泥沙淤积对中小型水库影响的评估

杭天飞，厉 凯，徐解刚，张 闻，王 盼

(1.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000；2.宜兴市湖 镇水利站，江苏 宜兴 214200)

水库泥沙淤积是太湖流域大多数水库的共同问题。考虑到高淤积率，小型水库的使用寿命比中型和大型水库短得多。大型、中型和小型水库的年平均蓄水量损失分别为0.25%、0.50%和3.00%。孙和平[1]从河流动力学角度分析了小型水库淤积的物理成因，探讨了小型水库入库泥沙量的估算方法。陈恳[2]借助地形处理Arcgis技术和水工数理模拟MIKE21HM计算技术，对水库泥沙淤积的二维数值模拟课题开展专题计算分析，探究库区泥沙基本淤积形态和入库总量，揭示库区入流泥沙运动规律和不同粒度悬沙的库区分布状态。

本文应用RUSLE模型并推导其参数来估计太湖流域油车水库的产沙量。该模型侧重于空间变异性，有助于估计土壤流失和跨土地单元的泥沙流动的空间格局。还可以将每个季节的临界降雨强度纳入其中，以确定分水岭或土地单元的最大季节性侵蚀潜力。

1 研究区概况

宜兴市地处经济发达的长江三角洲地区，位于江、浙、皖三省结合部，隶属江苏省无锡市，其南部和西南部分别与浙江省长兴县、安徽省广德市毗邻，西邻常州市溧阳市，北接常州市金坛区和武进区，位于北纬31°07′～31°37′、东经119°31′～120°03′，2009年全市总面积为1996.60 km2(其中太湖水面积为242.30 km2)。

洑西河位于江苏省宜兴市南部山区湖父镇，属太湖流域的蠡河水系。洑西河自上游东省庄水库(1973年竣工，集水面积3.20 km2，总库容14.3万m3)，向东流经岗下、城泽、庙干、油车、西街等村后汇入湖父大河，是宜兴市南部山区一条重要的排水河道，全长约15 km，汇水面积82.37 km2。河道沿线保护人口20.63万人，保护农田0.64万hm2。

油车水库，为中型水库，集水面积41.54 km2，总库容3324.0万m3，坝址位于洑西河中段油车村附近，坝址以上主河长11.58 km，坡降13.5‰。油车水库建成后，将滞蓄水库以上洑西河20 a一遇以下洪水，部分拦蓄100 a一遇以下的洪水，使水库下泄流量控制在108 m3/s以下，即使遇到100～2000 a一遇的大洪水，水库下泄流量也不超过417 m3/s，大大削减了洑西河上游汇流直下的洪峰流量，显著提高了油车水库坝下洑西河两岸的防洪安全度。

2 研究方法

2.1 RUSLE模型

本模型研究是基于修正通用土壤流失方程(RUSLE)模型进行土壤侵蚀预测。RUSLE模型是在通用土壤流失方程USLE基础上建立的经验模型。在RUSLE中，五个主要因素降雨模式、土壤类型、地形、作物系统和水土保持措施，可通过公式(1)计算预期年平均侵蚀量：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A为估算的土壤流失量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡长和坡度因子；C为作物覆盖与管理因子；P为水土保持因子。

这些因素解释了流域的沉积过程，流域的沉积过程与流域地形、沉积物来源、输沙系统、侵蚀物质结构、土地覆盖等有关。在每个大坝以及每个向各自大坝排水的子流域，使用RUSLE计算产沙量的变量和因素都由各种地形、流域和水文数据来源计算和评估。降雨侵蚀力因子R与降雨的动能和强度有关，它反映了降雨的侵蚀率。土壤可蚀性因子K除考虑降雨可蚀性外，还考虑土壤的抗侵蚀能力。土壤可蚀性是单位区域上的土壤损失率。高砂质和高黏粒含量土壤的K值较低，高粉质含量土壤的K值较高。水土保持因子P给出了某一水土保持措施与上坡、下坡耕作预期土壤流失的比率，通常由经验方程得出。

2.2 淤积强度

淤积强度Si主要受输沙率的影响，尤其受水库集水区侵蚀过程强度的影响。淤积强度通常被定义为在一段特定时间内，水库中滞留的泥沙量[3]，如图1。将淤积强度Si定义为水库原始容量与流入水库的年平均泥沙量之比。淤积强度Si主要取决于区域水文条件和排水系统的输沙能力。

图1 SA与Si的回归相关性

图1为平均年淤积率SA和流入水库的平均年泥沙量(以淤积强度Si表示)之间的关系。水库半衰期(HLT)也可以表示为含沙量和库容流入比(C/I)的函数，如图2。

图2 水库半衰期(HLT)与含沙量和库容流入比(C/I)关系

3 结果和讨论

通过计算得出了油车水库RUSLE参数的计算结果。从实地勘察取样的土壤样品估算的K值在0.31～0.42之间。影响K的物理、化学和矿物学土壤性质及其相互作用是多种多样的。此外，几种侵蚀机制同时起作用，每一种机制都与特定的土壤属性有关。相对较少的土壤特征不可能准确地描述每个土壤的K值，因此很难确定K值。K的季节变化主要与土壤质地和土壤水分两个因素有关。表1总结了油车水库的R、K因子。

表1 计算结果汇总

此外，还计算了输沙率SDR，是土壤侵蚀的一部分，在到达其出口之前在流域内沉积。产沙率与地表总侵蚀率的比值称为输沙率。在GIS下，如果Sj是流域第j个单元内产生的土壤侵蚀量，使用RUSLE方程(1)估算，则流域产沙量Sy可由公式(2)得：

(2)

式中：n为流域上的总单元数；SDR为最终到达最近SE的比例。每个单元的SDR值假设为统一，输沙率的计算公式(3)为：

SDR= 0.627×(SLP)0.403

(3)

式中：SLP为输沙率。表2给出了油车水库的输沙率。

表2 输沙率计算

4 结 论

油车水库的输沙率约为62.24%，这主要是由坝址所处位置的地形地貌决定。根据计算结果，可以预测太湖流域的土壤流失率。本文所介绍的计算方法和结果可作为中小型水库计算输沙率和淤积强度等特征值的参考。正确估算中小型水库泥沙淤积量，对合理规划水库的兴利库容、防洪库容具有重要的意义，且对流域水土保持治理及水资源分析计算具有一定的参考价值。

对于水库淤积泥沙的治理问题，控制泥沙来源是解决泥沙淤积的根本措施。对于中小型水库而言，流域面积通常不大，可以通过与治山造田等农业措施结合起来实施。