黄土丘陵沟壑区典型淤地坝坝系结构和溃坝模拟分析

张晓库

(陕西省水利电力勘测设计研究院, 陕西 西安 710001)

在小流域各级沟道科学布设骨干坝、中型坝、小型坝相结合的、具有树形结构的小流域沟道淤地坝坝系可以有效拦蓄沟道洪水和泥沙,改善小流域生态环境,提高水土资源的开发利用效率。为了保障淤地坝下游地区群众的生产生活和财产安全,进行淤地坝溃坝风险研究十分必要。目前相关学者针对淤地坝坝系布局结构、水沙效应、防洪效果等开展了大量研究,但是关于淤地坝溃坝风险物理机制模拟的相关研究较为缺乏[1-4]。MIKE11模型是河流水动力模拟的常用工具,可以较好地模拟出洪水演进过程和溃坝洪水发展,可用于溃坝过程模拟和溃坝风险研究。

黄土丘陵沟壑区生态环境脆弱,水土流失严重,区域内的淤地坝坝系建设对黄河流域乃至全国的生态环境保护和社会经济可持续发展具有重要意义。本研究选取位于宁夏南部山区黄土丘陵沟壑区的什字河小流域,采用MIKE11模型模拟坝系的溃坝过程,以期为黄土丘陵沟壑区淤地坝安全运行提供参考。

1 研究区概况

什字河位于宁夏回族自治区固原市隆德县、西吉县的接壤地带,属黄土丘陵沟壑区,是渭河上游支流葫芦河的一级支流,流域涉及2县5乡31个自然村,主沟长33.02 km,平均沟宽6.24 km,呈自西向东逐渐变宽的阔叶状。流域面积约206 km2,其中水土流失面积约153 km2,占流域面积的74.27%。流域内自2006年开始进行淤地坝建设,目前共建成淤地坝48座,其中骨干坝12座、中型淤地坝21座、小型淤地坝15座(见图1)。淤地坝坝系的建成不仅有效防止了沟岸扩张、沟头延伸,控制了水土流失,保障了两岸塬台地的水源,而且对减少入黄泥沙、改善当地自然条件、发展当地设施农业等起到了积极的推进作用[5]。

图1 什字河小流域淤地坝分布示意

2 研究方法与数据来源

2.1 数据准备

MIKE11模型是基于圣维南方程组求解河道水动力过程,在模型搭建时需要地形数据、降水数据、淤地坝基本信息,其中:地形数据采用流域30 m分辨率DEM,来源于地理空间数据云;淤地坝基本信息包括淤地坝位置、建坝时间、总库容、防洪库容、淤积库容、泥沙淤积量和蓄水量,来源于宁夏回族自治区水利厅水土保持局统计调查资料。

MIKE11模型的溃坝模拟需要输入设计暴雨过程。通过收集分析《宁夏回族自治区暴雨洪水图集》中什字河流域的暴雨过程,得到什字河流域大多以6 h暴雨为主,因此确定什字河流域设计暴雨时长为6 h。流域形心处1 h、3 h、6 h暴雨均值和变差系数通过《宁夏回族自治区暴雨洪水图集》等值线图分析得到,偏态系数和变差系数取值3.5。本研究中取300 a一遇暴雨(校核标准)条件,暴雨过程见图2。

图2 什字河流域300 a一遇暴雨过程

2.2 模型搭建

将300 a一遇的流域设计暴雨过程输入MIKE11模型,按照模型的要求进行沟道断面的提取与设置。提取宽度为100 m的断面,每个断面的形状通过DEM数据进行提取,获取每个断面的沟道底部、沟道边界和岸滩边界的高程值,同时获取每一个断面位置的沟道里程值,进行模型设置,构建MIKE11模型沟道水动力模型。通过沟道水动力模型计算,可以得到什字河坝系在300 a一遇暴雨洪水条件下各淤地坝是否发生溃决及坝前、坝后水深变化情况。

3 结果与分析

3.1 什字河坝系级联作用分析

通过调查分析小流域水系分布特征、沟道特点和淤地坝分布情况,基于坝系单元的定义和划分原则,对什字河坝系进行分级分段,分析坝系内部的级联作用关系。什字河坝系可分为阳屲、姚套、穆沟3个坝系单元,各坝系单元的基本情况见表1。什字河坝系单元平均控制面积为52.31 km2,3个坝系均处于小流域的上中游,属并联关系,坝系单元淤地坝数量13～20座,大、中、小型淤地坝配置比例为4∶7∶5。其中阳屲坝系单元沟长12.27 km,面积62.48 km2,分布有大型坝4座、中型坝9座、小型坝7座;姚套坝系单元沟长15.69 km,面积34.68 km2,分布有大型坝3座、中型坝9座、小型坝1座;穆沟坝系单元沟长9.85 km,面积59.77 km2,分布有大型坝5座、中型坝3座、小型坝7座。各坝系单元之间在洪水泥沙的控制作用上表现为联合拦蓄、互为补充、彼此协调的关系,通过联合拦蓄洪水泥沙为下游干沟大坝减轻防洪压力,内部中小型淤地坝在较短时间内淤积成耕地。什字河坝系总库容量1 809.52万m3,当前什字河坝系泥沙淤积量为187.28万m3,淤积率为10.35%,表明当前什字河坝系已淤积库容量较少,仍有较大的淤积潜力,坝系可以继续发挥拦蓄洪水泥沙的功能,同时上游的洪水泥沙下泄量较少,没有对干沟造成较大的压力。此外,什字河小流域的淤地坝主要修建在上游和中游地区,下游还未修建淤地坝,仍有一定的建坝潜力。

表1 什字河坝系单元基本情况

3.2 什字河坝系溃坝过程分析

依据MIKE11模型溃坝模拟结果,发现300 a一遇暴雨情况下什字河坝系的穆沟坝系单元会发生连锁溃坝现象,发生溃决的3座淤地坝呈串联分布,从上游到下游依次是民主淤地坝、赵家崖淤地坝、穆沟淤地坝。通过分析发生溃决的3座淤地坝的坝前、坝后水深变化(见图3)和主沟道水深变化,可以更加具体地获知什字河坝系溃坝的具体过程。

图3 什字河流域民主、赵家崖、穆沟淤地坝溃坝过程坝前、坝后水深变化

3.2.1 坝前水深变化分析

选取发生溃决的3座淤地坝的坝址上游50 m处分析坝前水深的变化。由图3(a)可知,民主淤地坝坝前水深变化范围为0～29.64 m。在暴雨开始后的11 h坝前水深达到最大值,发生溃坝后水深迅速从29.64 m下降至2.00 m左右,之后水深保持在2.00 m左右,表明发生溃坝后淤地坝在此阶段保持稳定状态,直至暴雨开始后的20 h,水深开始缓慢下降,最终达到溃口的稳定状态。由图3(b)可知,赵家崖淤地坝坝前水深变化范围为0～26.20 m。在暴雨开始后的11 h坝前水深达到最大值,发生溃坝后水深急速下降,迅速从26.20 m下降至2.00 m左右,而后直至达到溃口的稳定状态,水深缓慢下降至0 m。由图3(c)可知,穆沟淤地坝坝前水深变化范围在0～24.40 m。在暴雨开始后的11 h坝前水深达到最大值,发生溃坝后水深迅速从24.40 m下降至3.00 m左右,而后水深开始缓慢下降。相比于民主和赵家崖淤地坝,穆沟淤地坝坝前水深在发生溃坝后下降速度较慢,表明淤地坝溃口形态保持了较长时间的稳定,直至溃口达到稳定状态,水深下降至0 m。

3.2.2 坝后水深变化分析

选取发生溃决的3座淤地坝的坝址下游3处代表性断面分析坝后水深的变化。3处代表性断面分别为靠近坝址处、两个断面之间、靠近下游相邻坝址处。由图3(a)可以看出,民主淤地坝3处断面水深变化趋势呈现一致性,在暴雨开始后的11 h,3处断面的水深达到最大值,分别为11.48、18.92、26.67 m;发生溃坝后水深迅速下降至2.00 m左右,而后水深缓慢下降至0 m。由图3(b)可以看出,赵家崖淤地坝在暴雨开始后的11 h,3处断面的水深达到最大值,分别为7.84、19.19、24.33 m,其中靠近坝址处(坝址下游88 m)水深上升速度由缓慢到快速,另2处断面水深保持匀速上升;发生溃坝后水深迅速下降至2.00 m左右,而后水深缓慢下降至0 m。由图3(c)可以看出,穆沟淤地坝3处断面的水深变化有差异。在暴雨开始后的11 h,3处断面水深达到最大值,分别为6.07、8.09、8.81 m,其中靠近坝址处(坝址下游888 m)水深上升速度最大;发生溃坝后靠近坝址处水深迅速下降至2.00 m左右,而后缓慢下降至0 m,两个断面之间(坝址下游2 350 m)、靠近下游相邻坝址处(坝址下游6 851 m)水深迅速下降至5.00 m左右,而后缓慢下降至0 m。

3.2.3 主沟道水深变化

为分析溃坝对什字河小流域主沟道的影响,选取坝系支沟和主沟道汇入点下游3处代表性断面分析其水深变化,断面位置分别为里程23 311、29 155、35 000 m处(见图4)。由图4可知,3处断面的水深变化呈一致性。发生溃坝前,由于降雨汇流作用,主沟道内断面处水位不断上升;发生溃坝后,水深急速上升至最大值,3处断面的最大水深分别为7.99、12.30、13.92 m;随后水深开始迅速下降,里程23 311 m处水深迅速下降至5.00 m左右,之后开始缓慢下降;里程29 155 m处水深迅速下降至8.00 m左右,之后开始缓慢下降;里程35 000 m处水深迅速下降至9.00 m左右,之后开始缓慢下降,直至最终达到稳定状态,水深接近于0 m。

图4 什字河小流域坝系支沟和主沟道汇入点下游3处代表性断面水深变化

4 结论

为科学认识黄土丘陵沟壑区淤地坝系结构及其溃坝风险,本研究以宁夏什字河小流域为例,采用MIKE11模型分析什字河坝系内部级联作用关系,模拟什字河坝系在300 a一遇暴雨条件下的溃坝过程,以期为提高坝系防洪能力提供数据支撑,结果表明:①总体上什字河坝系可划分为阳屲、姚套和穆沟3个坝系单元,各坝系单元之间在洪水泥沙的控制关系上表现为联合拦蓄、互为补充、彼此协调。什字河坝系总库容1 809.52万m3,当前泥沙淤积量为187.28万m3,占总库容的10.35%,什字河坝系仍具有很大淤积潜力。②在300 a一遇暴雨条件下,什字河坝系中有3座淤地坝会发生连锁溃坝,分别为民主、赵家崖、穆沟淤地坝。在暴雨开始后的11 h坝前水深达到最大值,发生溃坝后,水深会快速下降至2.00～3.00 m,之后会缓慢下降,直至溃口达到最终稳定状态,水深接近0 m;溃坝前坝后水深达到最大值,发生溃坝后会急剧下降,之后缓慢下降。③发生溃坝前,由于降雨汇流作用主沟道内断面处水位不断上升,发生溃坝后,水深迅速上升至最大值,随后迅速下降后再缓慢下降,直至最终达到稳定状态,水深接近0 m。