桑干河流域淤地坝沉积泥沙特征及其来源解析

[目的]为查明桑干河流域的泥沙主要策源地和侵蚀产沙变化。[方法]选取阳原县高墙乡典型淤地坝沉积泥沙为研究对象,利用复合指纹识别技术,测定沉积泥沙及其源地的土壤粒径、SOC、TN、137 Cs、低频质量磁化率等9种指纹因子,研究了不同淤积阶段的泥沙策源地及坝控小流域侵蚀产沙演变规律。[结果](1)沉积泥沙中137 Cs平均含量较低,与沟壁土壤无显著差异(p>0.05),但极显著小于林草地和耕地的137 Cs含量(p<0.01),这指示淤地坝沉积泥沙主要来源于沟壁;(2)由于沟壁中大部分137 Cs含量低于检出限,137 Cs较好地指示泥沙主要来源沟谷地中的沟壁,但难以用于小流域多种策源地的判别,经Kruskal-Wallis H非参数检验和多元逐步判别分析筛选,确定TN+X lfb+SOC构成最佳指纹因子组合,有效地判别小流域2006—2017年泥沙源地的平均贡献率为沟壁(82.68%±8.20%)>耕地(15.36%±8.46%)>林草地(1.96%±0.33%);(3)在小流域侵蚀产沙过程中,沟壁长期是主要的泥沙贡献区,林草地对侵蚀性降雨的响应较弱,耕地在极端暴雨发生时其泥沙贡献率显著上升。[结论]137 Cs核素示踪技术有效地适用于该区小流域主要泥沙策源地判别,复合指纹技术则可以更好地厘定多元泥沙策源地。沟蚀引起的沟壁崩塌是桑干河流域土壤侵蚀严重的主要原因。

黄土高原淤地坝的减沙作用及其时效性

在黄河近年来沙锐减的背景下,需要深入探究黄土高原淤地坝的减沙作用。本文基于实测数据分析了淤地坝拦沙与入黄泥沙减少量的关系、拦沙作用的时效性以及坝地的减蚀作用。研究结果表明,淤地坝拦沙量一般大于或等于相应的入黄泥沙减少量;流域的林草梯田覆盖率越大、地表土壤粒径越粗,淤地坝因拦沙所致的减沙量占其拦沙量的比例越小。淤地坝拦沙作用的时效性非常突出,拦沙库容淤满即基本失去拦沙能力。失去拦沙能力后,淤地坝仍可依靠拦沙所形成的坝地发挥减沙作用;如果流域的林草梯田覆盖状况较差,坝地减沙作用的"空间影响范围"可达自身面积的4倍。不过,随着流域的林草梯田覆盖率增大,单位面积坝地的实际减沙量会逐渐降低。

黄土高原丘陵沟壑区淤地坝的减水减沙效益分析

根据皇甫川、窟野河、佳芦河、秃尾河、大理河五条支流共 4877座淤地坝的调查资料 ,分析了单坝、坝系减水减沙效益 ,暴雨毁坝增沙情况 ,以及与其影响因素之间的关系 ,可为黄土高原的淤地坝设计标准、坝系建设规划、流域效益评价。

黄土高原仍有拦沙能力的淤地坝数量及分布

淤地坝一直是减少入黄泥沙的重要水保工程,在近年黄河来沙锐减的背景下,现状淤地坝的实际拦沙作用尤其引人瞩目。以潼关以上黄土高原地区为重点区域,基于不同时期的淤地坝调查数据,分析了现状淤地坝的数量及其时空分布、设计淤积库容及截至2008年的淤积量等,结果表明:在目前5 658座骨干坝和1 1248座中型坝中,极可能已失去拦沙能力者分别为1 428座和5 003座,另有1979年以前建成的561座大型坝和2 734座中型坝仍难以判别其剩余拦沙能力;2009—2015年,潼关以上仍具有拦沙能力的骨干坝有3 582~4 143座,仍具有拦沙能力的中型坝有2 933~5 667座,主要分布在河龙区间;现有小型淤地坝39 516座,约95%分布在晋陕两省、90%建成于1989年以前,目前仍能发挥拦沙作用者主要是20世纪90年代以来建成的小型淤地坝。

黄河中游淤地坝工程可持续减沙途径分析

黄河中游地区淤地坝的减洪减沙作用十分显著,但20世纪80年代以后呈降低趋势,如何实现淤地坝的可持续减沙作用值得探讨。以黄河中游淤地坝工程最多的黄河二级支流大理河流域为例,采用"水保法"计算了梯田、林地、草地、坝地四大水土保持措施的减洪减沙量,分析了淤地坝减沙总量及其变化过程,探讨了淤地坝工程实现可持续减沙的技术途径。结果表明,大理河流域平均每淤1hm2坝地需要泥沙75 000t;要达到1km2流域面积发展坝地3.33hm2的目标,需要17a左右的时间;实现淤地坝可持续减沙作用的布坝密度为2.5座/km2;未来大、中、小型淤地坝的配置比例为1∶2.5∶5.5;进行坝系建设时应尽量采用自下游向上游的建坝时序。要实现黄河中游淤地坝的可持续减沙作用,应从坝地发展速度、布坝密度与大、中、小型淤地坝配比、建坝时序及坝体加高5大技术途径方面进行综合分析和实施。同时,还应从淤地坝的后续建设、坡沟兼治、预防超标准洪水、明晰产权制度和加强管理养护等方面,完善并制订相应的政策措施。尤其要重视淤地坝建设的相关科学研究,努力提高其科技含量。

基于BP神经网络的淤地坝次降雨泥沙淤积预测

为了探求淤地坝在次降雨情况下的泥沙淤积量,以黄土高原丘陵区花梁坝实测数据为例,引用3层前馈型BP网络建模方法,对侵蚀性降雨条件下淤地坝泥沙淤积量进行了研究。在模型输入层变量分别为最大30min降雨强度(mm/min)、降雨总量(mm)、平均降雨强度(mm/min)和降雨侵蚀力(mm2.min),输出层变量为淤地坝泥沙淤积量,根据降雨资料和淤积信息对应关系所计算的实际资料,对网络进行了训练,并运用训练后的网络进行模拟和预测。结果表明,BP网络的绝对拟合误差和相对拟合误差均较低,绝对拟合误差最大为-0.0061万t,相对拟合误差最大为-1.2946%。同时,BP网络还具有较高的预测精度,泥沙淤积预测的绝对误差最大为-0.039万t,相对误差最大为-5.5901%。该模型的建立为土壤侵蚀产沙规律的研究提供了一条新途径。

小流域淤地坝系的溃决洪水分析

中国黄土高原建成了数量众多的淤地坝,形成了大量的小流域坝系。当坝系的空间分布不合理时,一坝溃决往往引起下游坝连锁溃决。为了合理评价坝系的整体防洪能力,提出了一套模拟暴雨引起淤地坝坝系连锁溃决过程的方法。定义了坝系中坝的分级规则,提出了一种自动确定每座坝分级的方法。根据坝的分级从低到高的次序,依次对坝系中的每座坝进行产流分析、水库调蓄分析、溃坝判别和溃坝洪水分析,从而模拟坝系的连锁溃决过程。基于上述方法编制了计算程序,对陕西省绥德县的王茂沟小流域坝系的连锁溃决问题进行了模拟,并结合有关淤地坝水毁调查资料对模拟结果进行了分析。

2016年达拉特旗淤地坝水毁原因及拦沙效果

为核查淤地坝水毁原因及对入黄泥沙的影响,基于西柳沟和罕台川小流域19座淤地坝决口现场调查资料,分析得出2016年“8·17”暴雨降雨过程和入黄水沙的特征。针对淤地坝结构和运行特点,结合现场对淤地坝水毁情况尤其是决口部位冲蚀形态的详细查勘,从降雨以及淤地坝规划、设计、施工、管理等方面分析了淤地坝水毁原因,定性给出了淤地坝决口形式及拦沙效果。提出优化坝系布局和建设标准,改进放水建筑物结构并强化施工质量管理,重视预警预报等非工程措施建设等建议。

黄河潼关以上现状淤地坝拦沙作用研究

2000年以来黄河输沙量大幅减少,为揭示淤地坝拦沙对减少黄河输沙量的作用,基于第一次全国水利普查有关数据、淤地坝防汛统计数据、各省逐年淤地坝年报数据及对典型骨干坝和试点小流域坝系的实测资料,采用典型推算的方法,计算了现状淤地坝近年的实际拦沙量。结果表明:截至2011年,潼关以上黄土高原地区共有骨干坝5467座、中小型淤地坝约50350座;2007—2013年黄河潼关以上现状淤地坝年均拦沙量为1.228亿t/a,较20世纪70—90年代明显下降。

黄河潼关以上坝库拦沙作用及流域百年产沙情势反演

水库和淤地坝的拦沙作用是黄河泥沙减少的重要影响因素。通过连续10 a的调查和研究,基本摸清了潼关以上黄河流域淤地坝和水库的数量及其时空分布,进而计算了水库和淤地坝在不同时期的拦(引)沙量、反演了黄河流域过去100 a的产沙情势变化过程。结果表明:20世纪70年代是水库、淤地坝和灌溉工程拦(引)沙最多的时期,合计达5亿t/a,之后逐步降低,2010—2019年为2.73亿t/a。还原水库和淤地坝拦沙量后可见,70年代是过去100 a中流域产沙最剧烈的时期;1980—1999年、2000—2009年和2010—2019年与1930—1969年相比,黄河流域的单位有效降雨产沙量分别降低13%、54%、79%。若按2010年以来的淤积速率测算,至2070年前后,现有水库和淤地坝拦沙量约4000万t/a。该研究不仅可在相当程度上回答过去几十年黄河输沙量减少的原因,而且可为黄河重大工程的拦沙量设计提供参考。

黄土高原水土流失治理与黄河水沙变化

“黄河流域治理,重在保护,要在治理”。明晰黄土高原生态治理成效及其影响下的黄河水沙关系变化,有助于为黄河水沙关系协调提供科技支撑。通过梳理黄土高原水土流失治理历程及措施变化,辨析了治理措施的减沙效应。研究表明:(1)黄土高原历经五个典型治理阶段,主色调由黄变绿,下垫面发生不可逆的变化;(2)2000年以来,主要产沙区汛期雨量偏丰且极端降雨增加,而黄河沙量相对1919—1959年锐减了85%,中游中常洪水发生频次降低,下游河道由淤积转为冲刷;(3)林草、梯田和淤地坝减沙成效显著,溃损淤地坝淤积泥沙出库比<15%,难以发生“零存整取”现象;(4)与历史极端降雨事件相比,2000年后相似降雨条件下,典型流域次洪水量和沙量分别减少30%~78%、53%~88%,水土保持成效显著;(5)新水沙情势下应适时调整黄土高原水土流失治理格局,并完善水沙调控体系,改造下游河道,解放滩区。

黄河花园口以上蓄水工程新增蒸发损失分析

黄河花园口以上地区多属半湿润、半干旱或干旱地区,水库和淤地坝等蓄水工程运用后将增加当地蒸发损失。通过调查资料统计、实地测量、遥感和设计资料查询等途径,分析了该区水库和淤地坝工程的蓄水特点,分别计算了水库、骨干坝和淤地坝的新增蒸发损失。研究表明:花园口以上现状蓄水工程的新增蒸发损失约为17.9亿m3/a,其中水库新增蒸发损失为15.1亿m3/a、占84.4%,骨干坝新增蒸发损失为2888万m3/a、占1.6%,淤地坝新增蒸发损失为2.54亿m3/a、占14.0%。

基于淤地坝建设的黄河中游泥沙粒径变化分析

以黄河中游河口镇—龙门区间及四条典型支流——皇甫川、窟野河、无定河和三川河为研究对象,通过分析实施淤地坝等水土保持措施前后泥沙粒径的变化,认为①自20世纪70年代以来,河龙区间粗泥沙占比(粗泥沙量占年输沙量的比例)、淤地坝减沙量和拦减粗泥沙量均呈下降趋势,淤地坝拦减粗泥沙量的时效性较为明显;②实施水土保持综合治理后,皇甫川、无定河、三川河流域泥沙中值粒径和平均粒径均有细化的趋势;③黄河中游绝大部分流域泥沙中值粒径和平均粒径同时变小,泥沙明显变细;④淤地坝等水土保持综合治理措施不仅具有减沙作用,而且还具有明显的“拦粗排细”作用。鉴于此,减少黄河粗泥沙的重点支流应首选窟野河和皇甫川。

黄土高原地区淤地坝拦沙淤积监测中存在的问题及方法探讨

[目的]探索研究科学成熟的淤地坝拦沙淤积监测方法,为精确获取淤地坝拦沙量,实现淤地坝安全运行和拦沙效益发挥提供实践支撑。[方法]以黄土高原为研究区,总结分析淤地坝拦沙淤积监测的重要性和存在问题,并提出黄土高原地区淤地坝拦沙淤积遥感监测方法。[结果]提出了基于遥感技术获取淤地坝拦沙淤积量的原理和关键影响因素;对比分析了无人机正射测量、无人机倾斜摄影、无人机载LiDAR等遥感方法的精度、工作量和可行性及在淤地坝拦沙淤积监测中的不同应用场景。[结论]相较传统人工调查方式,遥感监测技术在淤地坝拦沙淤积监测中具有较大优势,可满足不同的拦沙淤积监测需求,是未来淤地坝拦沙淤积测量监测的重要发展方向。

黄河中游多沙粗沙区淤地坝对泥沙的分选作用

利用坝地钻探取样资料,对黄河中游多沙粗沙区坝地淤积泥沙粒径的空间变化进行了分析,结果表明:淤地坝对泥沙具有分选作用,坝前泥沙粒径小于坝尾泥沙粒径;泥沙颗粒越粗,这种分选作用越明显。从而认为,在粗泥沙产沙区淤地坝能够起到一定的淤粗排细作用。

黄土高原淤地坝泥沙沉积的空间差异研究

为探索淤地坝泥沙淤积规律,通过野外调查、典型坝取样并对样品进行颗粒级配分析,对黄土高原淤地坝泥沙沉积的空间差异进行了研究。结果表明:垂直剖面上淤积物粗细相间分布,具有一定层理;在水平方向上,坝前淤积物中粗泥沙明显减少;无放水工程的淤地坝坝前黏土层厚度较大,有放水工程时控制面积大的淤地坝淤积物较细;上下游淤地坝表现为上游拦粗下游淤细。

黄土丘陵区淤地坝作用下地下水位动态演化特征

以黄土丘陵区典型淤地坝刀劳庆骨干坝为例,采用野外原位观测及相关分析的方法,研究淤地坝作用下地下水位时空分布格局和动态演化特征,揭示上下游补排关系及驱动因素,为淤地坝坝区地下水资源保护与高效利用提供理论依据。结果表明:(1)淤地坝下游和坝区地下水位年最大变幅分别为1.82 m和1.27 m,坝下游地下水位整体呈下降趋势,而坝区内地下水位呈上升趋势;(2)淤地坝区和下游两观测点地面高差9 m,直线距离478 m,淤地坝地下水位比下游地下水位高7.51 m,淤地坝坝区内地下水补给坝下游地下水;(3)淤地坝下游地下水位变化具有明显的季节性,形成高峰(非雨季)与低谷(雨季),降雨补给地下水具有时滞性,坝内夏季地下水位上升、其他季节下降;(4)农业灌溉用水量增加是地下水位变化的重要驱动力,其对坝下游地下水位的影响大于坝区。

径流还原计算中淤地坝拦蓄水量还原计算方法

黄土高原地区淤地坝分布密集,对天然产汇流过程扰动较大,给径流还原或水资源评价带来了极大的影响。因此,研究淤地坝影响下的径流还原计算方法对区域水资源评价或径流设计有重要意义。以黑木头川流域为研究对象,分别采用还原系数法和径流系数法计算了殿市水文站控制产汇流区的淤地坝逐年拦蓄水量,并将两种方法的结果进行对比,论证了还原系数法的适用性。还原系数法的计算结果表明：1971-2007年殿市水文站产流区内的淤地坝平均年拦蓄水量为86.21×104m3,与径流系数法计算所得到的拦蓄水量基本一致,相对误差仅为1.36%。同时,研究发现单位控制面积分摊后的拦蓄水量在年际变化上并不显著,基本维持在某一区间内。研究结果表明还原系数法不仅可用于洪水还原,也可较为准确地计算淤地坝影响区的淤地坝拦蓄变量。作为河川径流还原计算方法或淤地坝影响的黄土高原地区水资源评价研究的计算方法之一,可与径流系数法进行交叉验证,进而获得比较准确的淤地坝拦蓄水量。且由于淤地坝年拦水量空间分摊后,单位控制面积的拦水量基本稳定,故在淤地坝上游无明显人类活动的情况下,可据此初估已知或近似区域淤地坝控制流域面积条件下的淤地坝年拦蓄水量,为黄土高原地区今后开展水资源评价和径流预报提供一条简单的途径。

淤地坝拦蓄作用下的产流阈值估算

黄河中游地区淤地坝群的建设对流域产汇流过程造成强烈干扰,其拦蓄作用形成产流阈值效应,给该地区洪水过程预报预警带来较大困难。通过分析淤地坝拦蓄作用下的库容变化规律,推导了淤地坝影响的产流阈值计算公式,根据淤地坝历史淤积数据,拟合了一种淤地坝运行寿命估算公式。并以黄河河龙区间清涧河流域为例,识别出不同年份仍有拦蓄库容的有效骨干淤地坝数量及空间分布,计算了不同分区、不同年份骨干淤地坝拦蓄作用下的产流阈值,可为该地区暴雨洪水预报模型研究提供有益参考。

浅谈坝系建设单元控制论及其应用

为了解决坝系内洪水控制等问题,作者根据多年坝系建设实践经验和近几年对陕、晋、蒙、甘、宁、青、豫7省(区)坝系形成过程的深入调研,提出了坝系建设单元控制论,即:小流域坝系可分为若干个坝系单元,在每个坝系单元下游建设控制性骨干工程,在单元内实现大、中、小型淤地坝合理配置,可使各单元内洪水泥沙得到有效控制,从而实现整个坝系的安全运行。分析了单元控制论在淤地坝建设中的意义,并介绍了应用实例。