Distribution, failure risk and reinforcement necessity of check-dams on the Loess Plateau: a review

Check-dams are the most important measure to control the soil and water loss in highly erodible catchments on the Chinese Loess Plateau.Based on the data of check-dams from 1950 to 2014,our study roundly analyzed the regional distribution,function and the problems of check-dams on the Loess Plateau.A total of 17,094 check-dams with a storage capacity of over 100,000 m^(3) and an average density of 0.027 counts km^(-2) were installed on the Loess Plateau.Check-dams’densities varied greatly in the Qinghai Province,Gansu Province,Ningxia Hui Autonomous Region,Inner Mongolia Autonomous Region,Shaanxi Province,Shanxi Province and Henan Province.The highest density of check-dams reached 0.088 counts km^(-2) in Shaanxi Province,whereas the lowest density of check-dams was only 0.005 counts km^(-2) in Qinghai Province.However,after decades of operation,3025 large check-dams and 2257 medium check dams are dangerous and have security risks,which are seriously threatening downstream safety.The dangerous rate of checkdams is high.Specifically,the check-dams in Shanxi and Qinghai Province have the highest dangerous rates,with both exceeding 53%.Therefore,there is an urgent need for carrying out reinforcement of the dangerous check-dams.The results are helpful to policymakers to extend and develop check-dams.

Experiments on Channel Evolution Caused by Check-dam Failure

A 10 m long,0.2 m wide flume was employed to simulate the channel bed evolution of check-dam failure.The experiment longitudinal profiles,the gradient of channel bed,head-cutting propagation distance and deposition length were compared with the theoretical solution derived from a sediment transport diffusion equation.In contrast with the theoretical solution,two different gradients were obtained upstream and downstream of the check-dam.The theoretical solution provides a good description of the changes upstream of the check-dam. The ratio of clear water depth to sediment moving layer thickness in the experiment was analyzed and showed that high concentration sediment laden flow was taken in the incipient of check-dam failure,which may be the reason why the experiment result was slightly different from the theoretical solution in the downstream of check-dam.

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明:1)以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505(P<0.05),模型精度随着流域面积增大而下降,在面积大于7000 km^(2)的流域适用性较差;2)年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期纳什效率系数平均值为0.84,均方根误差平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3)影响研究流域年输沙量变化的因素依次是:年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。

极端降雨条件下淤地坝系溃决损失计算方法

近年来,由于自身“服役”状态欠佳和汛期极端降雨天气频发,淤地坝在发挥综合效益的同时面临着溃决风险。这对下游人民生命财产和生态环境保护造成极大威胁。因此,亟需提出极端降雨条件下淤地坝系溃决损失的定量计算方法。基于“家谱法”坝系溃决风险分析程序FT-IWHR、溃口流量程序DB-IWHR、一维洪水演进计算程序,提出淤地坝系溃决—洪水演进全过程计算方法,结合李—周法生命损失计算模型等,构建涵盖生命损失、经济损失、社会环境影响3方面的溃决损失计算方法体系;并在西五色浪流域淤地坝系进行应用。结果表明:警报时间对生命损失数量影响极大,充分警报和无警报下生命损失数量相差10倍左右且降雨量超过100年一遇后损失激增,坝系以中小型淤地坝溃决为主。溃决损失计算方法可实现对淤地坝系溃决损失进行快速量化评估,为淤地坝系安全度汛和病险坝除险加固工作提供技术支撑,同时建议西五色浪流域做好中小型淤地坝的溃决风险防控工作。

考虑降雨-洪水-泥沙作用下的淤地坝溃决致灾风险评估

淤地坝一旦遭遇极端降雨极易导致洪水漫顶溃决,将对下游人民群众造成极大威胁,亟需开展淤地坝溃决风险定量评估。现有研究忽略泥沙对溃决致灾过程的影响。本研究通过分析降雨诱发的泥沙对溃决致灾的影响过程,揭示降雨-洪水-泥沙作用下的溃决致灾机制,建立考虑降雨-洪水-泥沙作用下的淤地坝溃决致灾风险定量评估模型,将传统的“降雨-洪水”研究发展为“降雨-洪水-泥沙”,实现溃决坝体的精准判定和风险定量评估。将模型应用于王茂沟流域两次溃决案例,并评估不同重现期降雨量的溃决致灾风险。结果表明:考虑泥沙对溃决致灾过程的影响,判定关地沟3坝、背塔沟坝和康和沟3坝溃决,判定结果与实际溃决情况吻合,忽略泥沙影响则背塔沟坝的溃决判定存在差异。与忽略泥沙对溃决致灾的作用相比,考虑泥沙作用2017-7-26降雨下关地沟3坝、背塔沟坝和康和沟3坝起溃时间分别提前11 min、13 min和7 min,有利于及时发出预警,快速撤离两岸群众,提升了淤地坝预警的准确度。不同重现期降雨量下,关地沟3坝10年一遇溃决流量为4.82 m^(3)/s,200年一遇溃决流量为5.97m^(3)/s。黄柏沟2坝和关地沟4坝在目前淤积情况下,可抵御200年一遇降雨。

无定河流域浮游动物群落结构特征及水质生物评价

为探究无定河流域浮游动物群落结构特征及其水质状况,于2021年春秋季对无定河干流、6条支流及3个淤地坝水体展开生态调查。共鉴定出浮游动物125种,其中原生动物40种、轮虫54种、枝角类15种、桡足类16种,秋季物种数(103种)高于春季(76种),均以小型浮游动物为主。浮游动物优势种共31种,以臂尾轮虫和龟甲轮虫等富营养型水体指示生物居多,春季优势种优势度整体高于秋季。春季浮游动物平均密度(360.9个/L)和平均生物量(0.600 mg/L)均高于秋季(83.6个/L、0.298 mg/L),且春秋季淤地坝水体中浮游动物平均密度和生物量均高于河流。非度量多维尺度分析也表明:河流与淤地坝2种水体中的浮游动物群落分布存在差异,采用冗余分析进一步探明,主要差异为河流和淤地坝2种水体中影响浮游动物群落分布的环境因子不同,其中化学指标(溶解氧、盐度、亚硝氮、硝态氮、溶解磷、叶绿素a)和物理指标(水深、透明度、浊度)分别是影响河流和淤地坝水体中浮游动物群落结构的主要环境因子。水质生物评价结果显示,春秋季水质均为无定河干流最优,支流次之,淤地坝水质最差,且干流中下游水质优于上游。

高海拔地区宽级配泥石流冲击拦砂坝试验研究

在高海拔地区,由于山高谷深,坡表物质受物理风化严重,物源级配宽度范围大,泥石流的发育频率高,冲击力大,导致拦砂坝损毁严重。为研究高海拔地区宽级配泥石流对拦砂坝的冲击规律,以西藏地区发育的泥石流为原型,建立宽级配泥石流冲击拦砂坝的物理试验模型,选取泥石流容重、水槽坡度与泥石流固相最大粒径为变量,进行27组水槽试验,研究冲击力特征。结果表明:(1)宽级配泥石流在冲击拦砂坝过程中经历“冲击爬高、旋滚回流、堆积回淤”3个接触演化阶段,泥石流容重越小,爬高越大,冲淤过程的阶段性表现越明显;(2)拦砂坝的坝前冲击力随宽级配泥石流容重的增大而减小,在相同坡度和级配的条件下,容重越大,水流携带固体物源运动越困难,泥石流流速降低,泥石流的冲击力减小;(3)拦砂坝的坝前冲击力随沟槽坡度增大而增大,沟槽坡度越大,宽级配泥石流的流速和流深越大,泥石流冲击力就越大,并且泥石流固相粒径越大,坡度对冲击力的影响效果越明显;(4)拦砂坝的坝前冲击力随宽级配泥石流固相最大粒径增大而增大,且变化趋势较泥石流容重及沟槽坡度条件改变时更加显著,最大粒径与泥石流流速、流深没有明显规律关系。研究成果将为宽级配泥石流防治和研究提供一定的数据参考。

拦砂坝失效条件下泥石流潜在危险性分析

受极端降雨的影响,泥石流灾害呈现多发、频发、致灾严重的特点。而采用拦砂坝等措施来防治泥石流是保护山区城镇的有效手段之一。随着时间的推移,部分拦砂坝已达到设计使用年限,存在因破坏失效而潜在危险性增大的问题。为了探明拦砂坝失效条件下的不同频率泥石流潜在危险性,以四川省金川县沙耳沟为研究区域,利用FLO-2D数值模拟软件模拟了无工程措施、拦砂坝正常运行和拦砂坝失效3种工况下的泥石流运动和堆积特征,并对泥石流危险性进行了区划。结果表明:工程失效与自然条件相比,最大堆积深度相差较小,平均堆积深度增加了2.57%~5.77%;最大流速和平均流速分别增加了0.1%~35.98%、1.95%~6.55%;冲出距离变远,冲出方量增加了3.14%~6.65%。相比无工程措施和拦砂坝正常运行条件,拦砂坝失效工况下高危险区面积分别增加了0.93%~3.39%、8.91%~17.93%;堆积范围分别增加了0.39%~0.83%、11.50%~22.50%。若拦砂坝失效,将产生巨大的泥石流潜在危险性,在极端天气下应加强对老化拦砂坝的监测预警。研究成果可为该地区地质灾害防治提供参考。

基于坝系相对稳定理论的韭园沟小流域高标准淤地坝坝系建设研究

高质量淤地坝建设是黄土高原水土保持高质量发展的重要工作内容之一,也是贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的重要工作之一。介绍了1953年至今绥德水土保持科学试验站淤地坝试验和建设历程,以及坝系相对稳定理论的概念、内涵和坝系相对稳定系数的确定情况。以绥德站水土保持试验示范小流域——韭园沟小流域为例,进行坝系布局、淤地坝工程结构和坝系相对稳定分析,论证了要实现淤地坝高质量发展,实现坝系相对稳定是关键。

淤地坝坝地有机碳空间分布及其对流域土地利用的响应

[目的]淤地坝以直接拦截泥沙的方式治理水土流失,显著改变土壤有机碳(SOC)的横向迁移过程。分析淤地坝坝地内SOC的空间分布特征及流域土地利用对坝地浅土层(0—200 cm)内SOC分布的影响,为淤地坝建设与流域生态环境协同发展提供科学依据。[方法]以岔巴沟流域内3个土地利用类型差异较大(草地、坡耕地、梯田面积占比不同)的小流域为对象,采用遥感解译、野外采样与室内测试相结合的方法,研究坝地SOC空间分布特征及坝地表土层SOC对土地利用的响应关系。[结果](1)在垂直方向上,SOC在表层土(0—20 cm)含量最高,并随土层深度增加快速降低,深层SOC含量变化较小,在3.5 g/kg上下浮动。(2)在顺水流方向上,因土壤侵蚀沉积特征等影响,SOC在坝地中、后段含量较高;在平行坝体方向上,两侧含量较高。(3)流域内梯田占比较高的B淤地坝,坝地SOC均值(4.4 g/kg)显著高于A淤地坝坝地(3.9 g/kg)和C淤地坝坝地(3.5 g/kg)。(4)流域内梯田的SOC最高,同时梯田建设影响了侵蚀泥沙的土壤粒径,从而使得流域内梯田占比与坝地表土层SOC呈显著正相关关系。草地表层SOC碳含量较低,使得坝地地表SOC含量与草地呈负相关关系。坡耕地SOC密度与坝地地表的SOC含量呈正相关关系,但由于坡耕地面积较小,其占比与坝地地表SOC无明显相关性。[结论]受土壤侵蚀、SOC来源和矿化特征影响,坝地表层土SOC最高,随土层深度增加快速降低并趋于稳定。梯田地类内的高SOC含量水平及较细颗粒的侵蚀土粒特征,导致了梯田占比最高的B淤地坝坝地内SOC含量最高。黄土丘陵沟壑区坝控流域内的梯田建设对淤地坝坝地SOC的正向响应。梯田及淤地坝不仅能够减少流域内的水土流失,同时还能够显著提高流域内土壤有机碳水平,改善流域微环境。

淤地坝排洪渠—溢洪道组合式泄洪过流的物理试验和数值模拟

为探究排洪渠连接溢洪道的过流形式能否适用于满淤积状态下的淤地坝,采用物理模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了排洪渠—溢洪道组合形式对淤地坝减蚀、泄洪能力的影响。结果表明,在该连通方式下,坝地及溢洪道内整体水流平稳,仅在溢洪道进口前出现紊乱流态;排洪渠的布设减小了坝地的径流流速,可有效抑制洪水对淤积土体的冲刷侵蚀破坏;在上游来流量较小时,溢洪道的流量系数小于设计值,但随着流量增大,淤地坝泄流能力增强并满足泄洪要求。研究结果可为后续淤地坝的除险加固工程提供参考依据。

寒区黑土侵蚀沟治理新技术研究

东北地区黑土侵蚀沟已严重威胁我国粮食安全,其绝大部分处于寒区环境,谷坊作为治理侵蚀沟的通用手段,面临寒区复杂环境威胁。针对寒区谷坊易受冻融、融雪和降雨等多因素耦合下稳定性不足的问题,提出了一种寒区黑土侵蚀沟治理新技术——生态柔性煤矸石土谷坊,该谷坊由土、滤土防冲土工合成材料、煤矸石铰接块和植被防护组成,具有就地取材、节省工期、柔性稳定、固废利用、替代石料和有利扦插等优势。文中给出设计理念、关键参数及现场应用关键技术,形成了成套工艺。研究结果表明:生态柔性煤矸石土谷坊变形值集中在-0.0518~0.0307 m之间,在允许范围内,谷坊前后沟道均无扩宽,泥沙淤积深度17~67 cm,有效减少水土流失,植被覆盖率一年增加30%,表明该谷坊具有良好的稳定性与治理效果,生态效益明显。生态柔性煤矸石土谷坊是在传统谷坊形式上做出优化和改进而形成的一种新型谷坊,此技术将生态技术与工程技术有机结合,为寒区黑土侵蚀沟治理提供了新思路和新手段。

黄土高原半干旱区淤地坝安全监测方法

[目的]监测黄土高原半干旱区淤地坝在汛期后形变程度,及时准确发现淤地坝的异常情况,为黄土高原半干旱区淤地坝安全监测提供更加科学可靠的技术方法。[方法]通过三维激光扫描仪对两座淤地坝进行扫描,由此得到高密度、高精度、连续完整的3D点云数据,然后将点云数据导入HD Scene软件进行点云预处理,最后通过Cloud Compare以及Geomagic Control软件进行建模对比分析。[结果]两期点云模型对比可以看出,东沟淤地坝模型大量点云的偏移量在0.05 cm以下,少量点云达到了最大偏移值0.2 cm。西沟淤地坝模型大量点云的偏移量在0.1 cm以下,极少量点云达到了最大偏移值0.4 cm。汛期降水量占全年的77.34%,汛期后两座淤地坝均会产生较小的坝体沉降和水平位移,但西沟淤地坝的形变受水压分量影响更为明显。[结论]将三维激光扫描技术应用于黄土高原半干旱区淤地坝安全监测,可以快速精准掌握淤地坝汛期后是否发生形变以及形变程度,使得淤地坝安全监测工作更加精准可靠。

强震区抽蓄电站沥青混凝土面板堆石坝抗震稳定性分析

我国西北强震区某拟建抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板堆石坝,最大坝高161 m。为分析该坝抗震稳定性,在大坝非线性静力分析基础上,采用改进的等效粘弹性模型和有限元动力时程法等理论,对大坝开展三维有限元地震反应和坝坡抗震稳定性计算。结果表明,大坝在100年1%超越概率的校核地震(地震加速度为0.48g)作用下,坝体及面板的动力反应分布规律合理。其中,坝体顺河向、坝轴向、竖向加速度极值分别为13.93、13.91、13.80 m/s^(2)。考虑静动叠加后,在沥青混凝土面板反弧段的拉应变极值达0.95%,但小于改性沥青混凝土抗拉强度的一般允许值。因此,大坝即使遭遇0.48g的校核地震作用,亦能保持较好的整体安全性,不会出现重大抗震安全事故。

小流域拦砂坝上下游冲淤特征调查分析

极端降水诱发的泥石流具有规模大、沿程侵蚀严重、淤埋范围大等特点,需要在小流域内修建梯级拦砂坝工程进行调控。在汶川地震影响区域内选取33条典型泥石流沟道进行调查,获取了105座拦砂坝特征参数以及梯级拦砂坝作用下的沟道冲淤形态变化,总结了拦砂坝的类型及判别方式,提出了实体坝与透过性坝的4种坝型组合模式、梯级坝的坝间距下2种回淤模式。进一步分析了梯级坝的特征模式(坝型组合模式、回淤模式)对沟道的冲淤形态(回淤坡降折减系数、冲刷深度相对系数)的影响。结果表明实体坝与透过性坝的组合模式(SO、OS模式)对沟道回淤形态影响明显,两种回淤模式中的互馈式运行模式对淤积形态影响显著,回淤相互不影响的独立运行模式下的冲刷作用更强烈。研究结果可为小流域内梯级坝的坝型选择、坝间距优化提供参考。

山西省淤地坝除险加固工程设计中存在的问题分析及对策

淤地坝作为黄土高原地区治理水土流失的重要工程措施,在拦沙淤地、防洪减灾、改善生态环境等方面发挥着重要作用。然而,由于多种因素的影响,部分淤地坝存在不同程度的险情,需要进行除险加固。列举山西省淤地坝除险加固工程设计中存在的设计依据、工程等级划分、规范引用等方面的问题,并指出产生这些问题的原因,提出应对措施。以期在今后的设计中提高设计质量和水平。

太原市淤地坝泥沙淤积量影响因素

淤地坝是黄土高原地区一种重要的水土保持工程措施。基于2022年太原市11座淤地坝淤积量测量以及坝控区域的现状观测数据,探讨淤地坝泥沙淤积的影响因素。结果表明:11座淤地坝2022年测淤积量与坝控流域面积、坝控流域内各类土地利用面积、不同坡度林地面积、耕地面积相关性均未达到显著水平,与急坡草地面积呈极显著相关;淤积量与坝控流域土地利用现状特征数据构建线性模型为:D=7.5235 S_(缓林)-760.769 S_(平草)+26.40195 S_(急草)+8.74186 S_(缓耕)-24.52871,利用纳什效率系数对模型的模拟结果进行检验,得到R^(2)为0.98,纳什系数为0.975,该模型能够较好地预测淤地坝的年淤积量。

低水头拦河坝(堰)生态性设计研究

在中小河流治理工程中,低水头拦河坝(堰)普遍存在强拦、社会功能为主、生态性不足的问题,引发河流演变新的矛盾。结合透水坝、柔性沙棘坝运行生态效果,提出生态设计弱作用理念,建立了河流与坝(堰)工程社会功能和生态功能协调的非线性多目标函数。依此理念和方法,研究改变传统坝(堰)结构,由实体型设计为开放型,有半拦河式、开孔式、梳齿式、网桩坝等多种布置型式。尤其是黄土高原小型淤地坝的新结构型式,能较好地维持沟壑环境,破解阶梯场地筑坝约束。弱作用及相关结构对其他水工建筑物的生态设计有借鉴价值。

我国西北地区抽水蓄能电站拦沙坝上游淹没范围界定方法探讨

针对我国西北部分河流含沙量较高和抽水蓄能电站下库拦沙坝布置特点,根据拦沙坝上游淹没范围内河段水流特征,以泄洪排沙洞进口河流横向断面为界,将其分为上下两段,分别计算确定淹没范围。拦沙坝~泄洪排沙洞进口河段简化为平库,以不同淹没对象设计洪水标准时洞口处回水水位确定淹没范围;洞进口横向断面以上河段,通过计算回水水位,确定淹没处理范围。文中方法可为其他抽水蓄能电站水库淹没范围界定提供参考。

黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应

黄土高原地区的梯田和淤地坝措施发挥了重要的水土保持功能,然而现有的研究主要关注单个措施的减水减沙效应,对坡沟治理措施综合配置协同调控水沙过程的作用一直认识不清。因此,该研究为解析梯田和淤地坝措施对水沙过程的协同调控效应,构建了10个坡沟系统物理模型,设置了对照组(CO),单一措施组(梯田措施(T0),4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短(L1、L2、L3和L4))和组合措施组(梯田与4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短的综合配置(T1、T2、T3和T4)),进行降雨强度为90 mm/h的室内模拟降雨试验,量化不同试验方案下坡沟系统的产流产沙过程。结果表明:1)梯田措施和淤地坝淤积导致坡沟区域坡长缩短均有效调控了坡沟系统的产流产沙过程,梯田能分别减少46.30%~83.59%的径流总量和25.82%~82.41%的泥沙总量,淤地坝导致坡沟区域坡长缩短能分别减少7.87%~33.42%的径流总量和10.20%~30.57%的泥沙总量。2)不同试验方案下坡沟系统的产沙率和产流率之间满足线性关系,而累计产沙量和累计产流量满足幂函数关系。3)综合措施配置发挥了“1+1>2”的水土保持效益,其中协同效应随着坡沟区域坡长的减小而增加,对产流和产沙的协同效应均以坡长缩短4 m为最大,以缩短1 m为最小。研究结果可为黄土高原地区坡沟治理和科学配置防治措施提供理论参考和科技支撑。