利科學研究院, 鄭州 450003; 2.河南省黃河流域生態環境保護與修復重點實驗室, 鄭州 450003)

目前，黃土高原地區水土保持作用有明顯提高，但遭遇特大暴雨時仍會形成高含沙大洪水，引發重大災情，嚴重威脅著下游人民的生活和生產安全[1]。淤地壩具備高效的保持水土、蓄水攔沙功能，在黃土高原地區分布廣泛[2]，在暴雨洪水過程中，淤地壩具有明顯的削峰和滯洪作用[3]。淤地壩在攔蓄泥沙的同時，也賦存了大量的侵蝕產沙信息，了解淤地壩泥沙沉積特征是壩地泥沙輸移過程及規律研究的基礎和前提[4-6]。許多學者利用壩地泥沙養分[5]、粒徑[6]、干容重[7]、核素示蹤等[8]指標方法分析淤地壩沉積泥沙信息，研究流域暴雨洪水侵蝕量、侵蝕產沙速率、沉積泥沙來源等[9-14]。淤地壩通常由壩體，排水設施或溢洪道構成，泥沙呈動態淤積狀態，較難量測和計算，而悶葫蘆壩由于無排水排沙出口，能夠很好地揭示壩地的泥沙淤積深度和泥沙來源情況，是大部分學者關注的重點。相比之下，針對其他類型淤地壩泥沙淤積深度的研究則相對薄弱。然而通常情況下，流域內淤地壩類型分布多樣，悶葫蘆壩數量占比較少，單憑悶葫蘆壩的研究結果難以準確反映小流域整體侵蝕產沙狀態，分析不同淤積狀態下的淤地壩淤積深度，有利于從多角度反映流域洪水過程泥沙輸移狀態，從而進一步揭示降雨對流域侵蝕的作用機理。因此，本研究以2017年“7·26”暴雨中心區域岔巴溝小流域為研究對象，通過對不同淤積狀態下淤地壩內不同斷面位置次洪水泥沙沉積層的量測，研究了次洪水條件下壩地泥沙沉積層淤積深度特征，為淤地壩泥沙沉積和輸移過程的研究提供理論支撐。

1 研究區概況

岔巴溝(位于東經109°47′，北緯37°31′)是大理河流域的一級支流、無定河流域二級支流，屬于黃土丘陵溝壑區，流域面積205 km2，溝道長26.5 km，流域平均寬度7.22 km，溝道密度1.05 km/km2，流域出口水文站為曹坪水文站，控制流域面積為187 km2。2017年7月25日20時—26日8時，陜北榆林地區無定河流域發生特大暴雨洪水，暴雨中心降雨量達252.3 mm。本研究調查了暴雨中心岔巴溝流域的大、中、小型淤地壩共148座(其中骨干壩31座，中型壩65座，小型壩52座)，選取有明顯淤積的淤地壩38座，根據壩體排水排沙狀態和是否具備放水工程等條件，將淤地壩分為4類：(1) 淤滿壩(3座)。在暴雨洪水前已淤滿，即超過攔泥庫容的淤地壩；(2) 水毀壩(7座)。暴雨洪水過程中被侵蝕而產生垮塌或形成鉆水洞的淤地壩；(3) 完好壩(19座)。工程完好，有放水設施(溢洪道、豎井等)且未被堵塞的淤地壩；(4) 堵塞壩(9座)。工程完好，無排水設施，或排水設施在洪水前被堵塞的淤地壩。淤地壩具體現狀及分布情況見圖1和圖2。

圖1 岔巴溝流域淤地壩類型分布

圖2 不同淤積狀態淤地壩示意圖

2 研究方法與數據來源

2.1 泥沙淤積體積及壩地面積計算

采用野外調查定位與衛星影像觀測相結合，對流域內淤地壩分布進行排查并編號(壩號)。根據淤地壩內地形及匯水情況，分別對壩地主溝、支溝設置若干淤積斷面，采用激光測距儀測量并記錄斷面長度，分區塊計算壩地淤積面積(區塊合并后的面積稱為壩地面積)。每個斷面人工開挖3個探坑，將暴雨洪水形成的沉積旋回深度作為“7·26”洪水形成的泥沙沉積厚度。淤地壩的泥沙淤積體積V計算公式為：

(1)

(2)

式中:Si為所調查淤地壩壩地相鄰兩個斷面之間的淤積面積(m2);hi為第i個斷面的平均淤積厚度(m);n為斷面個數;rj為第j個探坑的淤積厚度(m)。

壩地面積與流域壩控面積之比(以下簡稱B值)的計算公式為：

B=b/S

(3)

式中:b為淤地壩單壩的壩地面積;S為淤地壩單壩的壩控流域面積。

2.2 攔沙模數計算

將淤地壩壩址的GPS地理坐標轉換到具有大地坐標系的地圖上，利用ArcMap空間分析工具，將壩址作為傾瀉點，計算出壩控流域面積。將每座淤地壩泥沙淤積量平攤到該淤地壩的壩控面積上，得到單壩攔沙模數[15]。計算公式為：

MY=1.30Y/A

(4)

式中:MY為單壩攔沙模數(t/km2);Y為淤積體積(m3);A為壩控面積(km2);1.30為土壤容重(g/cm3)。

2.3 雨強數據

降雨數據來源于《中華人民共和國水文年鑒》[16]，其中岔巴溝流域包含12個雨量站和1個水文站，最小降雨時段數據為2 h，壩控流域雨強根據雨量站2 h最大降雨量，利用GIS空間分析工具進行反距離加權插值計算獲得。

3 結果與分析

3.1 壩地淤積深度對比關系

岔巴溝流域不同淤積狀態下淤地壩壩地淤積深度差異較為明顯(圖3)。單壩最大淤積深度范圍0.15～2.00 m，平均淤積深度范圍0.11～1.46 m，其中淤滿壩、水毀壩、完好壩、堵塞壩的最大淤積深度范圍分別為0.15～0.22 m，0.50～1.00 m，0.28～1.15 m，0.80～2.00 m，平均淤積深度范圍分別為0.11～0.21 m，0.16～0.83 m，0.19～0.79 m，0.22～1.46 m；除淤滿壩外，不同淤積狀態下的壩地最大及平均淤積深度差異顯著，其中完好壩的最大淤積深度最大值是最小值的4.11倍，堵塞壩的平均淤積深度最大值是最小值的6.64倍；不同淤積類狀態下最大淤積深度均值和平均淤積深度均值由高到低分別為：堵塞壩(1.07 m，0.62 m)>水毀壩(0.72 m，0.53 m)>完好壩(0.70 m，0.45 m)>淤滿壩(0.19 m，0.15 m)，堵塞壩壩地淤積深度普遍高于其他淤積狀態淤地壩；不同淤積狀態壩地最大淤積深度均值與平均淤積深度均值相差幅度為堵塞壩(72.58%)>完好壩(55.56%)>水毀壩(35.85%)>淤滿壩(26.67%)，堵塞壩和完好壩的最大淤積深度均值與平均淤積深度均值相差幅度明顯高于水毀壩和淤滿壩。

圖3 不同淤積狀態淤地壩淤積深度

3.2 壩地淤積深度與雨強關系

不同淤積狀態下淤地壩淤積深度與雨強關系表現有所差異(圖4)。單壩壩控流域場次2 h最大降雨量范圍50.65～85.84 mm，多壩平均為64.17 mm。不同淤積狀態淤地壩中，淤滿壩淤積深度變化不大，其他3種淤積狀態壩地淤積深度與降雨強度關系表現為：堵塞壩、水毀壩和完好壩的壩地淤積深度與降雨強度相關性擬合均不明顯。

圖4 壩地平均淤積深度和最大雨強關系

3.3 壩地淤積深度與B值關系

首先對不同淤積狀態壩地平均淤積深度分別與壩地面積、壩控流域面積相關性擬合分析，結果均不明顯；之后對壩地平均淤積深度與B值相關性擬合分析，淤地壩的B值范圍為0.28%～5.28%，單壩均值為2.09%，不同淤積狀態壩地平均淤積深度與B值大體呈相反趨勢(圖5)。由于淤滿壩淤積深度變化不大，其他3種淤積狀態壩地淤積深度與B值關系表現為：堵塞壩和水毀壩壩地淤積深度與B值呈負指數相關，相關指數分別為0.73，0.71，壩地平均淤積深度隨著淤地壩的B值減小而升高。完好壩的壩地淤積深度與B值相關性擬合不明顯。

圖5 壩地平均淤積深度與B值關系

3.4 攔沙模數分布

岔巴溝流域不同淤積狀態下淤地壩攔沙模數差異較大(圖6)，其中最大模數在30 000 t/km2以上，最小僅為986 t/km2。分段統計顯示，攔沙模數為5 000 t/km2以下的淤地壩有9座，5 000～10 000 t/km2的淤地壩有6座，10 000～20 000 t/km2的淤地壩有15座，20 000 t/km2以上的淤地壩有8座。不同淤積狀態淤地壩平均攔沙模數由大到小依次為：堵塞壩(14 274 t/km2)>完好壩(12 480 t/km2)>水毀壩(11 725 t/km2)>淤滿壩(3 350 t/km2)。

圖6 單壩壩控流域攔沙模數分布

4 討 論

4.1 壩地攔沙作用分析

黃土丘陵溝壑區溝道輸送泥沙的能力特別強，溝道中修建淤地壩后，有巨大的攔沙效果，當出現暴雨洪水時，水流可直抵壩前，受壩體的攔阻其挾帶的泥沙將沉積在庫內，使溝道很快淤成平地，淤地壩一定程度上是高含沙水流作用的產物[17]。有研究表明，淤地壩攔沙功能的實現主要依靠庫容，淤地壩攔沙量一般大于或等于相應的入黃泥沙減少量[18-19]。本研究發現，暴雨洪水過程中，由于能夠對大部分洪水泥沙進行攔截，堵塞壩淤積深度均值最高，攔水攔沙能力最為顯著；在壩體潰決前，水毀壩排水不暢，淤積狀態與堵塞壩相似，隨著洪水過程加劇，壩體的攔沙能力呈現不足而產生水毀潰壩現象，現場調查的大部分壩地淤積狀態顯示，水毀壩淤積深度普遍較高，且在潰決后流出的泥沙量較小，說明壩體潰決時間位于洪水過程末期，即泥沙淤積到一定程度后壩體才發生水毀現象；完好壩的淤積深度根據其不同排水形式及出水口高程等特點而不同；淤滿壩在洪水過程中仍有一定的攔沙能力，與相關研究結果一致[18]。綜上可知，不同淤積狀態下淤地壩都具備有效攔截洪水泥沙的能力，具體攔沙效率因其庫容和排水形式有所差異。

最大淤積深度均值與平均淤積深度均值相差幅度能夠體現壩地淤積泥沙沉積層起伏度的變化，產水產沙量較大時，淤積層厚度大，地形起伏差異也大，產水產沙量較小時，淤積厚度和地形起伏差異減小[6]。本研究結果顯示，堵塞壩壩地淤積深度均值最高，且最大淤積深度均值與平均淤積深度均值相差幅度最大，說明壩地淤深起伏度最大，而淤滿壩淤深起伏度最小。完好壩淤積深度均值低于水毀壩，最大淤積深度均值與平均淤積深度均值相差幅度高于水毀壩，可能是由于完好壩泄洪設施(溢洪道、臥管或豎井等)不同而導致淤積的起伏度有所差異，需結合壩地淤積斷面深度、泄洪設施高程等進一步分析研究。總體來看，堵塞壩和水毀壩具有高效的攔沙作用，在無泄洪的情況下，大多數壩體的穩定性無法保證；完好壩在一定程度上能夠進行泥沙攔截，淤地壩建設的關鍵是平衡泥沙攔截作用和壩體穩定性兩者的關系。

4.2 壩地淤積深度影響因素分析

降雨是淤地壩侵蝕產沙的主要驅動因子，流域產沙與降雨密切相關。有研究表明，淤地壩在汛期的攔沙作用最為明顯，黃河中游地區不同空間尺度流域的淤地壩攔沙量與減蝕量均呈正比關系[20]。降雨量和壩控流域面積相近的情況下，淤地壩的壩地面積越小，淤積庫容相對越小，泥沙的淤積深度就會越高，從而對壩體的穩定性產生較高的威脅[21]。本研究結果顯示，暴雨條件下，堵塞壩的壩地平均淤積深度與降雨強度相關性擬合不明顯；堵塞壩和水毀壩的B值能夠顯著影響壩地淤積深度，B值越小，壩地平均淤積深度越高。可見，降雨強度對淤積深度并無直接影響關系，但暴雨條件下的小庫容壩地極易產生較大的淤積深度，對壩體穩定性產生威脅，B值可作為分析暴雨條件下壩地淤積深度的重要影響因子。

壩地淤積深度在一定程度上能夠側面反映壩控流域壩地的攔沙模數，本研究中堵塞壩的淤積深度和攔沙模數均高于其他類型淤地壩。但影響壩地淤積深度的因素較多，比如壩控小流域內部地形、土地利用、植被、水土保持措施等均能夠影響降雨條件下壩控流域的泥沙淤積量，進而影響壩地淤積深度，總體考慮壩控流域的下墊面條件才能夠更好闡述降雨對流域的侵蝕產沙機制。

5 結 論

(1) 場次暴雨下，不同淤積狀態淤地壩的最大淤積深度和平均淤積深度由高到低為：堵塞壩(1.07 m，0.62 m)>水毀壩(0.72 m，0.53 m)>完好壩(0.70 m，0.45 m)>淤滿壩(0.19 m，0.15 m)；壩地最大淤積深度均值與平均淤積深度均值相差幅度為：堵塞壩(72.58%)>完好壩(55.56%)>水毀壩(35.85%)>淤滿壩(26.67%)。

(2) 不同淤積狀態下壩地淤積深度與降雨強度相關性不明顯；堵塞壩和水毀壩壩地淤積深度與B值呈指數負相關，相關指數分別為0.73，0.71。

(3) 淤地壩壩控區攔沙模數為1 000～35 000 t/km2，不同淤積狀態下淤地壩攔沙模數差異顯著。不同淤積狀態淤地壩平均攔沙模數由大到小依次為：堵塞壩(14 274 t/km2)>完好壩(12 480 t/km2)>水毀壩(11 725 t/km2)>淤滿壩(3 350 t/km2)。

本文主要對不同淤積狀態下淤地壩的淤積深度的規律及其相關性因素進行研究，要更好地了解壩地泥沙沉積過程及泥沙沉積規律，還需要更多的對比性研究，比如開展不同下墊面條件(土地利用、地貌植被等)流域淤地壩淤積規律對比分析等。