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。

黄河流域高标准淤地坝内涵与科技问题

建设高标准淤地坝是实现黄河流域生态保护和高质量发展国家战略目标的重要举措之一,对水土保持高质量发展和区域经济社会发展将起到积极促进作用。基于高标准淤地坝建设的目标与要求,分析了黄河流域淤地坝建设与技术标准发展历史进程,探讨了高标准淤地坝定义与内涵,提出了需要研究的科学问题和关键技术,展望了高标准淤地坝发展前景。黄河流域淤地坝建设经历了起源、作用提升、坝系形成、规范建设、建设波动、高标准建设等6个阶段450余a的发展过程,高标准淤地坝概念的提出标志着淤地坝建设从“量”的发展进入“质”的提升新时期;淤地坝技术标准伴随着不同时期科学技术的发展和实践经验总结,经历了由20世纪80年代中期形成和之后不断完善、不断修订的过程;高标准淤地坝较之一般的淤地坝具有特殊的本质特征、价值及丰富的内涵和外延;在包括淤地坝在内的生态农业综合效益链中高标准淤地坝的地位与驱动机制、高标准淤地坝建设技术标准等是今后需要研究的重要课题。高标准淤地坝建设必将促进水土保持高质量发展,并对区域生态治理、衍生经济、社会文化、景观格局等的深度融合及协同发展起到更大的促进作用。

黄土高原地区淤地坝现状分析

淤地坝是黄土高原地区一种行之有效的水土保持工程措施,在拦泥保土、减少入黄泥沙、防洪减灾、淤地造田、巩固退耕还林(草)、保障生态安全、促进粮食生产和水资源合理利用及经济社会稳定发展等方面发挥了重要作用,是黄土高原水土流失综合治理的关键措施之一。近年来,黄土高原局部地区强降雨时有发生,极端天气有所增加,淤地坝安全运用问题,尤其是特殊条件下的个别工程损毁案例,引起了政府和社会各界的高度关注。结合实例,从管理、实践角度客观总结分析了淤地坝工程的积极作用和存在的风险隐患及量级,提出了加强淤地坝建设及运行管理的措施。

黄土高原淤地坝溃损条件下坝地侵蚀机理及溃口水流特征

研究淤地坝溃损条件下的坝地侵蚀机理及水沙过程对于淤地坝的建设和后期管护具有重大意义。基于文献调研和实地调查分析,发现淤地坝溃损后的坝地侵蚀主要受坝地土体性质、坝地形成特征及淤地坝溃损模式影响,坝地侵蚀造沟模式可概括为“淤地坝溃损→溯源侵蚀→冲刷下切→沟壁坍塌→水沙混合流”;以山西省吕梁市离石区马槽里#2骨干坝为例,通过数值计算不同淤地工况下淤地坝溃损时的溃口流量过程和水位过程得知,淤地坝溃损条件下的水沙过程受库区的淤地情况显著变化,且坝地具有削峰落沙的作用。

基于坝前淤积厚度的淤地坝拦沙量计算方法

淤地坝是黄土高原水土流失严重地区的主要水土保持工程措施之一,准确计算淤地坝的拦沙量,对预测未来黄河输沙量、确定新时期黄河治理开发方略等具有重要意义。为探索更精确、实用的淤地坝拦沙量计算方法,基于收集到的典型淤地坝设计文件中的库容曲线数据和实测淤积资料等,通过点绘淤地坝库容曲线(即库容V与坝高H关系曲线)和函数拟合,分区(黄土丘陵沟壑区各副区和黄土高塬沟壑区)建立了基于坝前淤积厚度的拦沙量计算公式。研究表明:黄土高原地区淤地坝库容曲线符合幂函数关系,对35座典型淤地坝按幂函数V=aHb进行拟合,确定系数R2均在0.9400以上,式中系数a与指数b成负相关的对数函数关系且a、b值可由淤地坝总坝高、总库容来确定;分区建立的淤地坝拦沙量计算公式,确定系数R2均在0.8800及以上,用20座有设计资料的淤地坝对建立的拦沙量计算公式进行验证,最大误差在30%以内、平均误差为4.22%,能够满足淤地坝拦沙量估算的精度要求。

溃坝影响分析在淤地坝设计中的应用——以秦安县武家沟大(2)型淤地坝为例

秦安县拟在魏店镇武家沟新建淤地坝1座,坝址下游沟道内分布有村庄和桥梁等重要设施。为有效评估淤地坝因特殊原因溃坝后形成的洪水给下游带来的风险,该文通过溃坝影响分析来论证该淤地坝溃坝时是否会对下游居民产生威胁。通过分析表明,溃决时产生的洪水将向下迅速传播,漫过沟床淹没整个武家沟门村及桥梁。因此,从工程安全可靠的角度建议重新选址新建淤地坝。

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。

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。

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。

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。