宁夏典型流域淤地坝系运行风险评价

王丹, 哈玉玲，李占斌†, 于坤霞，卜崇德，张虎威，苏立平

(1.西安理工大学，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048，西安；2.宁夏回族自治区水利厅，750000，银川)

宁夏典型流域淤地坝系运行风险评价

王丹1, 哈玉玲2，李占斌1†, 于坤霞1，卜崇德2，张虎威2，苏立平2

(1.西安理工大学，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048，西安；2.宁夏回族自治区水利厅，750000，银川)

病险坝会严重地威胁到人民生命和经济财产安全，因此淤地坝运行风险的识别和研究尤为重要。选取宁夏西吉县车路沟坝系为研究对象，分别提取并建立一套相对完整的单坝及坝系运行风险评价指标体系，结合改进层次分析法计算指标权重，对各坝7个暴雨重现期下的运行风险及坝系300年一遇情景下的运行风险进行了评价。结果表明：随着重现期的增加，车路沟、前咀骨干坝以及东庄湾中型坝的风险等级发生了不同程度的变化，需重点关注；当遭遇300年一遇暴雨时，西吉车路沟流域运行风险值由高到低依次是：王昭单元>前咀单元>流域坝系>大坪单元>盘路湾单元，各淤地坝单元以及流域坝系均处于运行安全状态。本研究整体上实现了单坝，淤地坝单元以及流域坝系的运行风险评价，为该地区的淤地坝安全预报预警提供一定的借鉴和参考。

淤地坝系； 坝系单元； 运行风险； 指标体系

淤地坝是黄土高原地区防止水土流失有效的工程措施之一，宁夏水利水保部门结合实际，积极探索，推动水土保持淤地坝建设和管理工作的良性发展[1]，淤地坝建设模式逐步由单坝向坝系、由淤地为主向淤地蓄水相结合、由单一水保型向水保经济生态复合型转变[2]，先后建成灵武市水洞沟、西吉县车路沟、盐池县荫子沟、原州区张易河、隆德县什子河等一批具有示范作用的坝系。

目前，有学者对坝系评价系统进行了初探。陈骞[3]研究土壤侵蚀模数对坝系布局的作用，蒋耿民[4]利用多层次模糊综合评价模型对坝系工程总体布局进行综合动态评价;但针对多坝系单元组合的系统评价所见不多。笔者选取宁夏西吉车路沟流域坝系为研究对象，分别从工程、管理、经济、结构4方面提取并建立一套相对完整的单坝评价指标体系，并对各坝7个重现期下的运行风险进行评价。在此基础上，考虑坝系整体运行安全，补充建立坝系运行风险评价指标体系，综合计算西吉车路沟坝系300年一遇情景下，淤地坝单元及流域坝系的运行风险，整体上实现了单坝、淤地坝单元以及流域坝系的系统性评价，便于管理部门及时获取各种情况下的工程安全信息及等级[5]，为制订安全运行管理办法提供理论参考。

1 研究区概况

车路沟流域位于宁夏回族自治区西吉县东部，属渭河水系一级支流葫芦河的一级支沟，为黄土丘陵沟壑第Ⅲ副区，流域面积89.5 km2。流域多年平均降水量为448 mm，地形支离破碎，沟壑纵横，沟谷呈“U”型，水土流失形态以水蚀为主，兼有重力侵蚀，年均侵蚀模数为4 800 t/km2，年均输沙量43.0万t。根据2010年宁夏淤地坝基本情况复核表，西吉车路沟流域坝系共计淤地坝46座，总库容1 654.45万m3，淤积库容590.37万m3。骨干工程与中小型淤地坝配置比例为1∶4.2，坝系布局见图1。

2 研究方法

2.1 淤地坝运行风险影响因素分析

引起淤地坝溃坝的原因主要可概括为：1)淤地坝投入运行时间较长，导致淤地坝滞洪库容不足，泄水建筑物被堵塞或者已经损坏导致淤地坝泄洪能力不足；2)淤地坝系设计不合理，串联淤地坝较多，导致连锁溃坝；3)淤地坝建设质量较低，经过长时间淤积和沉降，导致大坝整体失稳和坝体变形造成裂缝；4)缺乏管护措施。

2.2 评价指标的构建与计算

2.2.1 淤地坝单坝评价指标体系的建立 根据宁夏淤地坝工程水毁资料、病险特征及受损破坏成因，结合国内外淤地坝环境效应及其他相关研究[6]，从淤地坝设计(包括淤地保收、拦蓄洪水等功能)、运行(运行工程中出现的病险情况)、管理(日常管护情况)3个方面综合考虑，建立3个层次共13个指标的单坝运行风险评价指标体系，并利用改进层次分析法[7-9]计算各指标权重，汇总见表1。

图1 西吉车路沟坝系布局图Fig.1 Dam system distribution of Chelugou watershed in Xiji

目标层(a)Targetlayer准则层(b)Criterionlayer权重(q)Weight指标层(c)Indexlayer权重值(w)Weightvalue淤地坝运行风险Operationriskofcheckdam(a)工程风险Engineeringrisk(b1)050管理风险Managementrisk(b2)013经济风险Economicrisk(b3)007结构风险Structurerisk(b4)030淤积系数Sedimentcoefficient(c1)003拦洪风险Floodcontrolrisk(c2)046滞洪风险Flooddetentionrisk(c3)031蓄水风险Waterstoragerisk(c4)006危险系数Dangercoefficient(c5)013日常管理风险Dailymanagementrisk(c6)053应急风险Emergencyrisk(c7)032监测设施Monitoringfacilities(c8)015下游经济风险Downstreameconomicrisk(c9)075保收风险Harvestrisk(c10)025坝体损坏系数Damagecoefficientofdambody(c11)057放水建筑物损坏系数Damagecoefficientofdrainagestructure(c12)028泄水建筑物损坏系数Damagecoefficientofdis⁃chargestructure(c13)016

工程风险：

1)淤积系数

U=1-I/0.04。

(1)

式中：U为淤积系数；I为相对稳定指标。

相对稳定指标

I=S/F。

(2)

式中：I为相对稳定指标；S为设计淤地面积，km2；F为坝控流域面积，km2；

2)拦洪风险

Wd=1-1/Ip。

(3)

式中：Wd为拦洪风险；Ip为淤地坝的安全系数。其中，Wd<0的取值为0。

安全系数[10]

Ip=Wp/A(h+hc)。

(4)

式中：Ip为淤地坝安全系数；Wp为频率为p的洪水总量，万m3；A为坝地实有面积，hm2；h允许水淹深度，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为淤地坝含沙洪水落淤的平均厚度，m；Wp为频率为p的洪水总量，万m3；Ps为洪水清浑比；S为设计淤地面积，万m2。

3)滞洪风险：滞洪库容与剩余库容的比值。宁夏地区淤地坝普遍存在蓄水现象，剩余库容为总库容中除去已淤积库容及蓄水量的剩余库容。

4)蓄水风险：年均蓄水量与淤积库容的比值，表征蓄水量侵占淤积库容的程度，侧面反映渗流溃坝风险。

5)危险系数：淤地坝本身属性也影响其安全运行，其中坝高又是最直接影响因素。坝高大于30 m为骨干坝，15～30 m为中型坝，小于15 m为小型坝。笔者取中间值25 m对坝高进行标准化，计算即得危险系数。

管理风险：

1)日常管理风险：若当地居民对淤地坝管理维护到位，则日常管理风险取值0.1，否则为1。

2)应急风险：若有应急措施，应急风险取值为0.1，没有则取值为1。

3)监测设施：淤地坝有监测设施且设施齐全，监测设施取值为0.1，没有则取值为1。

经济风险：

1)下游经济风险：流域骨干坝下游均有重要居民建筑和生产工厂时取值为1。各支沟流域出口淤地坝取值为0.8，由沟口向沟头，第2座淤地坝取值为0.6，依次类推。

2)保收风险：车路沟流域坝地主要作物为玉米和编织用芦苇，主汛期生长高度可达1.2～1.5 m，根据当地作物耐淹情况，借鉴相关研究，确定坝地保收标准为淹水深度不大于0.8 m[11]。根据辛全才等[12]研究，如果坝地滞洪水深小于作物生长允许淹没水深时作物保收，否则认为作物遭灾绝收。坝地保收率计算公式为

P=1-1/N。

(6)

式中：P为坝地保收率；N为滞洪水深所对应洪水重现期。

本研究的保收风险定义为

Bd=1-P。

(7)

式中：Bd为保收风险；P为坝地保收率。

结构风险：

结构风险层主要包括3个指标：坝体损坏系数、放水建筑物损坏系数和泄水建筑物损坏系数。根据《宁夏中型以上病险淤地坝名录》，各种破坏形式对淤地坝安全运行的影响程度不同，赋值标准见表2，该值越大，对淤地坝安全运行造成的威胁越大，据此完成赋值。

表2 结构破坏形式赋值标准Tab.2 Assignment standard of different structural failure forms

2.2.2 淤地坝坝系评价指标体系的建立 在单坝评价指标体系的基础上，删除工程风险中影响程度较弱的指标，同时增加有无溢洪道、坝系布局性判别标准指标，重新建立3个层次共12个指标的坝系运行风险评价指标体系，利用改进层次分析法计算指标权重，汇总见表3。

1)有无溢洪道：根据水利部规定，骨干坝下游有重要防护对象或库容在100万m3时必须修建溢洪道，基于《宁夏中型以上病险淤地坝名录》对各坝系(单元)的淤地坝进行定量赋值。

2)布局系数：坝系布局涉及布坝密度、淤地坝控制比例等因素，一定程度上影响坝系安全运行，从流域坝系(单元)中的大型坝控制比例、淤地坝串联率、布坝密度、单位淤地面积投资、侵蚀模数等方面综合定量赋值，不同指标对布局合理性影响程度不同，赋值标准见表4，据此完成赋值，各指标释义及计算方法详见[13]。

2.3 风险等级标准划分

结合相关研究及实际情况，制定风险等级标准见表5。

3 结果与分析

3.1 单坝运行风险计算与评价

分别考虑10、20、30、50、100、200和300年一遇7个重现期，利用公式12及13计算西吉县车路沟坝系各坝不同重现期下的运行风险分值，根据表5确定其风险等级，评价结果汇总见表6，并利用ArcGIS得到运行风险时空分布图(图2)。

表3 淤地坝坝系运行风险评价指标体系及权重Tab.3 Evaluation index system of dam system’s operation risk and their weight

表4 布局合理性指标赋值标准Tab.4 Assignment standard of index about reasonable distribution

表5 风险等级划分标准Tab.5 Assignment standard of risk level

表6 西吉县车路沟坝系淤地坝单坝运行风险评价结果Tab.6 Evaluation results of single dam’s operation risk of Chelugou watershed in Xiji

表6(续) Continued form of Tab.6

图2 西吉车路沟流域坝系淤地坝运行风险时空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of check dam’s operation risk of Chelugou watershed in Xiji

3.2 坝系运行风险计算与评价

将整个流域坝系划分为1个主沟坝系单元和4个子坝系单元，并为考虑坝系可能遭遇最不利情景，同时助力于管理安全，分别以各淤地坝单元以及流域坝系为研究对象，评价该坝系300年一遇暴雨情景下的运行风险。西吉车路沟坝系单元间的控制与从属关系见图3，坝系单元关系特征见表7。

计算各坝系单元各指标要素值，结合表3指标权重及表5风险等级划分标准，确定各淤地坝单元及流域坝系风险等级，评价结果汇总见表8。

4 结果与讨论

分析单坝评价结果，由图2可知，西吉车路沟坝系淤地坝在10年一遇情景下，部分处于Ⅲ级(一般危险状态)，部分处于Ⅳ级(一般安全状态)。随着重现期的增加，鹞子川骨干坝，杨家川、石坡、下湾里、军运沟、后湾里、上北庄中型坝以及大坪1号小型坝由10年一遇下的Ⅳ级(一般安全状态)增加为20年一遇下的Ⅲ级(一般危险状态)，但此时仍认为遭遇20年和30年的洪水，该坝系内所有淤地坝均是安全的。随着重现期的继续增加，车路沟、前咀骨干坝以及东庄湾中型坝的风险等级由10年一遇下的Ⅲ级(一般危险状态)分别在遭遇重现期为50、100和300年的洪水时增加为Ⅱ级(危险状态)，其余各坝均未发生变化；因此，这3座坝需重点关注，当出现对应洪水重现期的暴雨时，管理部门需高度重视，而各坝风险等级发生突变的对应重现期便可为洪水预警提供理论依据，具有一定的现实指导意义。整体看来，西吉车路沟坝系各坝工程风险和经济风险普遍偏高，分析可知，各坝淤积系数均较高，可能由于宁夏多数坝淤地较少，多以蓄水为主，因此坝系稳定相对较弱，导致经济风险中较高的保收风险。因此该地区淤地坝蓄水现象应该受到一定控制，或者可将蓄水坝除险加固为小型水库，保证其安全运行。

图3 西吉车路沟流域坝系单元控制关系框架图Fig.3 Control relationship frame of dam system unit of Chelugou watershed in Ningxia

而由坝系评价结果可以看出，当遭遇300年一遇暴雨时，西吉车路沟流域运行风险值由高到低以此是：王昭单元>前咀单元>车路沟流域坝系>大坪单元>盘路湾单元，由此确定除大坪单元及盘路湾单元处于Ⅳ级(一般安全状态)以外，其他坝系单元均处于Ⅲ级(一般危险状态)。综上，该坝系在300年一遇情景下，淤地坝单元以及流域坝系均可实现安全运行。影响整个车路沟坝系的关键单元是王昭单元与前咀单元，除修建溢洪道以外，应对坝体及放水建筑物损坏的部位尽快进行维修加固，消除隐患。

表7 车路沟坝系单元特征Tab.7 Characteristics of dam unit in the CheLugou watershed

表8 西吉车路沟流域淤地坝系运行风险评价结果(300年一遇)Tab.8 Evaluation results of dam system’s operation risk of Chelugou watershed in Xiji(Occuring in 300 years)

5 结论

1)在收集流域坝系工程调查数据的基础上，通过反复分析、论证和筛选，建立3个层次13个指标的单坝运行风险评价指标体系以及3个层次12个指标的坝系评价指标体系，为后续小流域淤地坝安全评价系统的建立与评估工作的开展提供了技术支撑和理论依据。

2)基于单坝风险评价体系对宁夏西吉县车路沟流域坝系单坝进行了7个重现期下的运行风险评价，由风险分布图可得到重点关注坝。

3)利用淤地坝坝系风险评价体系实现了淤地坝单元及流域坝系的风险评价，当遭遇300年一遇暴雨时，西吉车路沟流域运行风险值由高到低依次是：王昭单元>前咀单元>西吉车路沟流域坝系>大坪单元>盘路湾单元，且均处于运行安全状态。

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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

项目名称： 国家重点研发计划项目“宁夏淤地坝运行风险研究”(2016YF0402404)；国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态建设的生态-水文过程相应机理研究”(41330858)；国家自然科学基金“黄土高原流域淤地坝对流域侵蚀过程调控机理研究”(41401305)；水利部公益性行业科研经费“生产建设项目水土保持生态效应与评价技术研究”(201501045)

王丹(1991—)，女，硕士研究生。主要研究方向：干旱水文与雨洪侵蚀。E-mail：1149970744@qq.com

†通信作者简介： 李占斌(1965—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蚀和水土保持。E-mail： zbli@ms.iswc.ac.cn

S157

A

2096-2673(2017)03-0017-09

10.16843/j.sswc.2017.03.003