本書以黃土高原淤地壩壩系為研究對象，通過實地勘察、資料收集和實驗測試分析，運用多學科理論及“3S”技術和數值模擬技術，以小流域淤地壩壩系防洪風險評價為研究核心，系統分析不同壩級、不同級聯方式(串聯、并聯和混聯)淤地壩蓄水攔沙作用與淤地減蝕機制，辨析小流域壩系與溝道單元壩系分片、分層對洪水泥沙的控制關系，闡明小流域淤地壩壩系防洪攔沙能力的級聯效應，研究提高小流域淤地壩壩系防洪能力的壩系布局與壩級配置方法，建立小流域淤地壩壩系防洪風險評價指標體系，并以典型小流域為例，進行壩系防洪風險評價，提出在變化形勢下考慮流域壩系防洪安全的適宜建設規模。
目錄
總序一總序二總序三序前言
第1章 緒論 1
1.1 研究目的和意義 1
1.2 國內外研究進展 2
1.2.1 小流域壩系研究進展 2
1.2.2 淤地壩潰壩與風險評價研究進展 12
1.2.3 存在的問題與研究展望 13
第2章 研究區概況及基本資料 15
2.1 黃土高原監測壩系概況 15
2.1.1 小流域自然地理、社會經濟概況 15
2.1.2 小流域水土流失及其綜合治理現狀 17
2.2 重點研究小流域 19
2.3 重點典型研究小流域——王茂溝小流域 21
2.3.1 自然地理概況 21
2.3.2 社會經濟概況 23
2.4 數據來源 24
第3章 黃土高原小流域壩系形成與發展演變 25
3.1 黃土高原壩系建設歷史沿革 25
3.2 1949 年后淤地壩的建設與發展 28
3.3 新時期淤地壩建設特點 32
3.4 黃土高原地區淤地壩建設成就 36
3.4.1 黃土高原地區淤地壩建設現狀 36
3.4.2 黃土高原地區壩系建設現狀 37
3.5 典型小流域壩系演變及歷程 38
3.5.1 韭園溝小流域 38
3.5.2 王茂溝小流域 40
3.5.3 西黑岱小流域 42
3.6 黃土高原地區小流域壩系安全穩定的制約因素 42
第4章 淤地壩淤積信息提取與減蝕作用機理研究 47
4.1 淤地壩剖面泥沙沉積旋回的劃分及土樣采集 47
4.1.1 典型淤地壩的選取 47
4.1.2 泥沙沉積旋回層劃分及土樣采集 48
4.2 典型淤地壩壩地泥沙淤積信息的動態變化 50
4.2.1 淤積泥沙干容重變化特征 50
4.2.2 關地溝4#淤地壩壩地次降雨沉積旋回淤積量計算 51
4.2.3 壩地剖面泥沙沉積旋回層137Cs含量分布特征 51
4.2.4 壩地剖面泥沙沉積旋回層的210Pb含量分布特征 52
4.2.5 壩地剖面泥沙沉積旋回層的210Pbex含量分布特征 53
4.3 淤地壩泥沙沉積旋回與侵蝕性降雨的響應關系 54
4.3.1 侵蝕性降雨特性與降雨資料的分析 54
4.3.2 淤地壩泥沙沉積旋回與侵蝕性降雨的對應原則 56
4.3.3 淤地壩垂直剖面中137Cs含量與沉積計年的關系 57
4.3.4 淤地壩壩地泥沙沉積旋回與次降雨事件的對應 57
4.4 淤地壩對溝道侵蝕的減蝕作用分析 59
4.4.1 流域不同土地利用類型坡面侵蝕產沙規律分析 59
4.4.2 流域土地利用變化分析 62
4.4.3 典型降雨事件下流域主要泥沙來源地的產沙變化 63
4.4.4 降雨侵蝕產沙與壩地淤積泥沙對比分析 64
4.5 淤地壩淤積過程對溝坡穩定性影響的研究 66
4.5.1 數字高程模型與滑坡、崩塌調查 66
4.5.2 SINMAP模型原理 67
4.5.3 模型的集成方法 69
4.5.4 模型參數化及參數測定 69
4.5.5 壩地淤積高度對斜坡穩定性指數的影響分析 70
4.5.6 坡度對斜坡穩定性的影響 71
4.6 淤地壩對流域徑流過程的影響研究 71
4.6.1 淤地壩對徑流系數和輸沙模數的影響 71
4.6.2 淤地壩建設對流域洪水滯時的影響 72
4.6.3 淤地壩對流域徑流過程的影響機理分析 73
第5章 基于137Cs和210Pbex示蹤的流域侵蝕產沙演變 76
5.1 野外調查取樣及土樣測試與分析 76
5.1.1 不同土地利用方式土壤核素含量的分異特征 76
5.1.2 不同地貌部位土壤核素含量的分異特征 77
5.2 關地溝4#淤地壩壩控流域土壤侵蝕產沙分布特征 78
5.2.1 研究區背景值的確定 78
5.2.2 不同土地利用方式土壤侵蝕特征 78
5.2.3 小流域不同地貌部位土壤侵蝕特征 79
5.3 小流域侵蝕產沙來源示蹤 80
5.3.1 小流域泥沙來源研究方法 81
5.3.2 小流域泥沙來源分析 82
5.4 基于復合指紋識別法的流域泥沙來源反演 84
5.4.1 沉積旋回時間序列建立 84
5.4.2 流域侵蝕歷史演變過程 85
5.4.3 淤地壩壩控流域泥沙來源反演結果 86
5.5 不同淤積階段壩控流域侵蝕產沙強度變化 87
5.5.1 關地溝小流域侵蝕沉積速率變化趨勢 87
5.5.2 關地溝4#淤地壩壩控流域侵蝕產沙變化趨勢 88
第6章 典型小流域壩系級聯物理模式解析 90
6.1 典型小流域壩系對比的可行性分析 90
6.1.1 典型小流域氣候水文條件對比 90
6.1.2 典型小流域壩系溝道地貌特征對比 90
6.2 小流域壩系級聯物理模式類型 93
6.3 榆林溝小流域壩系級聯物理模式解析 95
6.3.1 榆林溝小流域壩系單元總體結構 96
6.3.2 榆林溝小流域壩系單元級聯控制關系解析 101
6.4 小河溝小流域壩系級聯物理模式解析 103
6.4.1 小河溝小流域壩系單元總體結構 104
6.4.2 小河溝小流域壩系單元蓄洪攔沙級聯控制關系解析 106
6.5 韭園溝小流域壩系級聯物理模式解析 109
6.5.1 韭園溝小流域壩系單元總體結構 109
6.5.2 韭園溝小流域壩系單元蓄洪攔沙級聯控制關系解析 115
第7章 典型小流域壩系級聯配置模式與級聯調控作用評價 120
7.1 典型小流域壩系不同級別溝道分布情況 120
7.1.1 榆林溝小流域 120
7.1.2 小河溝小流域 121
7.1.3 韭園溝小流域 122
7.2 典型小流域溝道工程空間分布特征與攔沙關系 123
7.2.1 典型小流域不同級別溝道淤地壩庫容分布 123
7.2.2 典型小流域壩系工程特征分布情況分析 125
7.2.3 典型小流域壩系單元攔沙關系分析 127
7.3 榆林溝小流域壩系空間布局與蓄洪攔沙的級聯調控關系 129
7.3.1 小流域壩系溝道分布的級聯調控作用評價 129
7.3.2 榆林溝小流域不同級別溝道壩地淤積及利用情況 130
7.3.3 榆林溝小流域壩系框架布局的級聯調控作用 131
7.3.4 榆林溝小流域壩系現狀防洪能力分析 133
7.3.5 榆林溝小流域壩系對洪水的級聯攔蓄作用評價 135
7.3.6 小流域壩系運行中存在的問題分析 138
7.4 韭園溝小流域次暴雨壩系級聯作用分析 139
7.4.1 韭園溝小流域壩系現狀防洪能力分析 139
7.4.2 韭園溝小流域“7·15”暴雨淤地壩水毀和泥沙攔蓄調查 141
第8章 淤地壩對流域泥沙輸移-沉積特征的影響 145
8.1 材料和方法 145
8.1.1 土壤樣品的采集 145
8.1.2 土壤分形理論 145
8.2 壩地泥沙淤積對溝道地形的影響 146
8.3 壩地淤積泥沙的粒徑分析 147
8.3.1 壩地土壤粒徑的統計特征 147
8.3.2 壩地淤積泥沙質地分類 148
8.3.3 壩地土壤顆粒的粗化度 148
8.4 壩地土壤顆粒分形特征 151
8.4.1 壩地土壤顆粒體積分形維數的分布特征 151
8.4.2 壩地土壤顆粒分形維數與土壤顆粒組成的關系 152
8.5 典型暴雨下淤地壩淤積泥沙特征 153
8.5.1 綏德“7·15”暴雨洪水調查 153
8.5.2 次暴雨洪水壩地淤積特征 153
8.6 土壤顆粒體積分形維數與土壤性質的關系 155
8.7 不同類型單座淤地壩壩地泥沙淤積特征 156
8.7.1 有放水建筑物的淤地壩壩地泥沙淤積特征 156
8.7.2 有溢洪道的淤地壩壩地泥沙淤積特征 157
8.7.3 “悶葫蘆”壩壩地泥沙淤積特征 157
8.8 壩系單元壩地泥沙淤積特征 158
8.8.1 不同壩系單元級聯模式下的壩地泥沙淤積特征 158
8.8.2 不同溝道級別下的壩地泥沙淤積特征 158
8.8.3 不同壩系單元下的壩地泥沙淤積特征 159
8.9 王茂溝壩系壩地泥沙淤積特征 161
第9章 小流域淤地壩系級聯效應模擬與分析 162
9.1 壩系運算關系解析 162
9.2 壩系防洪標準研究 163
9.2.1 子壩系和單元壩系的概念 163
9.2.2 單元控制論的應用 165
9.3 壩系攔蓄洪水的級聯作用 167
9.3.1 小流域壩系防洪體系 168
9.3.2 淤地壩防洪標準 168
9.3.3 單壩防洪標準與壩系防洪標準的關系 169
9.3.4 王茂溝小流域不同壩系結構配置的蓄洪效應 169
9.4 壩系防洪安全控制方法 177
9.5 王茂溝小流域不同壩系結構組合攔沙級聯效應 179
9.6 小流域壩系不同結構配置的相對穩定分析 184
9.6.1 單壩相對穩定與壩系穩定的關系 184
9.6.2 壩系相對穩定與骨干壩的關系 185
第10章 淤地壩(系)安全穩定影響因素分析 191
10.1 淤地壩安全影響因素分析 191
10.1.1 淤地壩排水排沙能力分析 191
10.1.2 淤地壩攔水攔沙能力分析 192
10.1.3 壩控流域的來水來沙狀況分析 192
10.2 淤地壩及壩系相對穩定系數 196
10.2.1 壩系相對穩定的內涵 196
10.2.2 流域淤地壩與壩系相對穩定系數的空間變化特征 197
10.3 小流域壩系不同地貌單元的水動力結構功能變化 201
10.3.1 暴雨洪水集中是侵蝕產沙的主要動力 202
10.3.2 高強度暴雨下的超滲產流對大洪峰形成具有重要影響 203
10.3.3 產沙強烈、粗泥沙集中是暴雨洪水產沙的顯著特點 205
10.4 不同地貌單元淤地壩建設耦合性分析 206
10.4.1 黃土區 206
10.4.2 砒砂巖區 214
10.4.3 蓋沙區 220
10.5 不同地貌單元水土資源優化調控模式探討 221
10.5.1 黃土區 221
10.5.2 砒砂巖區 222
10.5.3 蓋沙區 223
第11章 壩系安全穩定布局與壩級配置及其綜合效益研究 225
11.1 小流域壩系布壩密度研究 225
11.1.1 布壩密度影響因素分析 225
11.1.2 黃土高原不同分區小流域壩系布壩密度 226
11.2 壩系空間布局的配置比例分析 230
11.3 骨干壩最優控制面積分析 231
11.4 淤地壩相對穩定系數分析 232
11.5 淤地壩系建壩時序研究 233
11.5.1 流域壩系的建壩順序 233
11.5.2 小流域壩系的建壩時序分析 237
11.6 小流域壩系綜合效益的研究 239
11.6.1 壩系攔沙蓄水效益分析 240
11.6.2 壩地利用及增產效益分析243
11.6.3 生態效益 247
11.6.4 社會效益 247
第12章 黃土高原淤地壩水損特征及原因分析 249
12.1 黃土高原小流域壩系示范工程安全運行監測 249
12.2 典型小流域淤地壩受損調查 253
12.3 區域淤地壩安全現狀 257
12.4 淤地壩潰壩形式及原因分析 259
12.4.1 典型壩系潰壩歷史事件 259
12.4.2 典型壩系垮壩形式 263
12.4.3 典型壩系潰壩原因解析 264
第13章 淤地壩潰壩機理模擬與分析 272
13.1 豎井式泄水建筑物空蝕空化引起壩體受損機理實驗研究 272
13.1.1 實驗概述 272
13.1.2 水流流態 273
13.1.3 泄水建筑物放水塔壁面壓強分布規律 277
13.1.4 泄水建筑物放水洞沿程水深和流速分布規律 281
13.1.5 放水隧洞沿程水流空化數分析 284
13.2 不同土地利用方式下土壤入滲率實驗研究 285
13.2.1 實驗設計 285
13.2.2 實驗結果與分析 286
13.3 淤地壩壩系暴雨洪水計算 288
13.3.1 暴雨洪水計算方法 288
13.3.2 王茂溝小流域“7·15”特大暴雨洪水驗證分析 289
13.3.3 變化條件下流域設計暴雨洪水與侵蝕產沙分析 311
13.3.4 變化條件下王茂溝小流域淤地壩潰壩模擬研究 319
13.4 淤地壩壩體滲流與安全穩定性分析 334
13.4.1 淤地壩壩體特征描述 334
13.4.2 計算原理與方法 334
13.4.3 參數選取及測定 335
13.4.4 邊坡穩定性計算模型的建立 335
13.4.5 數值模擬計算 336
13.5 淤地壩潰壩模擬 341
13.6 淤地壩潰決計算 345
第14章 淤地壩防洪風險評價指標體系與評價 347
14.1 淤地壩防洪風險評價指標體系構成及確定 347
14.1.1 評價指標體系的確定 347
14.1.2 評價指標計算及標準化 347
14.1.3 淤地壩防洪風險評價指標權重 350
14.2 王茂溝小流域淤地壩壩系防洪風險評價 351
14.2.1 風險分值計算和風險等級標準劃分 351
14.2.2 淤地壩防洪風險評價指標確定 352
14.2.3 壩系布局合理性評價與壩系防洪風險評價結果 355
第15章 變化情勢下流域水沙變化與建壩適宜規模 360
15.1 典型流域土地利用變化分析 360
15.1.1 大理河流域 360
15.1.2 禿尾河流域 363
15.1.3 孤山川流域 368
15.2 典型流域土地利用景觀格局與分形維數變化分析 371
15.2.1 大理河流域 371
15.2.2 禿尾河流域 377
15.2.3 孤山川流域 381
15.3 流域水沙變化趨勢分析 383
15.3.1 大理河流域 383
15.3.2 禿尾河流域和孤山川流域 385
15.4 淤地壩建設對流域水沙變化的調控作用 387
15.4.1 岔巴溝流域淤地壩對流域水沙調控作用分析 387
15.4.2 淤地壩對流域水沙調控作用對比分析 388
15.4.3 不同水土保持治理階段王茂溝小流域淤地壩水沙調控作用分析 389
15.5 變化情勢下黃土高原淤地壩壩系適宜建設規模分析 390
15.5.1 新時期淤地壩建設指導思想 390
15.5.2 黃土高原淤地壩建設規模 391
15.5.3 典型區域淤地壩建設規模——以延安市為例 395
第16章 結論 402
參考文獻 406
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