宇 濤, 李占斌,3, 陳怡婷, 袁水龍, 王 偉

(1.西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048;2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048;3.中國科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)，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(shù)淤地壩已經(jīng)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(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，提高水土資源開發(fā)利用效果，在小流域各級(jí)溝道科學(xué)布設(shè)骨干壩、中、小型淤地壩，形成有機(jī)結(jié)合、功能協(xié)調(diào)、具有樹形結(jié)構(gòu)的小流域溝道工程體系[2-3]。壩系規(guī)劃是指在防治水土流失的前提下，科學(xué)合理地布設(shè)淤地壩，使壩系的投資最少[4]。能夠讓單個(gè)淤地壩發(fā)揮最大的作用、并且形成具有防洪、攔泥、生產(chǎn)等綜合功能的淤地壩系統(tǒng)，是壩系規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容，更是淤地壩建設(shè)運(yùn)行和管理中首先要解決的問題[5]。目前針對淤地壩系規(guī)劃建設(shè)的研究已有大量報(bào)道，水利部黃河水利委會(huì)綏德水土保持試驗(yàn)站于1983年，使用正交試驗(yàn)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(shí)間間隔及泄水建筑物結(jié)構(gòu)組成等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[6]。部分學(xué)者在90年代以后利用非線性規(guī)劃等技術(shù)對壩高和建壩時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃研究[7-8]。劉志剛等[9]基于現(xiàn)有的黃土高原小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用“3S”技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，開發(fā)了小流域壩系規(guī)劃三維可視化決策支持系統(tǒng)。王丹等[10]選取黃土丘陵第一副區(qū)韭園溝壩系為研究對象，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全及效益等各方面因素，構(gòu)建了淤地壩系布局評(píng)價(jià)系統(tǒng)。王丹等[11]對寧夏典型流域淤地壩的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。目前關(guān)于淤地壩系的研究多處于淤地壩系的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，針對已建成壩系的研究還較少；且研究區(qū)大多處于黃土丘陵第一副區(qū)，針對黃土丘陵第三副區(qū)的研究鮮為報(bào)道，因此研究黃土丘陵第三副區(qū)典型淤地壩系結(jié)構(gòu)特征具有重要意義。本研究通過對黃土丘陵第三副區(qū)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(jié)，并對壩系的級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行解析，以及對把口站的水沙變化趨勢進(jìn)行分析，闡明黃土丘陵第三副區(qū)典型淤地壩系的結(jié)構(gòu)特征。研究成果以期為黃土高原淤地壩系建設(shè)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 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，流域距縣城約15 km。屬渭河水系一級(jí)支流葫蘆河的一級(jí)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(qū)。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?qū)儆谥袦貛О霛駶櫹虬敫珊颠^度類型，具有大陸性季風(fēng)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(shí)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(shù)3.5萬m3/km2，年侵蝕模數(shù)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(qiáng)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(shù)據(jù)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(qū)水保局，主要包括淤地壩位置、建壩時(shí)間、總庫容、防洪庫容、淤積庫容、已淤積庫容和蓄水量等數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，所涉及的流量、含沙量等的測量和試驗(yàn)分析嚴(yán)格按照國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，數(shù)據(jù)來源于寧夏水文局[13]。根據(jù)水文監(jiān)測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]，本研究以徑流深>0.05 mm，洪峰流量>0.1 m3/s，歷時(shí)超過150 min的汛期徑流事件為一次洪水事件[15]。流域的DEM數(shù)據(jù)來源于中國地理數(shù)據(jù)云，精度為30 m。主要通過軟件ArcGIS 10.1和Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，溝道和子流域通過SWAT中的流域劃分(Watershed Delineator)工具進(jìn)行提取，最小控制面積為0.1 km2，通過Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)對水沙變化趨勢進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 車路溝流域溝道特征分析

根據(jù)美國地貌學(xué)家R. E. Horton和A. N. strahler提出的地貌幾何定量的數(shù)學(xué)模型分級(jí)方法[16]，對于小流域的分析類比較為科學(xué)，該方法強(qiáng)調(diào)在一個(gè)流域內(nèi)最小的不可分枝的支溝屬于第一級(jí)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(jí)水道，也就是小流域的流域等級(jí)，這種方法顯著的特點(diǎn)是同級(jí)溝道侵蝕形態(tài)具有明顯的相似性。由表1可得，隨著溝道級(jí)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(jí)溝道控制面積較小，但數(shù)量巨大，因此以建設(shè)小型壩為主；Ⅱ級(jí)溝道控制面積增大，溝道數(shù)量減少，以建設(shè)中型壩為主；Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)溝道控制面積進(jìn)一步增大，區(qū)間來水來沙量巨大，因此以建設(shè)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(jí)溝道小型壩的數(shù)量最多，Ⅱ級(jí)溝道中型壩的數(shù)量最多，Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)溝道骨干壩的數(shù)量最多。隨著溝道級(jí)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(shè)為主，同時(shí)修建部分中型壩和小型壩，支溝則以小型壩和中型壩建設(shè)為主。車路溝壩系Ⅰ級(jí)溝道小型壩的數(shù)量雖然最多，但中型壩的壩控面積最大，占Ⅰ級(jí)溝道壩控面積的59.40%；Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)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(shù)量雖然最少，但是在流域中起到控制性作用；隨著溝道級(jí)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(tǒng)計(jì)

表3 車路溝壩控面積分布特征統(tǒng)計(jì)

2.3 淤地壩系設(shè)計(jì)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(jí)溝道中，中型壩庫容最大，小型壩次之，骨干壩最??；其余各級(jí)溝道表現(xiàn)為，骨干壩庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級(jí)別的提高，骨干壩的總庫容表現(xiàn)為逐漸增大，中型壩和小型壩的總庫容表現(xiàn)為逐漸減小(表4)。由圖2A可以看出，Ⅰ級(jí)溝道中，中型壩的設(shè)計(jì)防洪庫容最大，小型壩次之，骨干壩最?。黄溆喔骷?jí)溝道表現(xiàn)為，骨干壩的設(shè)計(jì)防洪庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級(jí)別的提高，骨干壩的設(shè)計(jì)防洪庫容表現(xiàn)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(jí)溝道中，中型壩的設(shè)計(jì)淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最?。黄溆喔骷?jí)溝道表現(xiàn)為，骨干壩的設(shè)計(jì)淤積庫容最大，中型壩次之，小型壩最小。隨著溝道級(jí)別的提高，骨干壩的設(shè)計(jì)淤積庫容表現(xiàn)為逐漸增大；中型壩和小型壩的設(shè)計(jì)淤積庫容表現(xiàn)為先增大后減小。

表4 車路溝淤地壩總庫容分布特征統(tǒng)計(jì)

圖2 車路溝淤地壩系設(shè)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)。由圖3A可以看出，Ⅰ級(jí)溝道中，中型壩的已淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最?。黄溆喔骷?jí)溝道表現(xiàn)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(jí)和Ⅲ級(jí)溝道中的已淤積庫容基本相等，而Ⅳ級(jí)的已淤積庫容幾乎是Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)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(jí)別的提高，表現(xiàn)為先減小后增大。由圖3B可以看出，Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)溝道中，中型壩的蓄水量最大，小型壩次之，骨干壩最??；其余各級(jí)溝道表現(xiàn)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(jí)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(xiàn)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(shè)計(jì)淤積庫容已經(jīng)幾乎淤滿，而骨干壩還剩余較大的淤積庫容。Ⅰ級(jí)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(jí)溝道表現(xiàn)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(tǒng)計(jì)

2.5 淤地壩系級(jí)聯(lián)方式解析

根據(jù)車路溝壩系調(diào)查資料，結(jié)合小流域水系圖，對車路溝壩系結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，結(jié)果如圖4所示。車路溝壩系在總體上可劃分為4個(gè)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(guān)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(lián)關(guān)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(guān)系特征統(tǒng)計(jì)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(shù)量在5～14座之間，每個(gè)壩系單元平均布?jí)?1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(guān)系表現(xiàn)為聯(lián)合攔蓄、互為補(bǔ)充、彼此協(xié)調(diào)，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(nèi)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(dāng)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(gè)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(guān)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(nèi)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(yàn)分析嚴(yán)格按照國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于降水、徑流和水質(zhì)等水文氣象序列的趨勢變化[17-18]。通過M-K檢驗(yàn)對水沙數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢變化分析，結(jié)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(diǎn)發(fā)生在2003年，最大含沙量的突變點(diǎn)發(fā)生在2004年，這可能與車路溝在2004年前后開始進(jìn)行淤地壩建設(shè)有關(guān)。

表6 車路溝壩系單元關(guān)系特征

表7 車路溝壩系單元關(guān)系特征

3 結(jié) 論

(1) 車路溝流域隨著溝道級(jí)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(jí)溝道小型壩的數(shù)量最多，Ⅱ級(jí)溝道中型壩的數(shù)量最多，Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)溝道骨干壩的數(shù)量最多。Ⅰ級(jí)溝道小型壩的數(shù)量雖然最多，但中型壩的壩控面積最大，占Ⅰ級(jí)溝道壩控面積的59.40%；Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)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(jí)別的提高，骨干壩的總庫容和設(shè)計(jì)防洪庫容表現(xiàn)為逐漸增大，中型壩和小型壩表現(xiàn)為逐漸減小；隨著溝道級(jí)別的提高，骨干壩的設(shè)計(jì)淤積庫容表現(xiàn)為逐漸增大；中型壩和小型壩表現(xiàn)為先增大后減小。

(3) 車路溝壩系中型壩和小型壩的設(shè)計(jì)淤積庫容已經(jīng)幾乎淤滿，而骨干壩還剩余較大的淤積庫容。Ⅰ級(jí)溝道中，中型壩的剩余淤積庫容最大，小型壩次之，骨干壩最??；其余各級(jí)溝道表現(xiàn)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(guān)系，各壩系單元對洪水泥沙的調(diào)控表現(xiàn)為聯(lián)合攔蓄、互為補(bǔ)充、彼此協(xié)調(diào)；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(nèi)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(dāng)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(shè)，流域把口站的水沙趨勢發(fā)生了明顯變化。