王丹, 哈玉玲，李占斌?, 于坤霞，卜崇德，張虎威，蘇立平

(1.西安理工大學(xué)，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，710048，西安；2.寧夏回族自治區(qū)水利廳，750000，銀川)

寧夏典型流域淤地壩系運行風(fēng)險評價

王丹1, 哈玉玲2，李占斌1?, 于坤霞1，卜崇德2，張虎威2，蘇立平2

(1.西安理工大學(xué)，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，710048，西安；2.寧夏回族自治區(qū)水利廳，750000，銀川)

病險壩會嚴(yán)重地威脅到人民生命和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)安全，因此淤地壩運行風(fēng)險的識別和研究尤為重要。選取寧夏西吉縣車路溝壩系為研究對象，分別提取并建立一套相對完整的單壩及壩系運行風(fēng)險評價指標(biāo)體系，結(jié)合改進(jìn)層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重，對各壩7個暴雨重現(xiàn)期下的運行風(fēng)險及壩系300年一遇情景下的運行風(fēng)險進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：隨著重現(xiàn)期的增加，車路溝、前咀骨干壩以及東莊灣中型壩的風(fēng)險等級發(fā)生了不同程度的變化，需重點關(guān)注；當(dāng)遭遇300年一遇暴雨時，西吉車路溝流域運行風(fēng)險值由高到低依次是：王昭單元>前咀單元>流域壩系>大坪單元>盤路灣單元，各淤地壩單元以及流域壩系均處于運行安全狀態(tài)。本研究整體上實現(xiàn)了單壩，淤地壩單元以及流域壩系的運行風(fēng)險評價，為該地區(qū)的淤地壩安全預(yù)報預(yù)警提供一定的借鑒和參考。

淤地壩系； 壩系單元； 運行風(fēng)險； 指標(biāo)體系

淤地壩是黃土高原地區(qū)防止水土流失有效的工程措施之一，寧夏水利水保部門結(jié)合實際，積極探索，推動水土保持淤地壩建設(shè)和管理工作的良性發(fā)展[1]，淤地壩建設(shè)模式逐步由單壩向壩系、由淤地為主向淤地蓄水相結(jié)合、由單一水保型向水保經(jīng)濟(jì)生態(tài)復(fù)合型轉(zhuǎn)變[2]，先后建成靈武市水洞溝、西吉縣車路溝、鹽池縣蔭子溝、原州區(qū)張易河、隆德縣什子河等一批具有示范作用的壩系。

目前，有學(xué)者對壩系評價系統(tǒng)進(jìn)行了初探。陳騫[3]研究土壤侵蝕模數(shù)對壩系布局的作用，蔣耿民[4]利用多層次模糊綜合評價模型對壩系工程總體布局進(jìn)行綜合動態(tài)評價;但針對多壩系單元組合的系統(tǒng)評價所見不多。筆者選取寧夏西吉車路溝流域壩系為研究對象，分別從工程、管理、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)4方面提取并建立一套相對完整的單壩評價指標(biāo)體系，并對各壩7個重現(xiàn)期下的運行風(fēng)險進(jìn)行評價。在此基礎(chǔ)上，考慮壩系整體運行安全，補(bǔ)充建立壩系運行風(fēng)險評價指標(biāo)體系，綜合計算西吉車路溝壩系300年一遇情景下，淤地壩單元及流域壩系的運行風(fēng)險，整體上實現(xiàn)了單壩、淤地壩單元以及流域壩系的系統(tǒng)性評價，便于管理部門及時獲取各種情況下的工程安全信息及等級[5]，為制訂安全運行管理辦法提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

車路溝流域位于寧夏回族自治區(qū)西吉縣東部，屬渭河水系一級支流葫蘆河的一級支溝，為黃土丘陵溝壑第Ⅲ副區(qū)，流域面積89.5 km2。流域多年平均降水量為448 mm，地形支離破碎，溝壑縱橫，溝谷呈“U”型，水土流失形態(tài)以水蝕為主，兼有重力侵蝕，年均侵蝕模數(shù)為4 800 t/km2，年均輸沙量43.0萬t。根據(jù)2010年寧夏淤地壩基本情況復(fù)核表，西吉車路溝流域壩系共計淤地壩46座，總庫容1 654.45萬m3，淤積庫容590.37萬m3。骨干工程與中小型淤地壩配置比例為1∶4.2，壩系布局見圖1。

2 研究方法

2.1 淤地壩運行風(fēng)險影響因素分析

引起淤地壩潰壩的原因主要可概括為：1)淤地壩投入運行時間較長，導(dǎo)致淤地壩滯洪庫容不足，泄水建筑物被堵塞或者已經(jīng)損壞導(dǎo)致淤地壩泄洪能力不足；2)淤地壩系設(shè)計不合理，串聯(lián)淤地壩較多，導(dǎo)致連鎖潰壩；3)淤地壩建設(shè)質(zhì)量較低，經(jīng)過長時間淤積和沉降，導(dǎo)致大壩整體失穩(wěn)和壩體變形造成裂縫；4)缺乏管護(hù)措施。

2.2 評價指標(biāo)的構(gòu)建與計算

2.2.1 淤地壩單壩評價指標(biāo)體系的建立 根據(jù)寧夏淤地壩工程水毀資料、病險特征及受損破壞成因，結(jié)合國內(nèi)外淤地壩環(huán)境效應(yīng)及其他相關(guān)研究[6]，從淤地壩設(shè)計(包括淤地保收、攔蓄洪水等功能)、運行(運行工程中出現(xiàn)的病險情況)、管理(日常管護(hù)情況)3個方面綜合考慮，建立3個層次共13個指標(biāo)的單壩運行風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并利用改進(jìn)層次分析法[7-9]計算各指標(biāo)權(quán)重，匯總見表1。

圖1 西吉車路溝壩系布局圖Fig.1 Dam system distribution of Chelugou watershed in Xiji

目標(biāo)層(a)Targetlayer準(zhǔn)則層(b)Criterionlayer權(quán)重(q)Weight指標(biāo)層(c)Indexlayer權(quán)重值(w)Weightvalue淤地壩運行風(fēng)險Operationriskofcheckdam(a)工程風(fēng)險Engineeringrisk(b1)050管理風(fēng)險Managementrisk(b2)013經(jīng)濟(jì)風(fēng)險Economicrisk(b3)007結(jié)構(gòu)風(fēng)險Structurerisk(b4)030淤積系數(shù)Sedimentcoefficient(c1)003攔洪風(fēng)險Floodcontrolrisk(c2)046滯洪風(fēng)險Flooddetentionrisk(c3)031蓄水風(fēng)險Waterstoragerisk(c4)006危險系數(shù)Dangercoefficient(c5)013日常管理風(fēng)險Dailymanagementrisk(c6)053應(yīng)急風(fēng)險Emergencyrisk(c7)032監(jiān)測設(shè)施Monitoringfacilities(c8)015下游經(jīng)濟(jì)風(fēng)險Downstreameconomicrisk(c9)075保收風(fēng)險Harvestrisk(c10)025壩體損壞系數(shù)Damagecoefficientofdambody(c11)057放水建筑物損壞系數(shù)Damagecoefficientofdrainagestructure(c12)028泄水建筑物損壞系數(shù)Damagecoefficientofdis?chargestructure(c13)016

工程風(fēng)險：

1)淤積系數(shù)

U=1-I/0.04。

(1)

式中：U為淤積系數(shù)；I為相對穩(wěn)定指標(biāo)。

相對穩(wěn)定指標(biāo)

I=S/F。

(2)

式中：I為相對穩(wěn)定指標(biāo)；S為設(shè)計淤地面積，km2；F為壩控流域面積，km2；

2)攔洪風(fēng)險

Wd=1-1/Ip。

(3)

式中：Wd為攔洪風(fēng)險；Ip為淤地壩的安全系數(shù)。其中，Wd<0的取值為0。

安全系數(shù)[10]

Ip=Wp/A(h+hc)。

(4)

式中：Ip為淤地壩安全系數(shù)；Wp為頻率為p的洪水總量，萬m3；A為壩地實有面積，hm2；h允許水淹深度，m；hc含沙洪水落淤的平均厚度，m。

含沙洪水落淤的平均厚度

(5)

式中：hc為淤地壩含沙洪水落淤的平均厚度，m；Wp為頻率為p的洪水總量，萬m3；Ps為洪水清渾比；S為設(shè)計淤地面積，萬m2。

3)滯洪風(fēng)險：滯洪庫容與剩余庫容的比值。寧夏地區(qū)淤地壩普遍存在蓄水現(xiàn)象，剩余庫容為總庫容中除去已淤積庫容及蓄水量的剩余庫容。

4)蓄水風(fēng)險：年均蓄水量與淤積庫容的比值，表征蓄水量侵占淤積庫容的程度，側(cè)面反映滲流潰壩風(fēng)險。

5)危險系數(shù)：淤地壩本身屬性也影響其安全運行，其中壩高又是最直接影響因素。壩高大于30 m為骨干壩，15～30 m為中型壩，小于15 m為小型壩。筆者取中間值25 m對壩高進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計算即得危險系數(shù)。

管理風(fēng)險：

1)日常管理風(fēng)險：若當(dāng)?shù)鼐用駥τ俚貕喂芾砭S護(hù)到位，則日常管理風(fēng)險取值0.1，否則為1。

2)應(yīng)急風(fēng)險：若有應(yīng)急措施，應(yīng)急風(fēng)險取值為0.1，沒有則取值為1。

3)監(jiān)測設(shè)施：淤地壩有監(jiān)測設(shè)施且設(shè)施齊全，監(jiān)測設(shè)施取值為0.1，沒有則取值為1。

經(jīng)濟(jì)風(fēng)險：

1)下游經(jīng)濟(jì)風(fēng)險：流域骨干壩下游均有重要居民建筑和生產(chǎn)工廠時取值為1。各支溝流域出口淤地壩取值為0.8，由溝口向溝頭，第2座淤地壩取值為0.6，依次類推。

2)保收風(fēng)險：車路溝流域壩地主要作物為玉米和編織用蘆葦，主汛期生長高度可達(dá)1.2～1.5 m，根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锬脱颓闆r，借鑒相關(guān)研究，確定壩地保收標(biāo)準(zhǔn)為淹水深度不大于0.8 m[11]。根據(jù)辛全才等[12]研究，如果壩地滯洪水深小于作物生長允許淹沒水深時作物保收，否則認(rèn)為作物遭災(zāi)絕收。壩地保收率計算公式為

P=1-1/N。

(6)

式中：P為壩地保收率；N為滯洪水深所對應(yīng)洪水重現(xiàn)期。

本研究的保收風(fēng)險定義為

Bd=1-P。

(7)

式中：Bd為保收風(fēng)險；P為壩地保收率。

結(jié)構(gòu)風(fēng)險：

結(jié)構(gòu)風(fēng)險層主要包括3個指標(biāo)：壩體損壞系數(shù)、放水建筑物損壞系數(shù)和泄水建筑物損壞系數(shù)。根據(jù)《寧夏中型以上病險淤地壩名錄》，各種破壞形式對淤地壩安全運行的影響程度不同，賦值標(biāo)準(zhǔn)見表2，該值越大，對淤地壩安全運行造成的威脅越大，據(jù)此完成賦值。

表2 結(jié)構(gòu)破壞形式賦值標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Assignment standard of different structural failure forms

2.2.2 淤地壩壩系評價指標(biāo)體系的建立 在單壩評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，刪除工程風(fēng)險中影響程度較弱的指標(biāo)，同時增加有無溢洪道、壩系布局性判別標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，重新建立3個層次共12個指標(biāo)的壩系運行風(fēng)險評價指標(biāo)體系，利用改進(jìn)層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重，匯總見表3。

1)有無溢洪道：根據(jù)水利部規(guī)定，骨干壩下游有重要防護(hù)對象或庫容在100萬m3時必須修建溢洪道，基于《寧夏中型以上病險淤地壩名錄》對各壩系(單元)的淤地壩進(jìn)行定量賦值。

2)布局系數(shù)：壩系布局涉及布壩密度、淤地壩控制比例等因素，一定程度上影響壩系安全運行，從流域壩系(單元)中的大型壩控制比例、淤地壩串聯(lián)率、布壩密度、單位淤地面積投資、侵蝕模數(shù)等方面綜合定量賦值，不同指標(biāo)對布局合理性影響程度不同，賦值標(biāo)準(zhǔn)見表4，據(jù)此完成賦值，各指標(biāo)釋義及計算方法詳見[13]。

2.3 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)劃分

結(jié)合相關(guān)研究及實際情況，制定風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)見表5。

3 結(jié)果與分析

3.1 單壩運行風(fēng)險計算與評價

分別考慮10、20、30、50、100、200和300年一遇7個重現(xiàn)期，利用公式12及13計算西吉縣車路溝壩系各壩不同重現(xiàn)期下的運行風(fēng)險分值，根據(jù)表5確定其風(fēng)險等級，評價結(jié)果匯總見表6，并利用ArcGIS得到運行風(fēng)險時空分布圖(圖2)。

表3 淤地壩壩系運行風(fēng)險評價指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.3 Evaluation index system of dam system’s operation risk and their weight

表4 布局合理性指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Assignment standard of index about reasonable distribution

表5 風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Assignment standard of risk level

表6 西吉縣車路溝壩系淤地壩單壩運行風(fēng)險評價結(jié)果Tab.6 Evaluation results of single dam’s operation risk of Chelugou watershed in Xiji

表6(續(xù)) Continued form of Tab.6

圖2 西吉車路溝流域壩系淤地壩運行風(fēng)險時空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of check dam’s operation risk of Chelugou watershed in Xiji

3.2 壩系運行風(fēng)險計算與評價

將整個流域壩系劃分為1個主溝壩系單元和4個子壩系單元，并為考慮壩系可能遭遇最不利情景，同時助力于管理安全，分別以各淤地壩單元以及流域壩系為研究對象，評價該壩系300年一遇暴雨情景下的運行風(fēng)險。西吉車路溝壩系單元間的控制與從屬關(guān)系見圖3，壩系單元關(guān)系特征見表7。

計算各壩系單元各指標(biāo)要素值，結(jié)合表3指標(biāo)權(quán)重及表5風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定各淤地壩單元及流域壩系風(fēng)險等級，評價結(jié)果匯總見表8。

4 結(jié)果與討論

分析單壩評價結(jié)果，由圖2可知，西吉車路溝壩系淤地壩在10年一遇情景下，部分處于Ⅲ級(一般危險狀態(tài))，部分處于Ⅳ級(一般安全狀態(tài))。隨著重現(xiàn)期的增加，鷂子川骨干壩，楊家川、石坡、下灣里、軍運溝、后灣里、上北莊中型壩以及大坪1號小型壩由10年一遇下的Ⅳ級(一般安全狀態(tài))增加為20年一遇下的Ⅲ級(一般危險狀態(tài))，但此時仍認(rèn)為遭遇20年和30年的洪水，該壩系內(nèi)所有淤地壩均是安全的。隨著重現(xiàn)期的繼續(xù)增加，車路溝、前咀骨干壩以及東莊灣中型壩的風(fēng)險等級由10年一遇下的Ⅲ級(一般危險狀態(tài))分別在遭遇重現(xiàn)期為50、100和300年的洪水時增加為Ⅱ級(危險狀態(tài))，其余各壩均未發(fā)生變化；因此，這3座壩需重點關(guān)注，當(dāng)出現(xiàn)對應(yīng)洪水重現(xiàn)期的暴雨時，管理部門需高度重視，而各壩風(fēng)險等級發(fā)生突變的對應(yīng)重現(xiàn)期便可為洪水預(yù)警提供理論依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。整體看來，西吉車路溝壩系各壩工程風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險普遍偏高，分析可知，各壩淤積系數(shù)均較高，可能由于寧夏多數(shù)壩淤地較少，多以蓄水為主，因此壩系穩(wěn)定相對較弱，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)風(fēng)險中較高的保收風(fēng)險。因此該地區(qū)淤地壩蓄水現(xiàn)象應(yīng)該受到一定控制，或者可將蓄水壩除險加固為小型水庫，保證其安全運行。

圖3 西吉車路溝流域壩系單元控制關(guān)系框架圖Fig.3 Control relationship frame of dam system unit of Chelugou watershed in Ningxia

而由壩系評價結(jié)果可以看出，當(dāng)遭遇300年一遇暴雨時，西吉車路溝流域運行風(fēng)險值由高到低以此是：王昭單元>前咀單元>車路溝流域壩系>大坪單元>盤路灣單元，由此確定除大坪單元及盤路灣單元處于Ⅳ級(一般安全狀態(tài))以外，其他壩系單元均處于Ⅲ級(一般危險狀態(tài))。綜上，該壩系在300年一遇情景下，淤地壩單元以及流域壩系均可實現(xiàn)安全運行。影響整個車路溝壩系的關(guān)鍵單元是王昭單元與前咀單元，除修建溢洪道以外，應(yīng)對壩體及放水建筑物損壞的部位盡快進(jìn)行維修加固，消除隱患。

表7 車路溝壩系單元特征Tab.7 Characteristics of dam unit in the CheLugou watershed

表8 西吉車路溝流域淤地壩系運行風(fēng)險評價結(jié)果(300年一遇)Tab.8 Evaluation results of dam system’s operation risk of Chelugou watershed in Xiji(Occuring in 300 years)

5 結(jié)論

1)在收集流域壩系工程調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)分析、論證和篩選，建立3個層次13個指標(biāo)的單壩運行風(fēng)險評價指標(biāo)體系以及3個層次12個指標(biāo)的壩系評價指標(biāo)體系，為后續(xù)小流域淤地壩安全評價系統(tǒng)的建立與評估工作的開展提供了技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

2)基于單壩風(fēng)險評價體系對寧夏西吉縣車路溝流域壩系單壩進(jìn)行了7個重現(xiàn)期下的運行風(fēng)險評價，由風(fēng)險分布圖可得到重點關(guān)注壩。

3)利用淤地壩壩系風(fēng)險評價體系實現(xiàn)了淤地壩單元及流域壩系的風(fēng)險評價，當(dāng)遭遇300年一遇暴雨時，西吉車路溝流域運行風(fēng)險值由高到低依次是：王昭單元>前咀單元>西吉車路溝流域壩系>大坪單元>盤路灣單元，且均處于運行安全狀態(tài)。

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Evaluation on the operation risk of dam system in thetypical watersheds of Ningxia

WANG Dan1, HA Yuling2, LI Zhanbin1, YU Kunxia1, BO Chongde2, ZHANG Huwei2, SU Liping2

(1.Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology of Ministry of Education, Xi′an University of Technology,710048, Xi′an, China; 2.Ningxia Water Conservancy, 750000, Yinchuan, China)

[Background] Dilapidated dam will seriously threaten people’s life and property safety, therefore, the identification and research of check dam’s operation risk is particularly important. [Methods] Selecting Chelugou dam system of Ningxia as the research object, a set of relatively complete evaluation index system of operation risk of both single dam and the whole dam system were extracted and established respectively from four aspects of engineering, management, economy and structure. With the method of improved AHP (Analytic Hierarchy Process) to calculate the index weight, the operation risk of single dam under seven different storm return periods and that of the whole system under the return period of 300 years were calculated and evaluated comprehensively, meanwhile the risk map of temporal and spatial distributionof single dam was made as well. [Results] For the operation risk of single dam, it showed that there were three check dam including Chelugou, Qianzu and Dongzhuangwan, which operation risk grade grew from class Ⅲ(generally dangerous stae) under the occuring period of 10 years to classⅡ(dangerous state) under the occuring period of 50 years, 100 years, 300 years, which need to be taken seriously. On the whole, the project and economic risk of single dam in Chelugou dam system were generally high, which exceeded 0.8 and 0.4 perspectively, that was related to, the majority of dam in Ningxia was given priority to water storage. For the evaluation of dam system, when suffered a heavy rain of period 300 years, the operation risk of Chelugou basin from high to low were as follows: Wangzhao unit(0.51, classⅢ) > Qianzu unit(0.50, classⅢ)> the whole basin(0.44, classⅢ)> Dapin unit(0.39, classⅣ)> Panluwan unit(0.35, classⅣ), meaning that all dam unit were in the generally dangerous state or generally safe state. And from the view of whether dam system unit or the whole basin, the basin were all in a safe state of operation. It could also been seen from the results that the key dam unit was the Wangzhao unit and Qianzu unit which influenced the operation safety of the whole dam system. In addition to building spillway, it was necessary to deal with the damaged parts of dam body as well as water release works as soon as possible to eliminate hidden dangers. [Conclusions] The paper realized the evaluation work of operation risk of single dam, check dam unit as well as the dam system on the whole. These results would provide certain reference to the safety forecast warning of check dam in the region and help the administrative department of rapid decision-making, so as to ensure the safe and stable operation of check dam and lay the foundation for establishing the safety emergency response mechanism and operation measures.

check dam system; dam unit; operation risk; index system

2016-10-18

2017-03-30

項目名稱： 國家重點研發(fā)計劃項目“寧夏淤地壩運行風(fēng)險研究”(2016YF0402404)；國家自然科學(xué)基金重點項目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)-水文過程相應(yīng)機(jī)理研究”(41330858)；國家自然科學(xué)基金“黃土高原流域淤地壩對流域侵蝕過程調(diào)控機(jī)理研究”(41401305)；水利部公益性行業(yè)科研經(jīng)費“生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持生態(tài)效應(yīng)與評價技術(shù)研究”(201501045)

王丹(1991—)，女，碩士研究生。主要研究方向：干旱水文與雨洪侵蝕。E-mail：1149970744@qq.com

?通信作者簡介： 李占斌(1965—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蝕和水土保持。E-mail： zbli@ms.iswc.ac.cn

S157

A

2096-2673(2017)03-0017-09

10.16843/j.sswc.2017.03.003