本书以黄土高原淤地坝坝系为研究对象，通过实地勘察、资料收集和实验测试分析，运用多学科理论及“3S”技术和数值模拟技术，以小流域淤地坝坝系防洪风险评价为研究核心，系统分析不同坝级、不同级联方式(串联、并联和混联)淤地坝蓄水拦沙作用与淤地减蚀机制，辨析小流域坝系与沟道单元坝系分片、分层对洪水泥沙的控制关系，阐明小流域淤地坝坝系防洪拦沙能力的级联效应，研究提高小流域淤地坝坝系防洪能力的坝系布局与坝级配置方法，建立小流域淤地坝坝系防洪风险评价指标体系，并以典型小流域为例，进行坝系防洪风险评价，提出在变化形势下考虑流域坝系防洪安全的适宜建设规模。
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总序一总序二总序三序前言
第1章 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 国内外研究进展 2
1.2.1 小流域坝系研究进展 2
1.2.2 淤地坝溃坝与风险评价研究进展 12
1.2.3 存在的问题与研究展望 13
第2章 研究区概况及基本资料 15
2.1 黄土高原监测坝系概况 15
2.1.1 小流域自然地理、社会经济概况 15
2.1.2 小流域水土流失及其综合治理现状 17
2.2 重点研究小流域 19
2.3 重点典型研究小流域——王茂沟小流域 21
2.3.1 自然地理概况 21
2.3.2 社会经济概况 23
2.4 数据来源 24
第3章 黄土高原小流域坝系形成与发展演变 25
3.1 黄土高原坝系建设历史沿革 25
3.2 1949 年后淤地坝的建设与发展 28
3.3 新时期淤地坝建设特点 32
3.4 黄土高原地区淤地坝建设成就 36
3.4.1 黄土高原地区淤地坝建设现状 36
3.4.2 黄土高原地区坝系建设现状 37
3.5 典型小流域坝系演变及历程 38
3.5.1 韭园沟小流域 38
3.5.2 王茂沟小流域 40
3.5.3 西黑岱小流域 42
3.6 黄土高原地区小流域坝系安全稳定的制约因素 42
第4章 淤地坝淤积信息提取与减蚀作用机理研究 47
4.1 淤地坝剖面泥沙沉积旋回的划分及土样采集 47
4.1.1 典型淤地坝的选取 47
4.1.2 泥沙沉积旋回层划分及土样采集 48
4.2 典型淤地坝坝地泥沙淤积信息的动态变化 50
4.2.1 淤积泥沙干容重变化特征 50
4.2.2 关地沟4#淤地坝坝地次降雨沉积旋回淤积量计算 51
4.2.3 坝地剖面泥沙沉积旋回层137Cs含量分布特征 51
4.2.4 坝地剖面泥沙沉积旋回层的210Pb含量分布特征 52
4.2.5 坝地剖面泥沙沉积旋回层的210Pbex含量分布特征 53
4.3 淤地坝泥沙沉积旋回与侵蚀性降雨的响应关系 54
4.3.1 侵蚀性降雨特性与降雨资料的分析 54
4.3.2 淤地坝泥沙沉积旋回与侵蚀性降雨的对应原则 56
4.3.3 淤地坝垂直剖面中137Cs含量与沉积计年的关系 57
4.3.4 淤地坝坝地泥沙沉积旋回与次降雨事件的对应 57
4.4 淤地坝对沟道侵蚀的减蚀作用分析 59
4.4.1 流域不同土地利用类型坡面侵蚀产沙规律分析 59
4.4.2 流域土地利用变化分析 62
4.4.3 典型降雨事件下流域主要泥沙来源地的产沙变化 63
4.4.4 降雨侵蚀产沙与坝地淤积泥沙对比分析 64
4.5 淤地坝淤积过程对沟坡稳定性影响的研究 66
4.5.1 数字高程模型与滑坡、崩塌调查 66
4.5.2 SINMAP模型原理 67
4.5.3 模型的集成方法 69
4.5.4 模型参数化及参数测定 69
4.5.5 坝地淤积高度对斜坡稳定性指数的影响分析 70
4.5.6 坡度对斜坡稳定性的影响 71
4.6 淤地坝对流域径流过程的影响研究 71
4.6.1 淤地坝对径流系数和输沙模数的影响 71
4.6.2 淤地坝建设对流域洪水滞时的影响 72
4.6.3 淤地坝对流域径流过程的影响机理分析 73
第5章 基于137Cs和210Pbex示踪的流域侵蚀产沙演变 76
5.1 野外调查取样及土样测试与分析 76
5.1.1 不同土地利用方式土壤核素含量的分异特征 76
5.1.2 不同地貌部位土壤核素含量的分异特征 77
5.2 关地沟4#淤地坝坝控流域土壤侵蚀产沙分布特征 78
5.2.1 研究区背景值的确定 78
5.2.2 不同土地利用方式土壤侵蚀特征 78
5.2.3 小流域不同地貌部位土壤侵蚀特征 79
5.3 小流域侵蚀产沙来源示踪 80
5.3.1 小流域泥沙来源研究方法 81
5.3.2 小流域泥沙来源分析 82
5.4 基于复合指纹识别法的流域泥沙来源反演 84
5.4.1 沉积旋回时间序列建立 84
5.4.2 流域侵蚀历史演变过程 85
5.4.3 淤地坝坝控流域泥沙来源反演结果 86
5.5 不同淤积阶段坝控流域侵蚀产沙强度变化 87
5.5.1 关地沟小流域侵蚀沉积速率变化趋势 87
5.5.2 关地沟4#淤地坝坝控流域侵蚀产沙变化趋势 88
第6章 典型小流域坝系级联物理模式解析 90
6.1 典型小流域坝系对比的可行性分析 90
6.1.1 典型小流域气候水文条件对比 90
6.1.2 典型小流域坝系沟道地貌特征对比 90
6.2 小流域坝系级联物理模式类型 93
6.3 榆林沟小流域坝系级联物理模式解析 95
6.3.1 榆林沟小流域坝系单元总体结构 96
6.3.2 榆林沟小流域坝系单元级联控制关系解析 101
6.4 小河沟小流域坝系级联物理模式解析 103
6.4.1 小河沟小流域坝系单元总体结构 104
6.4.2 小河沟小流域坝系单元蓄洪拦沙级联控制关系解析 106
6.5 韭园沟小流域坝系级联物理模式解析 109
6.5.1 韭园沟小流域坝系单元总体结构 109
6.5.2 韭园沟小流域坝系单元蓄洪拦沙级联控制关系解析 115
第7章 典型小流域坝系级联配置模式与级联调控作用评价 120
7.1 典型小流域坝系不同级别沟道分布情况 120
7.1.1 榆林沟小流域 120
7.1.2 小河沟小流域 121
7.1.3 韭园沟小流域 122
7.2 典型小流域沟道工程空间分布特征与拦沙关系 123
7.2.1 典型小流域不同级别沟道淤地坝库容分布 123
7.2.2 典型小流域坝系工程特征分布情况分析 125
7.2.3 典型小流域坝系单元拦沙关系分析 127
7.3 榆林沟小流域坝系空间布局与蓄洪拦沙的级联调控关系 129
7.3.1 小流域坝系沟道分布的级联调控作用评价 129
7.3.2 榆林沟小流域不同级别沟道坝地淤积及利用情况 130
7.3.3 榆林沟小流域坝系框架布局的级联调控作用 131
7.3.4 榆林沟小流域坝系现状防洪能力分析 133
7.3.5 榆林沟小流域坝系对洪水的级联拦蓄作用评价 135
7.3.6 小流域坝系运行中存在的问题分析 138
7.4 韭园沟小流域次暴雨坝系级联作用分析 139
7.4.1 韭园沟小流域坝系现状防洪能力分析 139
7.4.2 韭园沟小流域“7·15”暴雨淤地坝水毁和泥沙拦蓄调查 141
第8章 淤地坝对流域泥沙输移-沉积特征的影响 145
8.1 材料和方法 145
8.1.1 土壤样品的采集 145
8.1.2 土壤分形理论 145
8.2 坝地泥沙淤积对沟道地形的影响 146
8.3 坝地淤积泥沙的粒径分析 147
8.3.1 坝地土壤粒径的统计特征 147
8.3.2 坝地淤积泥沙质地分类 148
8.3.3 坝地土壤颗粒的粗化度 148
8.4 坝地土壤颗粒分形特征 151
8.4.1 坝地土壤颗粒体积分形维数的分布特征 151
8.4.2 坝地土壤颗粒分形维数与土壤颗粒组成的关系 152
8.5 典型暴雨下淤地坝淤积泥沙特征 153
8.5.1 绥德“7·15”暴雨洪水调查 153
8.5.2 次暴雨洪水坝地淤积特征 153
8.6 土壤颗粒体积分形维数与土壤性质的关系 155
8.7 不同类型单座淤地坝坝地泥沙淤积特征 156
8.7.1 有放水建筑物的淤地坝坝地泥沙淤积特征 156
8.7.2 有溢洪道的淤地坝坝地泥沙淤积特征 157
8.7.3 “闷葫芦”坝坝地泥沙淤积特征 157
8.8 坝系单元坝地泥沙淤积特征 158
8.8.1 不同坝系单元级联模式下的坝地泥沙淤积特征 158
8.8.2 不同沟道级别下的坝地泥沙淤积特征 158
8.8.3 不同坝系单元下的坝地泥沙淤积特征 159
8.9 王茂沟坝系坝地泥沙淤积特征 161
第9章 小流域淤地坝系级联效应模拟与分析 162
9.1 坝系运算关系解析 162
9.2 坝系防洪标准研究 163
9.2.1 子坝系和单元坝系的概念 163
9.2.2 单元控制论的应用 165
9.3 坝系拦蓄洪水的级联作用 167
9.3.1 小流域坝系防洪体系 168
9.3.2 淤地坝防洪标准 168
9.3.3 单坝防洪标准与坝系防洪标准的关系 169
9.3.4 王茂沟小流域不同坝系结构配置的蓄洪效应 169
9.4 坝系防洪安全控制方法 177
9.5 王茂沟小流域不同坝系结构组合拦沙级联效应 179
9.6 小流域坝系不同结构配置的相对稳定分析 184
9.6.1 单坝相对稳定与坝系稳定的关系 184
9.6.2 坝系相对稳定与骨干坝的关系 185
第10章 淤地坝(系)安全稳定影响因素分析 191
10.1 淤地坝安全影响因素分析 191
10.1.1 淤地坝排水排沙能力分析 191
10.1.2 淤地坝拦水拦沙能力分析 192
10.1.3 坝控流域的来水来沙状况分析 192
10.2 淤地坝及坝系相对稳定系数 196
10.2.1 坝系相对稳定的内涵 196
10.2.2 流域淤地坝与坝系相对稳定系数的空间变化特征 197
10.3 小流域坝系不同地貌单元的水动力结构功能变化 201
10.3.1 暴雨洪水集中是侵蚀产沙的主要动力 202
10.3.2 高强度暴雨下的超渗产流对大洪峰形成具有重要影响 203
10.3.3 产沙强烈、粗泥沙集中是暴雨洪水产沙的显著特点 205
10.4 不同地貌单元淤地坝建设耦合性分析 206
10.4.1 黄土区 206
10.4.2 砒砂岩区 214
10.4.3 盖沙区 220
10.5 不同地貌单元水土资源优化调控模式探讨 221
10.5.1 黄土区 221
10.5.2 砒砂岩区 222
10.5.3 盖沙区 223
第11章 坝系安全稳定布局与坝级配置及其综合效益研究 225
11.1 小流域坝系布坝密度研究 225
11.1.1 布坝密度影响因素分析 225
11.1.2 黄土高原不同分区小流域坝系布坝密度 226
11.2 坝系空间布局的配置比例分析 230
11.3 骨干坝最优控制面积分析 231
11.4 淤地坝相对稳定系数分析 232
11.5 淤地坝系建坝时序研究 233
11.5.1 流域坝系的建坝顺序 233
11.5.2 小流域坝系的建坝时序分析 237
11.6 小流域坝系综合效益的研究 239
11.6.1 坝系拦沙蓄水效益分析 240
11.6.2 坝地利用及增产效益分析243
11.6.3 生态效益 247
11.6.4 社会效益 247
第12章 黄土高原淤地坝水损特征及原因分析 249
12.1 黄土高原小流域坝系示范工程安全运行监测 249
12.2 典型小流域淤地坝受损调查 253
12.3 区域淤地坝安全现状 257
12.4 淤地坝溃坝形式及原因分析 259
12.4.1 典型坝系溃坝历史事件 259
12.4.2 典型坝系垮坝形式 263
12.4.3 典型坝系溃坝原因解析 264
第13章 淤地坝溃坝机理模拟与分析 272
13.1 竖井式泄水建筑物空蚀空化引起坝体受损机理实验研究 272
13.1.1 实验概述 272
13.1.2 水流流态 273
13.1.3 泄水建筑物放水塔壁面压强分布规律 277
13.1.4 泄水建筑物放水洞沿程水深和流速分布规律 281
13.1.5 放水隧洞沿程水流空化数分析 284
13.2 不同土地利用方式下土壤入渗率实验研究 285
13.2.1 实验设计 285
13.2.2 实验结果与分析 286
13.3 淤地坝坝系暴雨洪水计算 288
13.3.1 暴雨洪水计算方法 288
13.3.2 王茂沟小流域“7·15”特大暴雨洪水验证分析 289
13.3.3 变化条件下流域设计暴雨洪水与侵蚀产沙分析 311
13.3.4 变化条件下王茂沟小流域淤地坝溃坝模拟研究 319
13.4 淤地坝坝体渗流与安全稳定性分析 334
13.4.1 淤地坝坝体特征描述 334
13.4.2 计算原理与方法 334
13.4.3 参数选取及测定 335
13.4.4 边坡稳定性计算模型的建立 335
13.4.5 数值模拟计算 336
13.5 淤地坝溃坝模拟 341
13.6 淤地坝溃决计算 345
第14章 淤地坝防洪风险评价指标体系与评价 347
14.1 淤地坝防洪风险评价指标体系构成及确定 347
14.1.1 评价指标体系的确定 347
14.1.2 评价指标计算及标准化 347
14.1.3 淤地坝防洪风险评价指标权重 350
14.2 王茂沟小流域淤地坝坝系防洪风险评价 351
14.2.1 风险分值计算和风险等级标准划分 351
14.2.2 淤地坝防洪风险评价指标确定 352
14.2.3 坝系布局合理性评价与坝系防洪风险评价结果 355
第15章 变化情势下流域水沙变化与建坝适宜规模 360
15.1 典型流域土地利用变化分析 360
15.1.1 大理河流域 360
15.1.2 秃尾河流域 363
15.1.3 孤山川流域 368
15.2 典型流域土地利用景观格局与分形维数变化分析 371
15.2.1 大理河流域 371
15.2.2 秃尾河流域 377
15.2.3 孤山川流域 381
15.3 流域水沙变化趋势分析 383
15.3.1 大理河流域 383
15.3.2 秃尾河流域和孤山川流域 385
15.4 淤地坝建设对流域水沙变化的调控作用 387
15.4.1 岔巴沟流域淤地坝对流域水沙调控作用分析 387
15.4.2 淤地坝对流域水沙调控作用对比分析 388
15.4.3 不同水土保持治理阶段王茂沟小流域淤地坝水沙调控作用分析 389
15.5 变化情势下黄土高原淤地坝坝系适宜建设规模分析 390
15.5.1 新时期淤地坝建设指导思想 390
15.5.2 黄土高原淤地坝建设规模 391
15.5.3 典型区域淤地坝建设规模——以延安市为例 395
第16章 结论 402
参考文献 406
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