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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于数字高程模型的淤地坝地区河网提取方法

淤地坝作为黄土高原水土流失严重地区重要而独特的治沟工程,具有滞洪、拦淤、蓄水等作用,但在该地区利用数字高程模型(DEM)进行流域水系分析时,提取的河网会受淤地坝的干扰出现河网偏移、错位问题。本文提出一种通过对淤地坝进行检测并修正DEM的自动化方法来实现河网的有效提取。该方法先利用区域生长和形态学算法提取河道中心线,以缩小淤地坝检测范围,再基于改进的直线段检测(LSD)算法以及角度滤波确定淤地坝候选轮廓直线,然后构建十字模型定位淤地坝,最后对淤地坝所在栅格高程进行修正以提取河网。该方法在黄土高原两个典型样区中检测淤地坝的F1值分别为86.67%和86.95%,相比于仅使用填充、裂开的两种河网提取方法,本文方法能有效解决河网偏移问题。结果表明,本文方法提取的河网结果更符合真实地形,可为黄土高原淤地坝地区的流域数字地形分析技术提供有益补充与支持。

淤地坝系风险预警防控平台研究与应用

[目的]研究在极端降雨条件下淤地坝系的风险预警防控问题,实现智能巡检,防止淤地坝发生水毁溃决,为防汛管理和风险预警提供专业、快速、精确的技术支持。[方法]基于iVX语言,使用MySQL数据库,采用“家谱法”理论和淤地坝系溃决风险分析程序FT-IWHR,结合工程实际,通过功能模块的设计与开发形成全覆盖、高效率软件系统。[结果]建立了淤地坝系风险预警防控平台,以可视化、移动化的方式将淤地坝系基础信息、巡检监测系统和溃决风险预警系统应用到淤地坝系的日常风险管理中。该平台在山西省临汾市乡宁县西廒沟小流域得到应用。[结论]通过信息化建设对淤地坝系进行风险预警防控是可行的。它可以提供快捷直观的信息传递平台,方便工作人员对淤地坝进行运行管理,有效预防淤地坝系发生风险事故。

透过型泥石流拦砂坝工程减灾效果分析

为了更好地理解透过型坝的减灾表现,通过对岷江上游、安宁河流域已建的透过型坝开展无人机航测、泥石流取样、室内分析测试等工作,将坝体开口形式分为横向开口、竖向开口、方形开口和混合开口4种类型,研究结果表明:区内透过型坝结构主要以方形开口为主,拦砂坝满库和半库工况占比分别为33.65%和40.38%;回淤纵坡经验值S dep=(0.31~0.83)S init,整体都表现出较好的回淤缓坡效果;在调控方面,透过型坝表现出一定的拦粗排细特征,但由于坝体开口较小,其对粒径的分选效果并不显著;透过型坝减灾中存在坝(群)开口参数设计不合理、坝体结构整体性较差、过流结构的磨蚀破坏、坝下游冲刷侵蚀和基础淘蚀破坏以及库内人工清淤不当等问题。研究成果完善了透过型坝的结构分类,加深了对其功能性的认识和理解,明确了工程实践中的问题与不足,可为工程优化设计提供技术支撑。

黄土高原淤地坝风险形成机理与预警

淤地坝是黄土高原水土保持与生态保护的主要沟道工程措施,在当地农业经济发展和减水减沙、生态环境改善、滞洪减灾等方面具有不可替代的作用。系统梳理了黄土高原淤地坝建设历程,详细论述了淤地坝在黄土高原生态建设与水土保持中的作用与成效,揭示了黄土高原淤地坝风险形成机理,阐述了淤地坝风险评价的基本指标体系和流程,强调建立淤地坝风险预警系统对保障人民生命财产安全的重要性。建议在黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略下,面对黄河流域水沙变化的新情势,应遵循系统治理原则,坚持生态保护和高质量发展协同的理念,进一步增强淤地坝建设,全面评估淤地坝作用,建设现代化管理体系,提高建设质量与风险管控水平,增强淤地坝拦沙减沙作用,提升淤地坝生态资源开发利用水平。

泥石流拦挡坝工程服役性能特征分析——以甘肃省陇南市武都区为例

拦挡坝是泥石流防治工程中最重要的措施之一,其防灾减灾能力在服役期间随着泥石流多次冲出逐渐降低,需开展拦挡坝服役性能特征分析。以甘肃省陇南市武都区泥石流拦挡坝为研究对象,对区内15条沟、55座拦挡坝服役性能进行了现场调查,从有效性和安全性两方面遴选了库容淤积比、坝肩边坡稳定程度、排水孔堵塞程度、坝体损毁度、坝基损毁度、坝肩损毁度、安全性等7个评价因子,采用层次分析法和模糊综合评价法建立了拦挡坝单坝服役性和拦挡坝单沟综合服役性的评价模型,将服役性能等级划分为优、良、中等、差等4个等级。评价结果表明:拦挡坝单坝服役性等级“差”占34.5%;拦挡坝单沟综合服役性等级“差”占33.3%,评价结果与现场考察相符。研究成果为拦挡坝服役效果及服役寿命预测提供了可借鉴的依据。

黄河流域鄂尔多斯十大孔兑淤地坝减沙效应

为了定量评价十大孔兑地区淤地坝的减沙效益,基于历史资料整理与实地详查,统计了十大孔兑地区1986年以来现存淤地坝的数量和分布特征;采用淤积体概化法,确定了影响淤地坝减沙量的主要参数,并计算了研究区354座淤地坝的减沙量。结果表明:十大孔兑354座淤地坝累计减沙3.205 61×10^(7)t,其中减沙量最大的孔兑为西柳沟,达1.239 76×10^(7)t;通过分析不同时段淤地坝的减沙特征表明,1986—1999年、2000—2009年和2010—2018年3个时段的淤地坝减沙量分别为4.946 6×10^(6)t, 1.155 57×10^(7)t, 1.555 38×10^(7)t。十大孔兑地区淤地坝具有显著的减沙作用,具有很高的减沙指标(达5 720.33~58 141.81 t/座),2000年以后的两个时间段内,随着坡面林草措施的增加,淤地坝减沙量增加,表明在这一地区,淤地坝仍然是最有效的水土保持措施之一。

极端降雨对晋西黄土区农地流域泥沙连通性的影响

[目的]研究极端降雨事件对小流域坡沟系统泥沙连通性的影响,进而为流域综合治理与灾后重建提供理论依据。[方法]以地处黄土残塬区的晋西吉县蔡家川农地小流域为研究区,采用无人机与遥感影像对2021年10月山西极端降雨事件前后坡沟系统进行航测与实地调查,分析极端降雨前后的景观格局变化,量化坡沟系统泥沙连通性,识别滑坡点位空间分布与地形特征,评价流域内典型工程措施对极端降雨的响应。[结果]农地流域此次降雨历时84 h,累计降雨量160.4 mm,降雨强度1.9 mm/h,降雨频率0.16%,为百年一遇的极端暴雨。暴雨后流域斑块数量增加,景观形状指数增大,蔓延度指数减小,香农多样性指数减小。暴雨前流域内泥沙连通性分布不均,暴雨后泥沙连通性增大。暴雨后滑坡位点泥沙连通性减小,滑坡多发生在0°~10°和40°~50°的条件下,所占比例分别为29.11%和17.74%。[结论]极端暴雨事件诱发的滑坡影响了泥沙连通性,根据泥沙连通性空间变化可识别水土流失位点,能够用于评估典型水土保持工程措施对极端降雨的响应,研究结果可为流域综合治理及极端降雨事件发生后开展生态恢复提供支撑。

淤地坝泥沙淤积高度对宽顶堰水力特性的影响

为解决淤地坝长期运行,泥沙不断沉积超出设计库容,漫延至溢洪道内并在宽顶堰前堆积从而影响泄流的问题,该研究通过物理模型试验的方法,对不同淤积高度下溢洪道内宽顶堰的水流流态、水面线、流速分布、流量系数等特性进行对比分析。结果表明,随着淤积高度的增加,堰流在保持宽顶堰原有的过流形态同时壅水程度逐渐降低;淤积高度的不同会影响堰前及堰上区域的水面高程和断面流速,堰前水位随着淤积高度的增加略微下降,过流断面逐渐减小,水流流速增大;随着淤积高度的增加,流量系数逐渐增大,即宽顶堰的泄流能力有所增强。因此引入参数相对淤积高度(淤积高度S与堰高P之比),根据试验数据拟合得到了淤积工况下宽顶堰流量系数经验公式,计算流量与实测流量的平均相对误差为2.7%,满足精度要求,可为淤地坝除险加固工程的相关工作提供参考。

黄土残垣沟壑区坝地土壤重金属含量特征及潜在生态健康风险评价

【目的】探明黄土残垣沟壑区坝地土壤重金属污染特征并进行生态健康风险评价。【方法】选取黄土残垣沟壑区山西省乡宁县西廒沟淤地坝坝地土壤作为研究对象,于2021年8月采集70个点位0~20 cm土壤样品并测定土壤Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、As、Hg、Cr 8种重金属元素的含量。采用ArcGIS 10.4进行插值分析土壤重金属在空间上的分布状况,采用单因子指数(Pi)、内梅罗综合指数(P综)、潜在生态风险指数(RI)评估8种土壤重金属元素的风险程度,并采用PMF模型解析土壤重金属来源。【结果】(1)研究区土壤表层,8种土壤重金属含量均未超过农用地土壤污染风险管控标准,但是土壤表层Cd、Pb、Zn、As、Hg均值高于山西省土壤背景值,而Cd、Pb、Zn、Hg均值高于黄土的土壤背景值。研究区土壤Cd、Cu、Pb、As、Hg在坝内耕地及南北靠近村庄、交通干道处含量较高,土壤Zn的高值主要分布于北部,低值分布于中部及南部,土壤Ni、Cr含量呈南北高、中部较低的规律,表现出一定程度的条带状分布特点。(2)单因子指数法表明研究区Cd、Hg污染程度较高,为中度污染,而其他土壤重金属的污染程度较轻。内梅罗综合指数法表明西廒沟淤地坝整体上受到轻度污染。(3)单个指标的潜在生态风险指数表明,除Cd、Hg属于中风险外,其他指标均处于低风险,表明Hg和Cd是西廒沟淤地坝土壤生态风险较高的土壤重金属。(4)通过PMF模型解析得出西廒沟淤地坝主要存在5个污染源,分别是农业源、畜禽养殖源、交通源、大气沉降源、自然源,各来源贡献分别为22.71%、24.22%、19.10%、16.63%、18.32%,其中贡献最大的是农业源和畜禽养殖源。【结论】人类活动已经对坝地土壤重金属含量造成一定程度影响,未来应当密切关注Cd、Hg所造成的潜在土壤重金属污染。

基于无人机倾斜摄影技术的黄土丘陵区典型小流域淤地坝特征信息提取与分析

淤地坝现状特征信息的精准提取对于淤地坝运行现状评估十分重要,全面的淤地坝特征信息可为病险坝除险加固提供重要依据,当前淤地坝特征信息提取尚缺乏科学高效的技术。针对此问题,拟提出基于无人机倾斜摄影技术提取淤地坝运行现状特征的方法,以无人机航拍影像为基础数据,生成三维实景模型和高精度DEM,用于淤地坝数目、位置、剩余库容、有效坝高等重要现状信息的提取和测量,进而分析小流域内淤地坝分布、组成结构、坝体信息、淤积程度、坝控流域面积等特征。将此技术应用于陕西省榆林市子洲县蛇家沟小流域,详细提取1座大型坝和3座中型坝的现状特征信息。经过同野外实测数据对比,提取的淤地坝坝体信息相对误差均<3.8%。所识别的大型坝剩余库容不足,处于基本淤满状态,且坝顶明显沉降,在极端降水条件下具有极大的漫顶溃坝风险。坝地耕作面积占小流域面积比例仅为2.17%,仍有坝地尚未开垦利用。研究结果可为小流域淤地坝动态监测与科学管理提供新方法和新思路。