黄土丘陵第三副区典型淤地坝系结构特征分析

宇 涛, 李占斌,3, 陈怡婷, 袁水龙, 王 伟

(1.西安理工大学 旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室, 西安 710048;2.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室, 西安 710048;3.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

淤地坝作为黄土高原最主要的沟道治理措施，在黄土高原大量建设，截至2011年第一次全国水利普查，黄土高原仍有淤地坝5.6万座，且大多数淤地坝已经形成了坝系[1]。淤地坝系是为了拦蓄沟道洪水和泥沙，改善小流域生态经济环境，提高水土资源开发利用效果，在小流域各级沟道科学布设骨干坝、中、小型淤地坝，形成有机结合、功能协调、具有树形结构的小流域沟道工程体系[2-3]。坝系规划是指在防治水土流失的前提下，科学合理地布设淤地坝，使坝系的投资最少[4]。能够让单个淤地坝发挥最大的作用、并且形成具有防洪、拦泥、生产等综合功能的淤地坝系统，是坝系规划的重点内容，更是淤地坝建设运行和管理中首先要解决的问题[5]。目前针对淤地坝系规划建设的研究已有大量报道，水利部黄河水利委会绥德水土保持试验站于1983年，使用正交试验分析法，探索小流域淤地坝坝系的建坝密度、建坝顺序、骨干坝位置、建坝时间间隔及泄水建筑物结构组成等方面的优化设计方案[6]。部分学者在90年代以后利用非线性规划等技术对坝高和建坝时间进行优化规划研究[7-8]。刘志刚等[9]基于现有的黄土高原小流域基础数据，运用“3S”技术、计算机图形技术、数据库技术、虚拟现实技术等，开发了小流域坝系规划三维可视化决策支持系统。王丹等[10]选取黄土丘陵第一副区韭园沟坝系为研究对象，综合考虑经济、安全及效益等各方面因素，构建了淤地坝系布局评价系统。王丹等[11]对宁夏典型流域淤地坝的运行风险进行了综合评价。目前关于淤地坝系的研究多处于淤地坝系的规划设计阶段，针对已建成坝系的研究还较少；且研究区大多处于黄土丘陵第一副区，针对黄土丘陵第三副区的研究鲜为报道，因此研究黄土丘陵第三副区典型淤地坝系结构特征具有重要意义。本研究通过对黄土丘陵第三副区车路沟坝系沟道特征、库容分布特征、泥沙淤积及蓄水量分布特征总结，并对坝系的级联方式进行解析，以及对把口站的水沙变化趋势进行分析，阐明黄土丘陵第三副区典型淤地坝系的结构特征。研究成果以期为黄土高原淤地坝系建设管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

车路沟流域位于宁夏回族自治区西吉县东部，流域距县城约15 km。属渭河水系一级支流葫芦河的一级支沟，流域面积89.5 km2，相对高差339 m，为黄土丘陵沟壑第三副区。流域在平面上呈三角形，主要支沟有大坪和鹞子川两条，主沟道平均比降为1/180。流域气候属于中温带半湿润向半干旱过度类型，具有大陆性季风气候，多年平均气温为4.9℃，最高气温32.6℃，最低气温-27.9℃。降雨量少，且时空分布不均，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。年径流模数3.5万m3/km2，年侵蚀模数4 800 t/km2，水土流失面积78.3 km2，占流域总土地面积87.5%，沟道长度73.39 km，沟壑密度0.82 km/km2，强度侵蚀以上面积占水土流失面积46.61%[12]。水土流失以水蚀为主，兼有重力侵蚀。西吉车路沟坝系共有淤地坝44座，其中骨干坝10座，中型坝16座，小型坝18座。

图1 西吉车路沟坝系布局

1.2 数据来源与分析

车路沟流域淤地坝资料来源于宁夏回族自治区水保局，主要包括淤地坝位置、建坝时间、总库容、防洪库容、淤积库容、已淤积库容和蓄水量等数据。夏寨水文站为车路沟流域的把口站，共收集到其1984—2004年、2007—2014年的日平均流量和含沙量数据，所涉及的流量、含沙量等的测量和试验分析严格按照国际标准进行，数据来源于宁夏水文局[13]。根据水文监测的相关标准[14]，本研究以径流深>0.05 mm，洪峰流量>0.1 m3/s，历时超过150 min的汛期径流事件为一次洪水事件[15]。流域的DEM数据来源于中国地理数据云，精度为30 m。主要通过软件ArcGIS 10.1和Excel 2010对数据进行分析，沟道和子流域通过SWAT中的流域划分(Watershed Delineator)工具进行提取，最小控制面积为0.1 km2，通过Mann-Kendall(M-K)检验对水沙变化趋势进行分析。

2 结果与分析

2.1 车路沟流域沟道特征分析

根据美国地貌学家R. E. Horton和A. N. strahler提出的地貌几何定量的数学模型分级方法[16]，对于小流域的分析类比较为科学，该方法强调在一个流域内最小的不可分枝的支沟属于第一级水道，以此类推，直到全流域水道划分完毕。通过全流域的沟道为最高级水道，也就是小流域的流域等级，这种方法显著的特点是同级沟道侵蚀形态具有明显的相似性。由表1可得，随着沟道级别的提高，沟道平均面积增大，平均沟长增加，但沟道的平均比降减小。由于Ⅰ级沟道控制面积较小，但数量巨大，因此以建设小型坝为主；Ⅱ级沟道控制面积增大，沟道数量减少，以建设中型坝为主；Ⅲ级、Ⅳ级沟道控制面积进一步增大，区间来水来沙量巨大，因此以建设沟道骨干工程为主。

表1 车路沟沟道特征分析

2.2 淤地坝系分布特征分析

由表2可以看出，西吉车路沟坝系共有淤地坝44座，其中骨干坝10座，中型坝16座，小型坝18座。Ⅰ级沟道小型坝的数量最多，Ⅱ级沟道中型坝的数量最多，Ⅲ级和Ⅳ级沟道骨干坝的数量最多。随着沟道级别的提高，骨干坝占比逐渐增大，中型坝和小型坝的占比逐渐减小，因此主沟道以骨干坝建设为主，同时修建部分中型坝和小型坝，支沟则以小型坝和中型坝建设为主。车路沟坝系Ⅰ级沟道小型坝的数量虽然最多，但中型坝的坝控面积最大，占Ⅰ级沟道坝控面积的59.40%；Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级沟中，骨干坝的坝控面积最大，中型坝次之，小型坝最小，因此坝系中骨干坝的数量虽然最少，但是在流域中起到控制性作用；随着沟道级别的提高，骨干坝的坝控面积逐渐增大，中型坝和小型坝的坝控面积逐渐减小(表3)。

表2 车路沟坝系淤地坝分布特征统计

表3 车路沟坝控面积分布特征统计

2.3 淤地坝系设计库容分布特征

西吉车路沟坝系总库容1 453.21万m3，其中骨干坝库容1 011.68万m3，占总库容69.62%；中型坝库容335.06万m3，占总库容23.06%；小型坝库容106.47万m3，占总库容7.33%；Ⅰ级沟道中，中型坝库容最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝库容最大，中型坝次之，小型坝最小。随着沟道级别的提高，骨干坝的总库容表现为逐渐增大，中型坝和小型坝的总库容表现为逐渐减小(表4)。由图2A可以看出，Ⅰ级沟道中，中型坝的设计防洪库容最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝的设计防洪库容最大，中型坝次之，小型坝最小。随着沟道级别的提高，骨干坝的设计防洪库容表现为逐渐增大；中型坝和小型坝逐渐减小。由图2B可以看出，Ⅰ级沟道中，中型坝的设计淤积库容最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝的设计淤积库容最大，中型坝次之，小型坝最小。随着沟道级别的提高，骨干坝的设计淤积库容表现为逐渐增大；中型坝和小型坝的设计淤积库容表现为先增大后减小。

表4 车路沟淤地坝总库容分布特征统计

图2 车路沟淤地坝系设计库容分布特征

2.4 淤地坝系泥沙淤积和蓄水量分布特征

对车路沟淤地坝系泥沙淤积和蓄水量分布特征进行统计(图3)。由图3A可以看出，Ⅰ级沟道中，中型坝的已淤积库容最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝的已淤积库容最大，中型坝次之，小型坝最小。骨干坝在Ⅱ级和Ⅲ级沟道中的已淤积库容基本相等，而Ⅳ级的已淤积库容几乎是Ⅱ级和Ⅲ级沟道已淤积库容的总和；中型坝和小型坝的已淤积库容随着沟道级别的提高，表现为先减小后增大。由图3B可以看出，Ⅰ级和Ⅱ级沟道中，中型坝的蓄水量最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝的蓄水量最大，中型坝次之，小型坝最小。随着沟道级别的提高，骨干坝的蓄水量逐渐增大；中型坝和小型坝的蓄水量表现为先减小后增加。车路沟坝系总剩余淤积库容265.04万m3，其中骨干坝剩余淤积库容244.67万m3，占总剩余淤积库容92.31%；中型坝剩余淤积库容11.26万m3，占总剩余淤积库容4.25%；小型坝已淤积库容9.11万m3，占总剩余淤积库容3.44%(表5)。车路沟坝系中型坝和小型坝的设计淤积库容已经几乎淤满，而骨干坝还剩余较大的淤积库容。Ⅰ级沟道中，中型坝的剩余淤积库容最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝的剩余淤积库容最大，中型坝次之，小型坝最小。

图3 车路沟淤地坝系泥沙淤积和蓄水量分布特征

表5 车路沟淤地坝剩余淤积库容分布特征统计

2.5 淤地坝系级联方式解析

根据车路沟坝系调查资料，结合小流域水系图，对车路沟坝系结构进行解析，结果如图4所示。车路沟坝系在总体上可划分为4个坝系单元，分别为沟口坝系单元、王昭坝系单元、盘路湾坝系单元、前咀坝系单元。车路沟坝系框架布局中各单坝与坝系单元之间存在明确的控制或从属关系，王昭坝系单元控制着盘路湾和前咀坝系单元，盘路湾坝系单元和前咀坝系单元互为并联关系，王昭坝系单元处于上中游位置，其对洪水泥沙的拦截起着承上启下的作用，通过拦截上游下泄的洪水来缓解干沟淤地坝的防洪压力(图4)。

对车路沟坝系单元关系特征统计可以看出，车路沟小流域坝系单元平均控制面积为29.85 km2，各坝系单元建坝数量在5～14座之间，每个坝系单元平均布坝11座，大、中、小型淤地坝配置比例为5∶8∶9；各坝系单元对洪水泥沙的控制关系表现为联合拦蓄、互为补充、彼此协调，上游的坝系单元通过拦蓄洪水泥沙为下游干沟淤地坝减轻防洪压力，坝系单元内部各中小型坝尽快淤积成地。车路沟坝系总库容1 437万m3，当前车路沟坝系拦泥量为220.82万m3，占总库容的15.37%，说明整个坝系淤地很少，还具有很大淤积潜力(表6)。

图4 西吉车路沟域坝系单元控制关系框架

2.6 淤地坝系把口站水沙变化趋势分析

夏寨水文站位于葫芦河支流车路沟上，为车路沟流域的把口站。测站断面与夏寨水库都位于西吉县城附近，控制流域面积89.5 km2，自1972年建站至今，主要观测内容包括河道水位、流量、含沙量等。从宁夏水文局获取了夏寨站1984—2004年、2007—2014年的次洪和含沙量资料，所涉及的流量、含沙量等的测量和试验分析严格按照国际标准进行。Mann-Kendall(M-K)检验被广泛应用于降水、径流和水质等水文气象序列的趋势变化[17-18]。通过M-K检验对水沙数据进行趋势变化分析，结果见表7。由表7可以看出，夏寨站的洪峰流量和最大含沙量呈减小趋势，洪峰流量的突变点发生在2003年，最大含沙量的突变点发生在2004年，这可能与车路沟在2004年前后开始进行淤地坝建设有关。

表6 车路沟坝系单元关系特征

表7 车路沟坝系单元关系特征

3 结 论

(1) 车路沟流域随着沟道级别的提高，沟道平均面积增大，平均沟长增加，平均比降减小。Ⅰ级沟道小型坝的数量最多，Ⅱ级沟道中型坝的数量最多，Ⅲ级和Ⅳ级沟道骨干坝的数量最多。Ⅰ级沟道小型坝的数量虽然最多，但中型坝的坝控面积最大，占Ⅰ级沟道坝控面积的59.40%；Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级沟中，骨干坝的坝控面积最大，中型坝次之，小型坝最小。

(2) 西吉车路沟坝系总库容1 453.21万m3，其中骨干坝库容占总库容69.62%，中型坝占总库容23.06%；小型坝占总库容7.33%；随着沟道级别的提高，骨干坝的总库容和设计防洪库容表现为逐渐增大，中型坝和小型坝表现为逐渐减小；随着沟道级别的提高，骨干坝的设计淤积库容表现为逐渐增大；中型坝和小型坝表现为先增大后减小。

(3) 车路沟坝系中型坝和小型坝的设计淤积库容已经几乎淤满，而骨干坝还剩余较大的淤积库容。Ⅰ级沟道中，中型坝的剩余淤积库容最大，小型坝次之，骨干坝最小；其余各级沟道表现为，骨干坝的剩余淤积库容最大，中型坝次之，小型坝最小。

(4) 车路沟坝系框架布局中各单坝与坝系单元之间存在明确的控制或从属关系，各坝系单元对洪水泥沙的调控表现为联合拦蓄、互为补充、彼此协调；上游坝系单元通过拦蓄洪水泥沙为下游干沟淤地坝减轻防洪压力，坝系单元内部各中小型坝尽快淤积成地。车路沟坝系总库容1 437万m3，当前车路沟坝系拦泥量为220.82万m3，占总库容的15.37%，仍具有很大淤地潜力；随着车路沟淤地坝系的建设，流域把口站的水沙趋势发生了明显变化。