关键词：淤地坝系; 溃坝模拟; MIKE模型; 黄土高原
淤地坝系是为了拦蓄沟道洪水和泥沙，改善小流域生态经济环境，提高水土资源开发利用效果，在小流域各级沟道科学布设骨干坝、中、小型淤地坝，形成有机结合、功能协调、具有树形结构的小流域沟道工程体系[1-2]。目前针对淤地坝系布局、安全评价以及水沙效应进行了大量研究。因此本研究针对淤地坝系安全运行的重大需求，对黄土丘陵区典型坝系结构进行解析，并通过MIKE耦合模型对坝系的溃坝过程进行模拟。研究成果以期为黄土高原淤地坝系安全运行提供参考。
1材料与方法
1.1研究区概况
车路沟流域位于宁夏回族自治区西吉县东部，流域距县城约15km。属渭河水系一级支流葫芦河的一级支沟，流域面积89.5km2，相对高差339m，为黄土丘陵沟壑第三副区。流域在平面上呈三角形，主要支沟有大坪和鹞子川两条，主沟道平均比降为1/180。流域气候属于中温带半湿润向半干旱过度类型，具有大陆性季风气候，多年平均气温为4.9℃，最高气温32.6℃，最低气温-27.9℃。降雨量少，且时空分布不均，多年平均降雨量448mm，最大降雨量667.6mm，最小降雨量206.8mm。年径流模数3.5万m3/km2，年侵蚀模数4800t/km2，水土流失面积78.3km2，占流域总土地面积87.5%，沟道长度73.39km，沟壑密度0.82km/km2，强度侵蚀以上面积占水土流失面积46.61%。水土流失以水蚀为主，兼有重力侵蚀。西吉车路沟坝系共有淤地坝44座，其中骨干坝10座，中型坝16座，小型坝18座。
1.2数据来源
车路沟流域的淤地坝数据来源于宁夏回族自治区水保局，主要包括淤地坝位置、建坝时间、总库容、防洪库容、淤积库容、已淤积库容和蓄水量等数据。流域的DEM数据来源于中国地理数据云，精度为30m。
1.2溃坝模型建立
（1）MIKE 11模型建立
按照MIKE 11模型的输入要求进行沟道断面提取与设置，共计提取了47个断面。十座坝的溃坝触发条件均设置为漫顶溃坝，初始溃口均为矩形溃口，具体尺寸分别为：鹞子川，底宽0.2m，高0.2m；盘路湾，底宽0.1m，高0.1m；大坪，底宽0.2m，高0.1m；旧堡，底宽0.3m，高0.1m；沟口，底宽0.4m，高0.1m；上堡子，底宽0.2m，高0.1m；下堡，底宽1m，高0.2m；前咀，底宽0.8m，高0.2m；车路沟，底宽1m，高0.1m；王昭，底宽1.3m，高0.25m。溃口限制尺寸均为坝址处的原始沟道。下游河道初始水深为0m。
（2）MIKE21模型的搭建
将所提取的地形高程文件和地形边界文件导入Mesh generater模块，进行地形文件的生成。通过对地形文件的平滑处理以及对地形文件的网格划分，可以得到西吉县车路沟淤地坝系MIKE21模型mesh文件。
（3）基于MIKE11和MIKE21模型耦合的MIKE flood模型搭建
通过建立的西吉县车路沟坝系的MIKE11沟道水动力模型和MIKE21二维沟道模型，输入MIKE flood模型进行耦合计算，可得到西吉县车路沟坝系在300年一遇暴雨洪水条件下各淤地坝溃决坝前水深、淤地坝下游范围水深变化以及流域范围内淹没情况。
2结果与分析
2.1坝系结构分析
车路沟小流域总面积92.25km2，流域主沟长18.48km，平均宽度7.11km，形状呈一端狭窄，中部和另一端逐渐变宽的阔叶状。根据宁夏自治区坝系调查资料，结合小流域水系图和坝系配置图集，对车路沟坝系结构进行解析，解析的结果如图4所示：车路沟坝系在总体上可划分为4个坝系单元（沟口、王昭、盘路湾、前咀坝系单元）。结合小流域水系结构、沟道特征和淤地坝分布情况对该坝系中各淤地坝分布进行分级、分段、分层、分片，以此解构坝系内部的级联作用关系。车路沟坝系框架布局中各坝与坝系单元之间存在确定的控制或从属关系，王昭坝系单元控制着盘路湾和前咀坝系单元，盘路湾坝系单元和前咀坝系单元相互之间为并联关系，通过拦蓄洪水泥沙为下游干沟大坝减轻防洪压力，内部小型淤地坝淤积较快，王昭坝系处于上中游位置，其对洪水泥沙的拦截起着承上启下的作用，通过拦截上游下泄的洪水来缓解干沟拦洪坝的防洪压力。
2.2溃坝结果分析
(1)淤地坝溃坝水深分析
通过MIKE11溃坝模型模拟可以得出，车路沟流域在300年一遇暴雨情况下，出现溃坝的骨干坝有4座，分别为鹞子川、大坪、沟口和车路沟骨干坝。鹞子川骨干坝位于盘路湾坝系单元，是上游的第一座骨干坝；大坪骨干坝位于大坪坝系单元，大坪坝系单元是沟口坝系单元的支沟；沟口骨干坝位于沟口坝系单元的最后一座骨干坝，处于出口位置；车路沟骨干坝位于王昭坝系单元上游的第一座骨干坝。现将这四座坝的溃坝过程进行具体分析。根据淤地坝溃坝模拟结果，可以得到300年一遇暴雨情况下，西吉县车路沟坝系大坪、沟口、车路沟和鹞子川骨干坝坝前坝后水深变化情况如图1至图4所示。
提取距大坪骨干坝坝址730m处的下游断面进行分析。根据淤地坝溃坝模拟结果，大坪淤地坝发生溃坝前，下游断面处水深呈现呈先升高后降低的趋势，峰值0.87m，且其峰值出现的时间与来洪过程的洪峰相吻合。发生溃坝以后，下游水位有一个明显上涨的趋势，出现一个新的峰值2.24m，此后呈现降低的趋势，直至降至最低水深。提取距沟口骨干坝坝址1900m处的下游断面进行分析。根据淤地坝溃坝模拟结果，下游水深共出现三个峰值，在沟口淤地坝发生溃坝以前，下游断面处水深呈现呈先升高后降低的趋势，峰值3.18m，且其峰值出现的时间与来洪过程的洪峰相吻合。发生溃坝以后，下游水位有一个明显上涨的趋势，出现一个新的峰值3.84m，此后呈现降低的趋势，降至2m附近一段时间后，水深出现第三个峰值，为2.79m，随后水位继续下降，直至降至最低水深。提取距车路沟骨干坝坝址450m处的下游断面进行分析。根据淤地坝溃坝模拟结果，在车路沟淤地坝发生溃坝以前，下游断面处水深随来洪呈现升高趋势，在车路沟淤地坝发生溃坝后，下游水位有一个明显上涨的趋势，出现峰值7.25m，此后呈现降低的趋势，1h后降至3m附近，随后水位缓速下降，直至稳定。提取距鹞子川骨干坝坝址340m处的下游断面进行分析。根据淤地坝溃坝模拟结果，在鹞子川淤地坝发生溃坝以前，下游断面处水深随来洪呈现升高趋势，在鹞子川淤地坝发生溃坝以后，下游水位有一个明显上涨的趋势，出现峰值1.96m，此后呈现降低的趋势，1h后降至0.68m附近，随后水位缓速下降，直至稳定。
（2）最大淹没范围及淹没水深分析
根据淤地坝溃坝模拟结果，可以得到300年一遇暴雨情况下，模拟工况下，车路沟坝系淹没范围如图5所示。其中，淤地坝溃坝以后下游淹没点较多，淹没范围较大，局部淹没水深可达10.0m以上，平均淹没水深为2.0-4.0m。总体来讲，车路沟流域坝系在重现期为300年的暴雨以及模型设定的工况条件下表现较好，虽然有部分溃坝，但是并未出现大规模连锁溃坝，溃坝洪水可以拦截在流域内部。
3结论
（1）车路沟坝系在总体上可划分为4个坝系单元（沟口、王昭、盘路湾、前咀坝系单元），车路沟坝系框架布局中各坝与坝系单元之间存在确定的控制或从属关系。各坝系单元之间对洪水泥沙的控制关系表现为联合拦蓄、互为补充、彼此协调关系。其中，4个坝系单元相互之间为并联关系，通过拦蓄洪水泥沙为下游干沟坝减轻防洪压力，内部各中小型坝淤积成地。
（2）车路沟流域在300年一遇暴雨情况下，出现溃坝的骨干坝有4座，分别为鹞子川、大坪、沟口和车路沟骨干坝。大坪骨干坝坝前水深变化范围是0~14.3m，第28.04h发生溃坝；沟口骨干坝坝前水深变化范围是0~17.45m，第13.08h发生溃坝；车路沟骨干坝坝前水深变化范围是0~19.7m，第9.21h发生溃坝；鹞子川骨干坝坝前水深变化范围是0~15.28m，第11.37h发生溃坝。
（3）300年一遇暴雨情况下，车路沟流域淤地坝溃坝以后下游淹没点较多，淹没范围较大，局部淹没水深可达10.0m以上，平均淹没水深为2.0-4.0m。总体来讲，车路沟流域坝系在重现期为300年的暴雨以及模型设定的工况条件下表现较好，虽然有部分溃坝，但是并未出现大规模连锁溃坝，溃坝洪水可以拦截在流域内部。
参考文献：
[1]张晓明. 黄土高原小流域淤地坝系优化研究[D]. 西北农林科技大学, 2014.
[2]郑宝明, 田永宏, 郭玉梅. 黄土丘陵沟壑区第一副区小流域坝系建设理论与实践[M]. 黄河水利出版社, 2004.
[3]石振明, 熊永峰, 彭铭,等. 堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法——以2014年鲁甸地震形成的红石岩堰塞湖为例[J]. 水利学报, 2016, 47(6):742-751.
[4]刘建康, 程尊兰, 佘涛. 云南鲁甸红石岩堰塞湖溃坝风险及其影响[J]. 山地学报, 2016, 34(2):208-215.
论文作者:林琳
论文发表刊物:《城镇建设》2019年2卷16期
论文发表时间:2019/11/20
标签：水深论文; 骨干论文; 流域论文; 下游论文; 鹞子论文; 沟道论文; 单元论文; 《城镇建设》2019年2卷16期论文;