張曉庫

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院, 陜西 西安 710001)

在小流域各級溝道科學(xué)布設(shè)骨干壩、中型壩、小型壩相結(jié)合的、具有樹形結(jié)構(gòu)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(tài)環(huán)境,提高水土資源的開發(fā)利用效率。為了保障淤地壩下游地區(qū)群眾的生產(chǎn)生活和財產(chǎn)安全,進行淤地壩潰壩風險研究十分必要。目前相關(guān)學(xué)者針對淤地壩壩系布局結(jié)構(gòu)、水沙效應(yīng)、防洪效果等開展了大量研究,但是關(guān)于淤地壩潰壩風險物理機制模擬的相關(guān)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(fā)展,可用于潰壩過程模擬和潰壩風險研究。

黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴重,區(qū)域內(nèi)的淤地壩壩系建設(shè)對黃河流域乃至全國的生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究選取位于寧夏南部山區(qū)黃土丘陵溝壑區(qū)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(qū)淤地壩安全運行提供參考。

1 研究區(qū)概況

什字河位于寧夏回族自治區(qū)固原市隆德縣、西吉縣的接壤地帶,屬黃土丘陵溝壑區(qū),是渭河上游支流葫蘆河的一級支流,流域涉及2縣5鄉(xiāng)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(nèi)自2006年開始進行淤地壩建設(shè),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?shù)刈匀粭l件、發(fā)展當?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、降水數(shù)據(jù)、淤地壩基本信息,其中:地形數(shù)據(jù)采用流域30 m分辨率DEM,來源于地理空間數(shù)據(jù)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(qū)水利廳水土保持局統(tǒng)計調(diào)查資料。

MIKE11模型的潰壩模擬需要輸入設(shè)計暴雨過程。通過收集分析《寧夏回族自治區(qū)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(shè)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(shù)通過《寧夏回族自治區(qū)暴雨洪水圖集》等值線圖分析得到,偏態(tài)系數(shù)和變差系數(shù)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(shè)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(shè)置。提取寬度為100 m的斷面,每個斷面的形狀通過DEM數(shù)據(jù)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(shè)置,構(gòu)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(fā)生潰決及壩前、壩后水深變化情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 什字河壩系級聯(lián)作用分析

通過調(diào)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(nèi)部的級聯(lián)作用關(guān)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(lián)關(guān)系,壩系單元淤地壩數(shù)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(xiàn)為聯(lián)合攔蓄、互為補充、彼此協(xié)調(diào)的關(guān)系,通過聯(lián)合攔蓄洪水泥沙為下游干溝大壩減輕防洪壓力,內(nèi)部中小型淤地壩在較短時間內(nèi)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(xù)發(fā)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(qū),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(jù)MIKE11模型潰壩模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)300 a一遇暴雨情況下什字河壩系的穆溝壩系單元會發(fā)生連鎖潰壩現(xiàn)象,發(fā)生潰決的3座淤地壩呈串聯(lián)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)生潰壩后淤地壩在此階段保持穩(wěn)定狀態(tài),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(wěn)定狀態(tài)。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(fā)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(wěn)定狀態(tài),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(fā)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(fā)生潰壩后下降速度較慢,表明淤地壩潰口形態(tài)保持了較長時間的穩(wěn)定,直至潰口達到穩(wěn)定狀態(tài),水深下降至0 m。

3.2.2 壩后水深變化分析

選取發(fā)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)生潰壩前,由于降雨匯流作用,主溝道內(nèi)斷面處水位不斷上升;發(fā)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(wěn)定狀態(tài),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(jié)論

為科學(xué)認識黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩系結(jié)構(gòu)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(nèi)部級聯(lián)作用關(guān)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(shù)據(jù)支撐,結(jié)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(guān)系上表現(xiàn)為聯(lián)合攔蓄、互為補充、彼此協(xié)調(diào)。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(fā)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(fā)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(wěn)定狀態(tài),水深接近0 m;潰壩前壩后水深達到最大值,發(fā)生潰壩后會急劇下降,之后緩慢下降。③發(fā)生潰壩前,由于降雨匯流作用主溝道內(nèi)斷面處水位不斷上升,發(fā)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(wěn)定狀態(tài),水深接近0 m。