黃土丘陵溝壑區典型淤地壩壩系結構和潰壩模擬分析

張曉庫

(陜西省水利電力勘測設計研究院, 陜西 西安 710001)

在小流域各級溝道科學布設骨干壩、中型壩、小型壩相結合的、具有樹形結構的小流域溝道淤地壩壩系可以有效攔蓄溝道洪水和泥沙,改善小流域生態環境,提高水土資源的開發利用效率。為了保障淤地壩下游地區群眾的生產生活和財產安全,進行淤地壩潰壩風險研究十分必要。目前相關學者針對淤地壩壩系布局結構、水沙效應、防洪效果等開展了大量研究,但是關于淤地壩潰壩風險物理機制模擬的相關研究較為缺乏[1-4]。MIKE11模型是河流水動力模擬的常用工具,可以較好地模擬出洪水演進過程和潰壩洪水發展,可用于潰壩過程模擬和潰壩風險研究。

黃土丘陵溝壑區生態環境脆弱,水土流失嚴重,區域內的淤地壩壩系建設對黃河流域乃至全國的生態環境保護和社會經濟可持續發展具有重要意義。本研究選取位于寧夏南部山區黃土丘陵溝壑區的什字河小流域,采用MIKE11模型模擬壩系的潰壩過程,以期為黃土丘陵溝壑區淤地壩安全運行提供參考。

1 研究區概況

什字河位于寧夏回族自治區固原市隆德縣、西吉縣的接壤地帶,屬黃土丘陵溝壑區,是渭河上游支流葫蘆河的一級支流,流域涉及2縣5鄉31個自然村,主溝長33.02 km,平均溝寬6.24 km,呈自西向東逐漸變寬的闊葉狀。流域面積約206 km2,其中水土流失面積約153 km2,占流域面積的74.27%。流域內自2006年開始進行淤地壩建設,目前共建成淤地壩48座,其中骨干壩12座、中型淤地壩21座、小型淤地壩15座(見圖1)。淤地壩壩系的建成不僅有效防止了溝岸擴張、溝頭延伸,控制了水土流失,保障了兩岸塬臺地的水源,而且對減少入黃泥沙、改善當地自然條件、發展當地設施農業等起到了積極的推進作用[5]。

圖1 什字河小流域淤地壩分布示意

2 研究方法與數據來源

2.1 數據準備

MIKE11模型是基于圣維南方程組求解河道水動力過程,在模型搭建時需要地形數據、降水數據、淤地壩基本信息,其中:地形數據采用流域30 m分辨率DEM,來源于地理空間數據云;淤地壩基本信息包括淤地壩位置、建壩時間、總庫容、防洪庫容、淤積庫容、泥沙淤積量和蓄水量,來源于寧夏回族自治區水利廳水土保持局統計調查資料。

MIKE11模型的潰壩模擬需要輸入設計暴雨過程。通過收集分析《寧夏回族自治區暴雨洪水圖集》中什字河流域的暴雨過程,得到什字河流域大多以6 h暴雨為主,因此確定什字河流域設計暴雨時長為6 h。流域形心處1 h、3 h、6 h暴雨均值和變差系數通過《寧夏回族自治區暴雨洪水圖集》等值線圖分析得到,偏態系數和變差系數取值3.5。本研究中取300 a一遇暴雨(校核標準)條件,暴雨過程見圖2。

圖2 什字河流域300 a一遇暴雨過程

2.2 模型搭建

將300 a一遇的流域設計暴雨過程輸入MIKE11模型,按照模型的要求進行溝道斷面的提取與設置。提取寬度為100 m的斷面,每個斷面的形狀通過DEM數據進行提取,獲取每個斷面的溝道底部、溝道邊界和岸灘邊界的高程值,同時獲取每一個斷面位置的溝道里程值,進行模型設置,構建MIKE11模型溝道水動力模型。通過溝道水動力模型計算,可以得到什字河壩系在300 a一遇暴雨洪水條件下各淤地壩是否發生潰決及壩前、壩后水深變化情況。

3 結果與分析

3.1 什字河壩系級聯作用分析

通過調查分析小流域水系分布特征、溝道特點和淤地壩分布情況,基于壩系單元的定義和劃分原則,對什字河壩系進行分級分段,分析壩系內部的級聯作用關系。什字河壩系可分為陽屲、姚套、穆溝3個壩系單元,各壩系單元的基本情況見表1。什字河壩系單元平均控制面積為52.31 km2,3個壩系均處于小流域的上中游,屬并聯關系,壩系單元淤地壩數量13～20座,大、中、小型淤地壩配置比例為4∶7∶5。其中陽屲壩系單元溝長12.27 km,面積62.48 km2,分布有大型壩4座、中型壩9座、小型壩7座;姚套壩系單元溝長15.69 km,面積34.68 km2,分布有大型壩3座、中型壩9座、小型壩1座;穆溝壩系單元溝長9.85 km,面積59.77 km2,分布有大型壩5座、中型壩3座、小型壩7座。各壩系單元之間在洪水泥沙的控制作用上表現為聯合攔蓄、互為補充、彼此協調的關系,通過聯合攔蓄洪水泥沙為下游干溝大壩減輕防洪壓力,內部中小型淤地壩在較短時間內淤積成耕地。什字河壩系總庫容量1 809.52萬m3,當前什字河壩系泥沙淤積量為187.28萬m3,淤積率為10.35%,表明當前什字河壩系已淤積庫容量較少,仍有較大的淤積潛力,壩系可以繼續發揮攔蓄洪水泥沙的功能,同時上游的洪水泥沙下泄量較少,沒有對干溝造成較大的壓力。此外,什字河小流域的淤地壩主要修建在上游和中游地區,下游還未修建淤地壩,仍有一定的建壩潛力。

表1 什字河壩系單元基本情況

3.2 什字河壩系潰壩過程分析

依據MIKE11模型潰壩模擬結果,發現300 a一遇暴雨情況下什字河壩系的穆溝壩系單元會發生連鎖潰壩現象,發生潰決的3座淤地壩呈串聯分布,從上游到下游依次是民主淤地壩、趙家崖淤地壩、穆溝淤地壩。通過分析發生潰決的3座淤地壩的壩前、壩后水深變化(見圖3)和主溝道水深變化,可以更加具體地獲知什字河壩系潰壩的具體過程。

圖3 什字河流域民主、趙家崖、穆溝淤地壩潰壩過程壩前、壩后水深變化

3.2.1 壩前水深變化分析

選取發生潰決的3座淤地壩的壩址上游50 m處分析壩前水深的變化。由圖3(a)可知,民主淤地壩壩前水深變化范圍為0～29.64 m。在暴雨開始后的11 h壩前水深達到最大值,發生潰壩后水深迅速從29.64 m下降至2.00 m左右,之后水深保持在2.00 m左右,表明發生潰壩后淤地壩在此階段保持穩定狀態,直至暴雨開始后的20 h,水深開始緩慢下降,最終達到潰口的穩定狀態。由圖3(b)可知,趙家崖淤地壩壩前水深變化范圍為0～26.20 m。在暴雨開始后的11 h壩前水深達到最大值,發生潰壩后水深急速下降,迅速從26.20 m下降至2.00 m左右,而后直至達到潰口的穩定狀態,水深緩慢下降至0 m。由圖3(c)可知,穆溝淤地壩壩前水深變化范圍在0～24.40 m。在暴雨開始后的11 h壩前水深達到最大值,發生潰壩后水深迅速從24.40 m下降至3.00 m左右,而后水深開始緩慢下降。相比于民主和趙家崖淤地壩,穆溝淤地壩壩前水深在發生潰壩后下降速度較慢,表明淤地壩潰口形態保持了較長時間的穩定,直至潰口達到穩定狀態,水深下降至0 m。

3.2.2 壩后水深變化分析

選取發生潰決的3座淤地壩的壩址下游3處代表性斷面分析壩后水深的變化。3處代表性斷面分別為靠近壩址處、兩個斷面之間、靠近下游相鄰壩址處。由圖3(a)可以看出,民主淤地壩3處斷面水深變化趨勢呈現一致性,在暴雨開始后的11 h,3處斷面的水深達到最大值,分別為11.48、18.92、26.67 m;發生潰壩后水深迅速下降至2.00 m左右,而后水深緩慢下降至0 m。由圖3(b)可以看出,趙家崖淤地壩在暴雨開始后的11 h,3處斷面的水深達到最大值,分別為7.84、19.19、24.33 m,其中靠近壩址處(壩址下游88 m)水深上升速度由緩慢到快速,另2處斷面水深保持勻速上升;發生潰壩后水深迅速下降至2.00 m左右,而后水深緩慢下降至0 m。由圖3(c)可以看出,穆溝淤地壩3處斷面的水深變化有差異。在暴雨開始后的11 h,3處斷面水深達到最大值,分別為6.07、8.09、8.81 m,其中靠近壩址處(壩址下游888 m)水深上升速度最大;發生潰壩后靠近壩址處水深迅速下降至2.00 m左右,而后緩慢下降至0 m,兩個斷面之間(壩址下游2 350 m)、靠近下游相鄰壩址處(壩址下游6 851 m)水深迅速下降至5.00 m左右,而后緩慢下降至0 m。

3.2.3 主溝道水深變化

為分析潰壩對什字河小流域主溝道的影響,選取壩系支溝和主溝道匯入點下游3處代表性斷面分析其水深變化,斷面位置分別為里程23 311、29 155、35 000 m處(見圖4)。由圖4可知,3處斷面的水深變化呈一致性。發生潰壩前,由于降雨匯流作用,主溝道內斷面處水位不斷上升;發生潰壩后,水深急速上升至最大值,3處斷面的最大水深分別為7.99、12.30、13.92 m;隨后水深開始迅速下降,里程23 311 m處水深迅速下降至5.00 m左右,之后開始緩慢下降;里程29 155 m處水深迅速下降至8.00 m左右,之后開始緩慢下降;里程35 000 m處水深迅速下降至9.00 m左右,之后開始緩慢下降,直至最終達到穩定狀態,水深接近于0 m。

圖4 什字河小流域壩系支溝和主溝道匯入點下游3處代表性斷面水深變化

4 結論

為科學認識黃土丘陵溝壑區淤地壩系結構及其潰壩風險,本研究以寧夏什字河小流域為例,采用MIKE11模型分析什字河壩系內部級聯作用關系,模擬什字河壩系在300 a一遇暴雨條件下的潰壩過程,以期為提高壩系防洪能力提供數據支撐,結果表明:①總體上什字河壩系可劃分為陽屲、姚套和穆溝3個壩系單元,各壩系單元之間在洪水泥沙的控制關系上表現為聯合攔蓄、互為補充、彼此協調。什字河壩系總庫容1 809.52萬m3,當前泥沙淤積量為187.28萬m3,占總庫容的10.35%,什字河壩系仍具有很大淤積潛力。②在300 a一遇暴雨條件下,什字河壩系中有3座淤地壩會發生連鎖潰壩,分別為民主、趙家崖、穆溝淤地壩。在暴雨開始后的11 h壩前水深達到最大值,發生潰壩后,水深會快速下降至2.00～3.00 m,之后會緩慢下降,直至潰口達到最終穩定狀態,水深接近0 m;潰壩前壩后水深達到最大值,發生潰壩后會急劇下降,之后緩慢下降。③發生潰壩前,由于降雨匯流作用主溝道內斷面處水位不斷上升,發生潰壩后,水深迅速上升至最大值,隨后迅速下降后再緩慢下降,直至最終達到穩定狀態,水深接近0 m。