CN109632254B - 一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，具体为：首先调查流域内淤地坝结构，分别拟合流域内骨干坝和水库的坝高‑库容曲线，得到骨干坝和水库的淤积总量，从而得到骨干坝和水库的逐年拦沙量；根据淤地坝结构计算各年份淤地坝结构系数f_s(i)，从而得到骨干坝的拦沙总量BS_i；然后依据流域土壤侵蚀产沙量平衡方程，计算得到泥沙输移比。本发明方法，物理意义明确、参数获取方便，解决了因为受淤地坝和水库工程影响下的流域泥沙输移比无法定量问题。

Description

一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法

技术领域

本发明属于水土流失治理方法技术领域，涉及一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法。

背景技术

泥沙输移比是指在某一时段内通过沟道或河流某一断面的输沙总量与该断面以上流域土壤侵蚀量之比。泥沙输移比反应了流域内的泥沙输移状况，泥沙输移比涉及流域侵蚀与泥沙堆积，其大小直接关系到侵蚀泥沙入河量的多少，对下游河道的安危、水库的淤积产生重大影响。黄土高原是黄河流域的主要组成部分，水土流失严重，导致黄河成为我国输沙量最大的河流。

为了遏制严重的水土流失，我国政府采取了调整土地利用结构、恢复植被、改进耕作方式、在坡面修建梯田以及在沟道修建淤地坝等一系列水土保持措施。根据第一次全国水利普查，截至2011年，黄土高原共有淤地坝58446座，其中骨干坝5655座，中小坝52791座。一般认为，若没有淤地坝和水库的影响，黄土高原地区河流泥沙输移比为1。但是，淤地坝和水库等生态水利工程的建设，显著的影响了流域侵蚀输沙过程，进而对河流泥沙输移比产生影响。

由于缺乏有效的淤地坝和水库等拦沙计算方法，导致受淤地坝和水库影响下的河流泥沙输移比无法准确确定。因此，有必要建立物理意义明确、参数获取方便的淤地坝和水库等水利工程的拦沙量，进一步确定流域泥沙输移比的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，解决了因为受淤地坝和水库工程影响下的流域泥沙输移比无法定量的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，解析流域淤地坝结构：

分别确定流域内骨干坝、中型坝以及小型坝的数量n和控制面积A；

步骤2，获取骨干坝和水库的淤积总量：

根据步骤1获得的骨干坝的信息，分别拟合流域内骨干坝和水库的坝高-库容曲线，得到骨干坝的淤积总量V_t坝和水库的淤积总量V_t库；

步骤3，计算骨干坝和水库的逐年拦沙量：

根据步骤2获得的骨干坝的淤积总量V_t坝和水库的淤积总量V_t库，采用权重系数分配的方法，分别获得骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki和水库的逐年拦沙量RS_i；

步骤4，计算淤地坝拦沙总量BS_i：

根据步骤1得到的流域淤地坝结构，计算各年份淤地坝结构系数f_s(i)，结合步骤3得到的骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki，得到各年份淤地坝的拦沙总量BS_i；

步骤5，计算泥沙输移比SDR_i：

步骤5中各年份泥沙输移比(SDR_i)的计算公式为：

SDR_i＝OS_i/SES_i

式中，SES_i为各年份土壤侵蚀量，单位吨；OS_i为水文站测定的各年份输沙量，单位吨；

各年份的土壤侵蚀量SES_i遵循流域土壤侵蚀产沙量平衡方程：

SES_i＝OS_i+BS_i+RS_i+CS_i+IS_i；

式中，BS_i为各年份淤地坝拦沙总量，单位吨；RS_i为各年份河道沉积量，单位吨；CS_i为河道沉积量，单位吨；IS_i为各年份灌溉等引沙量，单位吨；

在黄河中游区，河道沉积量RS_i和灌溉等引沙量IS_i可忽略不计，则各年份土壤侵蚀量为：

SES_i＝OS_i+BS_i+RS_i。

计算各年份的土壤侵蚀量SES_i，结合步骤3得到的水库的逐年拦沙量RS_i和步骤4得到的淤地坝各年份的拦沙总量BS_i，计算得到各年份的泥沙输移比SDR_i。

本发明的特点还在于，

适用于黄河中游流域。

步骤2具体为：

2.1根据步骤1的调查结果，分别绘制骨干坝和水库的坝高-库容曲线；

2.2对2.1绘制的坝高-库容曲线进行数学拟合，得到其函数关系；

2.3测量泥面距离坝顶高度，计算淤积厚度，根据2.2得到的函数关系，分别得到骨干坝的淤积总量V_t坝和水库的淤积总量V_t库。

坝高-库容曲线的拟合结果为：

V＝aH^b

其中V为库容，H为坝高，a，b分别为拟合系数，对于黄河中游，a的取值为0.55，b的取值为2.18。

步骤3具体为：

采用权重系数ω_i对骨干坝的淤积总量进行逐年分配：

式中R_i为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm^-2·h^-1；C_i为作物覆盖-管理因子，由植被覆盖度f进行计算，当f_i≤5％时，C_i取1；当f_i＞5％时，

植被覆盖度通过实地调查或者使用遥感影像反演获取；下标i表示年份，其范围为从骨干坝修建年份至淤积总量调查年份；

则骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki为：BS_Ki＝V_t坝×ω_i；

水库的逐年拦沙量RS_i为：RS_i＝V_t库×ω_i。

步骤4具体为：

4.1计算各年份淤地坝结构系数f_s(i)：

淤地坝建设一般以骨干坝为控制单元，内部布设一系列中型坝和小型坝，形成淤地坝系，因此淤地坝结构系数f_s(i)的计算公式为：

式中，A_K为骨干坝平均控制面积，黄河中游区其平均值为5.00km²；A_M为中型坝平均控制面积，黄河中游区其平均值为1.65km²；A_S为小型坝平均控制面积，黄河中游区其平均值为0.70km²；n_K(i)、n_M(i)、n_S(i)分别为各年份流域内有拦沙能力的骨干坝、中型坝以及小型坝数量；

4.2，计算淤地坝各年份的拦沙总量BS_i：

BS_i＝BS_Ki×f_s(i)。

本发明的有益效果是，本发明一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，物理意义明确、参数获取方便，解决了因为受淤地坝和水库工程影响下的流域泥沙输移比无法定量问题。

附图说明

图1是本发明实施例中的黄河中游区淤地坝结构系数逐年变化曲线图；

图2是本发明实施例中的黄河中游区淤地坝拦沙量曲线图；

图3是本发明实施例中的黄河中游典型河流泥沙输移比变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，解析流域淤地坝结构：

分别确定流域内骨干坝、中型坝以及小型坝的数量(n)和控制面积(A)。

步骤2，调查骨干坝和水库的淤积总量：

2.1，根据步骤1的调查结果，分别绘制骨干坝和水库的坝高(H)-库容(V)曲线，拟合出骨干坝和水库的坝高-库容曲线。经过对黄河中游340余座骨干坝及水库的坝高-库容曲线进行拟合，发现坝高-库容曲线符合指数函数形式：V＝aH^b。其中a，b为拟合系数，对于黄河中游地区，a的平均值为0.55，b的平均值为2.18；

2.2，根据泥面距离坝顶高度，计算淤积厚度，然后结合2.1得到的拟合函数确定骨干坝的淤积总量(V_t坝)和水库的淤积总量(V_t库)。

步骤3，对骨干坝淤积总量(V_t坝)进行逐年还原：

由于淤地坝的淤积量主要取决于其控制范围内的土壤侵蚀模数，而土壤侵蚀模数受控于降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、坡度因子(S)、坡长因子(L)、作物覆盖-管理因子(C)以及水土保持措施因子(P)。同一流域，年际K、S、L以及P因子变化较小，年际间土壤侵蚀模数的差异主要受R及C影响。

3.1，采取下述权重系数(ω_i)对淤积总量进行逐年分配：

式中R_i为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm^-2·h^-1，可采取多种方法确定；C_i为作物覆盖-管理因子，可由植被覆盖度(f)进行计算，当f_i≤5％时，C_i取1。当f_i＞5％时，

植被覆盖度可通过实地调查或者使用遥感影像反演获取；下标i表示年份，指从骨干坝修建年份至淤积总量调查年份。

3.2，骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki计算公式为：BS_Ki＝V_t坝×ω_i。

步骤4，计算淤地坝结构系数：

淤地坝建设一般以骨干坝为控制单元，内部布设一系列中型坝和小型坝，形成淤地坝系。因此定义各年份淤地坝结构系数(f_s(i))为：

式中，A_K为骨干坝平均控制面积，黄河中游区平均值为5.00km²；A_M为中型坝平均控制面积，黄河中游区平均值为1.65km²；A_S为小型坝平均控制面积，黄河中游区平均值为0.70km²；n_K(i)、n_M(i)、n_S(i)分别为各年份流域内有拦沙能力的骨干坝、中型坝以及小型坝数量。

步骤5，计算各年份淤地坝拦沙总量(BS_i)：

根据淤地坝结构系数，计算各年份淤地坝拦沙总量，计算公式为：

BS_i＝BS_Ki×f_s(i)

步骤6，计算水库的逐年拦沙量RS_i，方法与步骤3相同；

步骤7，计算泥沙输移比(SDR_i)：

7.1，计算流域土壤侵蚀产沙量：

流域土壤侵蚀产沙量平衡方程为：SES_i＝OS_i+BS_i+RS_i+CS_i+IS_i；

其中，SES_i为土壤侵蚀量，单位吨(t)；OS_i为水文站测定输沙量，单位吨(t)；BS_i为各年份淤地坝拦沙总量，单位吨(t)；RS_i为各年份水库拦沙总量，单位吨(t)；CS_i为河道沉积量，单位吨(t)；IS_i为灌溉等引沙量，单位吨(t)。

在黄河中游区，河道沉积量(CS_i)和灌溉等引沙量(IS_i)可忽略不计，则流域土壤侵蚀产沙量平衡方程则简化为：

SES_i＝OS_i+BS_i+RS_i；

步骤7.2，计算泥沙输移比(SDR_i)：

泥沙输移比(SDR_i)的计算公式为：SDR_i＝OS_i/SES_i。

本发明方法是基于淤地坝和水库等水利工程影响下的黄河典型支流泥沙输移比的确定方法，物理意义明确、参数获取方便，解决了因为受淤地坝和水库工程影响下的流域泥沙输移比无法定量问题。

由于黄河中游区是黄河泥沙的主要来源区，黄土高原淤地坝也主要布设在该区间，本发明方法以该区间为例，计算该地区的淤地坝和水库的逐年拦沙量及主要河流的泥沙输移比。

确定黄河中游淤地坝结构系数f_s(i)，如图1所示，发现其值呈先增大后减少趋势，至1967年达最大，为5.20；之后由于中小型坝淤满及中小型坝建设数量减少，fs值逐年降低，2011年最低，为1.29。

如图2所示，1952-2011年，黄河中游区淤地坝和水库逐年拦沙量呈波动式增加，变化于0-2.53亿吨，多年平均拦沙量为1.14亿吨，累积拦沙量为68.63亿吨。淤地坝和水库年均拦沙量随年代呈现增加趋势，1952-1959年年均拦沙量最小，为0.04亿吨/年，至2000-2011年增加至1.86亿吨/年。其中，1970-1979年代，时段增量最大，1.02亿吨/年。

选择主河道未修建水库的典型河流，计算泥沙输移比变化，如图3所示。1960s年代，黄河中游主要河流泥沙输移比(SDR)接近于1，从1970s开始下降，2000s年代，泥沙输移比降至0.5以下。

Claims (6)

1.一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，解析流域淤地坝结构：

分别确定流域内骨干坝、中型坝以及小型坝的数量n和控制面积A；

步骤2，获取骨干坝和水库的淤积总量：

根据步骤1获得的骨干坝的信息，分别拟合流域内骨干坝和水库的坝高-库容曲线，得到骨干坝的淤积总量V_t坝和水库的淤积总量V_t库；

步骤3，计算骨干坝和水库的逐年拦沙量：

根据步骤2获得的骨干坝的淤积总量V_t坝和水库的淤积总量V_t库，采用权重系数分配的方法，分别获得骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki和水库的逐年拦沙量RS_i；

步骤4，计算淤地坝拦沙总量BS_i：

根据步骤1得到的流域淤地坝结构，计算各年份淤地坝结构系数f_s(i)，结合步骤3得到的骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki，得到各年份淤地坝的拦沙总量BS_i；

步骤5，计算泥沙输移比SDR_i：

计算各年份的土壤侵蚀量SES_i，结合步骤3得到的水库的逐年拦沙量RS_i和步骤4得到的淤地坝各年份的拦沙总量BS_i，计算得到各年份的泥沙输移比SDRi；

所述步骤5中各年份泥沙输移比SDR_i的计算公式为：

SDR_i＝OS_i/SES_i

式中，SES_i为各年份土壤侵蚀量，单位吨；OS_i为水文站测定的各年份输沙量，单位吨；

各年份的土壤侵蚀量SES_i遵循流域土壤侵蚀产沙量平衡方程：

SES_i＝OS_i+BS_i+RS_i+CS_i+IS_i；

式中，BS_i为各年份淤地坝拦沙总量，单位吨；RS_i为水库的逐年拦沙量，单位吨；CS_i为河道沉积量，单位吨；IS_i为各年份灌溉引沙量，单位吨；

在黄河中游区，河道沉积量CS_i和灌溉引沙量IS_i忽略不计，则各年份土壤侵蚀量为：

SES_i＝OS_i+BS_i+RS_i。

2.根据权利要求1所述的一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，其特征在于，适用于黄河中游流域。

3.根据权利要求1或2所述的一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

2.1根据步骤1的调查结果，分别绘制骨干坝和水库的坝高-库容曲线；

2.2对2.1绘制的坝高-库容曲线进行数学拟合，得到其函数关系；

2.3测量泥面距离坝顶高度，计算淤积厚度，根据2.2得到的函数关系，分别得到骨干坝的淤积总量V_t坝和水库的淤积总量V_t库。

4.根据权利要求3所述的一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，其特征在于，所述坝高-库容曲线的拟合结果为：

V＝aH^b

其中V为库容，H为坝高，a，b分别为拟合系数，对于黄河中游，a的取值为0.55，b的取值为2.18。

5.根据权利要求1或2所述的一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

采用权重系数ω_i对骨干坝的淤积总量进行逐年分配：

式中R_i为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm^-2·h^-1；C_i为作物覆盖-管理因子，由植被覆盖度f进行计算，当f_i≤5％时，C_i取1；当f_i＞5％时，

植被覆盖度通过实地调查或者使用遥感影像反演获取；下标i表示年份，其范围为从骨干坝修建年份至淤积总量调查年份；

则骨干坝的逐年拦沙量BS_Ki为：BS_Ki＝V_t坝×ω_i；

水库的逐年拦沙量RS_i为：RS_i＝V_t库×ω_i。

6.根据权利要求1所述的一种坝库水利工程影响下的河流泥沙输移比确定方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

4.1计算各年份淤地坝结构系数f_s(i)：

淤地坝建设以骨干坝为控制单元，内部布设一系列中型坝和小型坝，形成淤地坝系，因此淤地坝结构系数f_s(i)的计算公式为：

式中，A_K为骨干坝平均控制面积，黄河中游区其平均值为5.00km²；A_M为中型坝平均控制面积，黄河中游区其平均值为1.65km²；A_S为小型坝平均控制面积，黄河中游区其平均值为0.70km²；n_K(i)、n_M(i)、n_S(i)分别为各年份流域内有拦沙能力的骨干坝、中型坝以及小型坝数量；

4.2，计算淤地坝各年份的拦沙总量BS_i：

BS_i＝BS_Ki×f_s(i)。

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