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1、泥沙研究年月第期收稿日期基金项目 中国地质调查局地质大调查项目资助作者简介 李为乐男 安徽太湖县人 助教 研究方向为技术在数字国土及地质灾害评价与防治中的应用和技术在金沙江干流泥沙淤积强度预测评价中的应用研究李为乐 唐川成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川 成都摘要 泥沙是梯级水电开发的重要影响因素之一金沙江含沙量高 输沙量大 其泥沙重要来源是干流两岸众多的泥石流 以及两岸的崩塌 滑坡 坍塌等重力侵蚀本文选取泥石流密度 滑坡密度 土壤侵蚀 沟壑密度为评价指标 利用遥感地质解译和水文分析功能获取了各评价指标的空间分布特征 通过层次分析法确定各指标的权重 建立评价模型 并利用
2、的缓冲区分析和空间叠加分析功能实现了对金沙江干流的泥沙淤积强度的预测评价关键词金沙江干流 泥沙淤积强度 预测评价中图分类号文献标识码文章编号引言我国是一个多沙河流的国家 泥沙淤积是许多大江大河洪水泛滥的重要原因之一也是梯级水电开发的重要影响因素之一关于泥沙淤积过程已经建立了大量的数学模拟模型系统这些系统具有强大的模拟计算能力 但是其数据表现和进一步的空间分析功能较弱 尤其是计算结果的图形显示方面 这在很大程度上制约了数学模型研究水平的进一步提高以及数学模型的应用等随着研究的深入以及新技术的应用 以技术为核心 结合进行泥沙淤积分析评价已经成为泥沙淤积研究的趋势利用对于空间和专题属性数据库的管理功
3、能以及空间分析 叠加分析等功能 将不同时相的环境数据进行叠加 就能对泥沙淤积强度进行动态预测评价流域概况本文所指金沙江流域 西起云南中甸 香格里拉东至四川宜宾 长约面积约涉及市个县流域内地质情况复杂 构造断裂发育 外动力地质现象亦十分发育 且类型众多金沙江下游干流区间属大陆性亚热带气候 干湿季分明 垂直气候明显 地质构造运动强烈 断裂发育 使滑坡 泥石流等重力侵蚀和坡面侵蚀特别强烈 且区内人口稠密 人类活动频繁 开矿及工程建设等人为活动强度较大 从而每年雨季会将大量泥沙输入金沙江干流金沙江是含沙量高 输沙量大的河流 泥沙是其干流梯级水电开发的重要影响因素之一 严重的泥沙淤积将使水库库容减少 水
4、电效益明显降低泥沙淤积强度预测评价评价方法由于泥沙来源在空间上有很大的差异性 而且影响因素众多而复杂 尤其是泥沙特性和水流条件等泥沙淤积关键指标很难获取 因此无法通过数学模拟模型进行定量评价为获取金沙江干流泥沙淤积空间分布特征 可根据实地调查数据及遥感地质解译数据 采用技术进行泥沙淤积定性预测评价选取地学中常用的多指标因子加权叠加评价模型其中为泥沙淤积强度指标代表单指标约束度分值集 其空间分布数据层可通过对指标数据层采用空间叠加 提取 基于案例类比和专家经验之上的专家赋值法赋值 缓冲区操作等进行单指标敏感度重分类得到 本次研究各指标数据层的泥沙淤积值选用的整数分别代表高强度中强度低强度的强度级
5、序代表评价指标权重集由近年来广泛用于定性定量指标混存的多指标权重评价的层次分析法计算得到确定评价指标及权重后即可运用的空间叠加分析功能实现模型的计算 得出泥沙淤积强度的空间分布特征评价指标选取金沙江干流泥沙产生和淤积受气候因素 地质因素 地形地貌因素 人类活动因素 土壤侵蚀和滑坡泥石流等多种因素的影响我们对金沙江一级支流的小江河道泥沙淤积研究表明 河道的泥沙淤积以重力侵蚀为主 特别是分布小江两岸坡面的泥石流 滑坡 土壤侵蚀等强烈侵蚀作用产沙和输移因此在确定金沙江干流泥沙淤积的评价指标时应给予充分考虑考虑到已有的空间数据和调查成果 确定了金沙江干流泥沙淤积强度的评价指标有 泥石流密度 滑坡密度
6、土壤侵蚀强度 沟壑密度 这四项评价指标基本能概括金沙江干流泥沙淤积的影响因素评价范围确定金沙江流域面积巨大 而各评价指标对干流泥沙淤积影响显著的区域是在干流左右一定范围内 因而在进行评价之前首先应确定评价范围通过对各评标进行分析和小江流域的评价经验 我们确定研究区域为金沙江干流左右范围以内 并采用的缓冲区分析模块对各评价指标分别进行范围界定指标量化分级本研究选取了四个评价指标 其中泥石流密度 滑坡密度 土壤侵蚀强度指标均由遥感图像解译获取空间分布特征并用空间分析功能绘制密度图 精度和现势性较好 而沟壑密度由于没有大比例尺的地形图 只能采用万在的水文分析模块里提取 其结果要比实际密度要小 但仍可
7、以反映相对沟壑密度和对泥沙的影响程度各指标空间特征详见表表评价指标的空间数据来源和特征评价指标空间数据来源基本特征泥石流密度遥感地质解译共解译干流两岸范围泥石流沟条 左岸条 右岸条其中白鹤滩库区条 溪落渡库区条 向家坝库区条滑坡密度遥感地质解译共解译干流两岸范围滑坡崩塌点个 左岸个 右岸个其中白鹤滩库区最多个土壤侵蚀强度遥感解译土壤侵蚀强度共分级 干流两岸范围内土壤侵蚀强度大于级的约占其中乌东德向家坝河段的土壤侵蚀尤为严重沟壑密度万提取由万提取 由于比例尺较小 提取的沟壑密度比实际密度要小 但仍可以反映相对沟壑密度和对泥沙的影响程度表评价指标标准化分级赋值指标泥石流密度 条?滑坡崩塌密度 个?
8、土壤侵蚀强度级沟壑密度?空间叠加分析的前提是各评价指标必须具有统一的空间坐标体系和量纲由于研究区域范围大 正好跨度分带的号带 为了统一坐标系并减小投影误差 选取研究区中央位置的度为中央经线 以高斯克里格为投影方式建立统一的坐标系此外 由于各评价指标的量纲不同 缺乏可比性 因此首次对各指标按栅格格网为单元在下进行栅格化处理 并按表的专家赋值对各评价指标进行重分类 在下得到各指标分级图 见图图图泥石流密度分级图图滑坡密度分级图图土壤侵蚀强度分级图图沟壑密度分级图层次分析法确定指标权重层次分析法是一种实用的多准则评价方法 其将复杂的问题分解成各组成要素 将这些要素按支配关系组成有序的层次递阶结构 通
9、过两两比较的方式确定层次中各因素相对重要性的总和顺序通过专家打分并借鉴小江流域的评价经验 我们建立了金沙江干流泥沙淤积强度评价因子的判断矩阵 表由表用方根法求得泥沙淤积的评价指标 泥石流密度滑坡密度土壤侵蚀强度沟壑密度的权重系数分别为并通过一致性检验表指标因子判断矩阵指标泥石流密度滑坡密度土壤侵蚀强度沟壑密度泥石流密度滑坡密度?土壤侵蚀强度?沟壑密度?综合评价由上述分析计算得出金沙江干流河段泥沙淤积强度指标量化模型为以栅格为评价单元 在平台下 利用其扩展模块的功能对各指标的量化值栅格图层进行加权叠加 即得到每个栅格的综合值其值变化范围为选取适当阈值对其进行分级并对小图斑进行合并 得到金沙江干流
10、泥沙淤积分级图 见图金沙江干流河段 约划分为分段 其中泥沙淤积低强度有段 约中强度有段 约高强度有段 约从图上可以看出 总体上从金沙江上游到下游淤积逐渐加剧 上虎跳峡库区以上泥沙淤积较轻 上虎跳峡库区到乌东德库区淤积强度中等 乌东德库区到向家坝库区泥沙淤积最严重这主要是由于金沙江中下游水土流失严重 滑坡泥石流发育的缘故图泥沙淤积强度分区图结果验证通过上述对金沙江干流泥沙淤积强度预测评价 基本了解该河流的泥沙主要来源 空间强度分布特征 以及各库区泥沙淤积的主要河段 但是由于泥沙来源在空间上有很大的差异性 而且成因复杂 特别是缺乏泥沙特性和水流条件等泥沙淤积关键指标 因此无法通过影响泥沙淤积的环境
11、因素进行定量评价因此 基于金沙江干流的一系列水文观测的多年观测数据对各水电站库区的泥沙淤积进行估算就很重要了事实上 目前水电站科研 规划涉及泥沙淤积计算亦是根据定点观测资料采用金沙江干流悬移质输沙量观测系列资料为依据 通过流域面积的插值方法估算每个库区泥沙淤积数量 其具体方法步骤是获取金沙江干流主要水文站泥沙多年输沙量 悬移质 系列观测数据估算各水文站之间沿程单位长度和流域面积的泥沙淤积量的平均值根据水电站所处的上 下游水电站位置的水文站输沙量数值 采用流域面积的插值方法估算出每个电站位置的悬移质输沙量由于系列观测值为悬移质 因此根据已有的定点观测和计算资料 类推金沙江干流的悬移质输沙量与推移
12、质输沙量的比例 从而估算各水电站的泥沙淤积总量目前 研究区范围的金沙江干流的水文站由上游至下游主要有石鼓站 渡口站 龙街站 巧家站和屏山站 各站的多年平均悬移质输沙量值分别为和由于龙街站至巧家站之间无水电站大坝 因此将龙街站的资料作为参考值 进行区段泥沙淤积类比分析 此外 位于屏山站上游约的向家坝位置无水文站资料 本研究以溪落渡为参考和类比计算结果表明 各水电站之间的单位悬移质输沙量数值为 屏山站至巧家站为?巧家站至渡口站为?渡口站至石鼓站为?根据金沙江干流电站处的位置 计算出各水电站大坝位置的悬移质输沙量分别为 向家坝溪落渡白鹤滩乌东德观音岩鲁地拉龙开口金安桥阿海梨园上虎跳峡金沙江干流水文电
13、站没有对推移值输沙量进行观测 仅溪落渡坝址附近断面进行过推移值输沙量观测和分析根据溪落渡水电站工程的可研报告 溪落渡坝址多年观测结果 平均悬移质输沙量为推移质输沙量为其中悬移质输沙量略高于上游屏山站观测的多年平均悬移质输沙量的为什么在观测数据上出现此误差 有待于对资料的进一步核实 但是我们可以总结出金沙江在该观测断面的悬移质泥沙与推移质泥沙的比例 即悬移质泥沙占总量的推移质泥沙占如果将该比例类比到全区 可以推算出其它各水电站坝址处的年泥沙总量 其估算结果为 向家坝溪落渡白鹤滩乌东德观音岩鲁地拉龙开口金安桥阿海梨园上虎跳峡 两家人表通过以上对金沙江干流各水电站泥沙总量估算结果 可以看出向家坝 溪
14、落渡 白鹤滩和乌东德水电站库区的泥沙淤积量最大这与我们对全区泥沙淤积强度评价结果是基本一致的表悬移质和推移质输沙量估算结果站名距上游水文站距离?悬移质?推移质?泥沙总量?向家坝距下游屏山站溪落渡距屏山站白鹤滩距屏山站乌东德距巧家站观音岩距渡口电鲁地拉距渡口电龙开口距渡口电金安桥距渡口电阿海距渡口电梨园距渡口电上虎跳峡距渡口电结论金沙江泥沙淤积从上游到下游淤积逐渐加剧 上虎跳峡库区以上泥沙淤积较轻 上虎跳峡库区到乌东德库区淤积强度中等 乌东德库区到向家坝库区泥沙淤积最严重利用等高新技术手段进行干流河道泥沙淤积定性评价是可行的该评价方法的要点在于对干流河道泥沙淤积影响因素的充分认识 选取最优化评价
15、指标集并确定各指标权重 这有待于对流域产沙淤积的认识程度的深入及观测资料的积累独特功能使得数据得到补充更新后的干流泥沙淤积重新评价可灵活进行 遥感技术则是评价指标快速便捷的获取途径 而基于专家知识的智能化推理与数学模型处理方法的有机结合则是客观科学地确定分级指标和指标权重的理想途径参考文献张红梅 方彦军 李义天 基技术的泥沙淤积分析系统研究武汉大学学报 工学版曹祖德 王运洪 水动力泥沙数值模拟天津 天津大学出版社刘毅 长江上游流域地表侵蚀与河流泥沙输移长江科学院院报李大鸣 李冰绯 吕小海 全沙数学模型在港口环境评价中的应用水利学报鲍卫锋 于福亮 黄介生 泥沙淤积模型在水库运行规则选择中的应用人
16、民黄河孙和平 小型水库泥沙淤积成因分析及淤积量的初步估算地下水胡艳芬 吴卫民 陈振红 向家坝水电站泥沙淤积计算人民长江胡小华 用典型扩展法估算湖南水库淤积量湖南水利水电胡艳芬 吴卫民 陈振红 向家坝水电站泥沙淤积计算人民长江黄林清在河道与库区泥沙淤积系统中的工程应用地矿测绘叶浩 石建省 侯宏冰 等基?的淤地坝泥沙淤积速率的评价方法探讨以内蒙南部砒砂岩区淤地坝为例地质学报刘学 王兴奎 王光谦 基于与数学模型集成的泥沙过程可视化分析系统水科学进展黄川 娄霄鹏 等 金沙江流域泥沙演变过程及趋势分析重庆大学学报 自然科学版潘久根 金沙江流域的河流泥沙输移特性泥沙研究刘邵权 等 金沙江流域水土流失现状与河道泥沙分析长江流域资源与环境郎南军 等 金沙江流域高原山地土壤侵蚀影响因子的相关分析北京林业大学学报易哲文 长江上游的泥沙四川水利程尊兰 等 云南小江流域中上游泥沙特征及模型试验自然灾害学报李长兴 论悬移质河道输沙及水沙关系西北水资源与水电工程焦爱萍 河流泥沙数学模型的研究分析漯河职业技术学院学报 综合版唐川 朱静 等 云南滑坡泥石流研究北京 商务印书馆唐川 金沙江流域 云南境内 山地灾害危险性评价山地学报潘久根 金沙江流域输沙特征分析水土保持通报