淤地坝是黄土高原地区防止水土流失有效的工程措施之一，宁夏水利水保部门结合实际，积极探索，推动水土保持淤地坝建设和管理工作的良性发展^[1]，淤地坝建设模式逐步由单坝向坝系、由淤地为主向淤地蓄水相结合、由单一水保型向水保经济生态复合型转变^[2]，先后建成灵武市水洞沟、西吉县车路沟、盐池县荫子沟、原州区张易河、隆德县什子河等一批具有示范作用的坝系。

目前，有学者对坝系评价系统进行了初探。陈骞^[3]研究土壤侵蚀模数对坝系布局的作用，蒋耿民^[4]利用多层次模糊综合评价模型对坝系工程总体布局进行综合动态评价; 但针对多坝系单元组合的系统评价所见不多。笔者选取宁夏西吉车路沟流域坝系为研究对象，分别从工程、管理、经济、结构4方面提取并建立一套相对完整的单坝评价指标体系，并对各坝7个重现期下的运行风险进行评价。在此基础上，考虑坝系整体运行安全，补充建立坝系运行风险评价指标体系，综合计算西吉车路沟坝系300年一遇情景下，淤地坝单元及流域坝系的运行风险，整体上实现了单坝、淤地坝单元以及流域坝系的系统性评价，便于管理部门及时获取各种情况下的工程安全信息及等级^[5]，为制订安全运行管理办法提供理论参考。

车路沟流域位于宁夏回族自治区西吉县东部，属渭河水系一级支流葫芦河的一级支沟，为黄土丘陵沟壑第Ⅲ副区，流域面积89.5 km²。流域多年平均降水量为448 mm，地形支离破碎，沟壑纵横，沟谷呈“U”型，水土流失形态以水蚀为主，兼有重力侵蚀，年均侵蚀模数为4 800 t/km²，年均输沙量43.0万t。根据2010年宁夏淤地坝基本情况复核表，西吉车路沟流域坝系共计淤地坝46座，总库容1 654.45万m³，淤积库容590.37万m³。骨干工程与中小型淤地坝配置比例为1:4.2，坝系布局见图 1。

图 1(Figure 1)

图 1 西吉车路沟坝系布局图 Figure 1 Dam system distribution of Chelugou watershed in Xiji

引起淤地坝溃坝的原因主要可概括为：1) 淤地坝投入运行时间较长，导致淤地坝滞洪库容不足，泄水建筑物被堵塞或者已经损坏导致淤地坝泄洪能力不足；2) 淤地坝系设计不合理，串联淤地坝较多，导致连锁溃坝；3) 淤地坝建设质量较低，经过长时间淤积和沉降，导致大坝整体失稳和坝体变形造成裂缝；4) 缺乏管护措施。

根据宁夏淤地坝工程水毁资料、病险特征及受损破坏成因，结合国内外淤地坝环境效应及其他相关研究^[6]，从淤地坝设计(包括淤地保收、拦蓄洪水等功能)、运行(运行工程中出现的病险情况)、管理(日常管护情况)3个方面综合考虑，建立3个层次共13个指标的单坝运行风险评价指标体系，并利用改进层次分析法^[7-9]计算各指标权重，汇总见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 淤地坝单坝运行风险评价指标体系及权重 Table 1 Evaluation index system of single check dam's operation risk and their weight 目标层(a) Target layer 准则层(b) Criterion layer 权重(q) Weight 指标层(c) Index layer 权重值(w) Weight value 淤地坝运行风险 Operation risk of check dam (a) 工程风险Engineering risk(b1) 0.50 淤积系数Sediment coefficient(c1) 0.03 拦洪风险Flood control risk(c2) 0.46 滞洪风险Flood detention risk(c3) 0.31 蓄水风险Water storage risk(c4) 0.06 危险系数Danger coefficient(c5) 0.13 管理风险Management risk(b2) 0.13 日常管理风险Daily management risk(c6) 0.53 应急风险Emergency risk(c7) 0.32 监测设施Monitoring facilities(c8) 0.15 经济风险Economic risk(b3) >0.07 下游经济风险Downstream economic risk(c9) 0.75 保收风险Harvest risk(c10) 0.25 结构风险Structure risk(b4) 0.30 坝体损坏系数 Damage coefficient of dam body(c11) 0.57 放水建筑物损坏系数 Damage coefficient of drainage structure (c12) 0.28 泄水建筑物损坏系数Damage coefficient of discharge structure(c13) 0.16

表 1 淤地坝单坝运行风险评价指标体系及权重 Table 1 Evaluation index system of single check dam's operation risk and their weight

工程风险：

1) 淤积系数

式中：U为淤积系数；I为相对稳定指标。

相对稳定指标

式中：I为相对稳定指标；S为设计淤地面积，km²；F为坝控流域面积，km²；

2) 拦洪风险

式中：W_d为拦洪风险；I_p为淤地坝的安全系数。其中，W_d＜0的取值为0。

安全系数^[10]

式中：I_p为淤地坝安全系数；W_p为频率为p的洪水总量，万m³；A为坝地实有面积，hm²；h允许水淹深度，m；h_c含沙洪水落淤的平均厚度，m。

含沙洪水落淤的平均厚度

式中：h_c为淤地坝含沙洪水落淤的平均厚度，m；W_p为频率为p的洪水总量，万m³；P_s为洪水清浑比；S为设计淤地面积，万m²。

3) 滞洪风险：滞洪库容与剩余库容的比值。宁夏地区淤地坝普遍存在蓄水现象，剩余库容为总库容中除去已淤积库容及蓄水量的剩余库容。

4) 蓄水风险：年均蓄水量与淤积库容的比值，表征蓄水量侵占淤积库容的程度，侧面反映渗流溃坝风险。

5) 危险系数：淤地坝本身属性也影响其安全运行，其中坝高又是最直接影响因素。坝高大于30 m为骨干坝，15~30 m为中型坝，小于15 m为小型坝。笔者取中间值25 m对坝高进行标准化，计算即得危险系数。

管理风险：

1) 日常管理风险：若当地居民对淤地坝管理维护到位，则日常管理风险取值0.1，否则为1。

2) 应急风险：若有应急措施，应急风险取值为0.1，没有则取值为1。

3) 监测设施：淤地坝有监测设施且设施齐全，监测设施取值为0.1，没有则取值为1。

经济风险：

1) 下游经济风险：流域骨干坝下游均有重要居民建筑和生产工厂时取值为1。各支沟流域出口淤地坝取值为0.8，由沟口向沟头，第2座淤地坝取值为0.6，依次类推。

2) 保收风险：车路沟流域坝地主要作物为玉米和编织用芦苇，主汛期生长高度可达1.2~1.5 m，根据当地作物耐淹情况，借鉴相关研究，确定坝地保收标准为淹水深度不大于0.8 m^[11]。根据辛全才等^[12]研究，如果坝地滞洪水深小于作物生长允许淹没水深时作物保收，否则认为作物遭灾绝收。坝地保收率计算公式为

式中：P为坝地保收率；N为滞洪水深所对应洪水重现期。

本研究的保收风险定义为

式中：B_d为保收风险；P为坝地保收率。

结构风险：

结构风险层主要包括3个指标：坝体损坏系数、放水建筑物损坏系数和泄水建筑物损坏系数。根据《宁夏中型以上病险淤地坝名录》，各种破坏形式对淤地坝安全运行的影响程度不同，赋值标准见表 2，该值越大，对淤地坝安全运行造成的威胁越大，据此完成赋值。

表 2(Table 2)

表 2 结构破坏形式赋值标准 Table 2 Assignment standard of different structural failure forms 部位Position 坝体Dam body 放水建筑物Drainage structure 泄水建筑物Discharge structure 破坏形式 Damage form 裂缝 Crack 滑坡 Landslide 坍塌 Collapse 冲缺冲沟 Scour gully 管涌 Piping 渗漏 Seepage 卧管 Horizontal tube 竖井 Vertical shaft 涵洞涵管 Culvert 明渠 Open channel 损毁 Damage 淘刷 Incaving 悬空 Suspended 其他 Other 赋值Value 0.2 0.15 0.35 0.3 0.5 0.3 0.2 0.5 0.3 0.2

表 2 结构破坏形式赋值标准 Table 2 Assignment standard of different structural failure forms

在单坝评价指标体系的基础上，删除工程风险中影响程度较弱的指标，同时增加有无溢洪道、坝系布局性判别标准指标，重新建立3个层次共12个指标的坝系运行风险评价指标体系，利用改进层次分析法计算指标权重，汇总见表 3。

表 3(Table 3)

表 3 淤地坝坝系运行风险评价指标体系及权重 Table 3 Evaluation index system of dam system's operation risk and their weight 目标层(a) Target layer 准则层(b) Criterion layer 权重(q) Weight 指标层(c) Index layer 权重值(w) Weight value 淤地坝坝系运行风险 Operation risk of check dam system (a) 工程风险 Engineering risk(b1) 0.12 拦洪风险Flood control risk(c1) 0.52 滞洪风险Flood detention risk(c2) 0.48 管理风险 Management risk(b2) 0.25 日常管理风险Daily management risk(c3) 0.53 应急风险Emergency risk(c4) 0.32 监测设施Monitoring facilities(c5) 0.15 经济风险 Economic risk(b3) 0.06 下游经济风险Downstream economic risk(c6) 0.75 保收风险Harvest risk(c7) 0.25 结构风险 Structure risk(b4) 0.57 有无溢洪道(c8) 0.38 坝体损坏系数Damagecoefficient of dam body(c9) 0.23 放水建筑物损坏系数Damage coefficient of drainage structure(c10) 0.12 泄水建筑物损坏系数Damage coefficient of discharge structure(c11) 0.08 布局系数Distribution coefficient (c12) 0.19

表 3 淤地坝坝系运行风险评价指标体系及权重 Table 3 Evaluation index system of dam system's operation risk and their weight

1) 有无溢洪道：根据水利部规定，骨干坝下游有重要防护对象或库容在100万m³时必须修建溢洪道，基于《宁夏中型以上病险淤地坝名录》对各坝系(单元)的淤地坝进行定量赋值。

2) 布局系数：坝系布局涉及布坝密度、淤地坝控制比例等因素，一定程度上影响坝系安全运行，从流域坝系(单元)中的大型坝控制比例、淤地坝串联率、布坝密度、单位淤地面积投资、侵蚀模数等方面综合定量赋值，不同指标对布局合理性影响程度不同，赋值标准见表 4，据此完成赋值，各指标释义及计算方法详见^[13]。

表 4(Table 4)

表 4 布局合理性指标赋值标准 Table 4 Assignment standard of index about reasonable distribution 大型坝控制比例 Controlratio of key dam 串联率 Series rate 布坝密度 Dam density 单位投资 Unit cost 侵蚀模数 Erosion modulus 0.32 0.18 0.25 0.15 0.10

表 4 布局合理性指标赋值标准 Table 4 Assignment standard of index about reasonable distribution

结合相关研究及实际情况，制定风险等级标准见表 5。

表 5(Table 5)

表 5 风险等级划分标准 Table 5 Assignment standard of risk level 风险等级Risk grade 取值范围Value range Ⅰ级(极危险状态)ClassⅠ(Extremely dangerous state) [0.8，1] Ⅱ级(危险状态)ClassⅡ(Dangerous state) [0.6，0.8) Ⅲ级(一般危险状态)ClassⅢ(Generally dangerous state) [0.4，0.6) Ⅳ级(一般安全状态)ClassⅣ(Generally safe state) [0.2，0.4) Ⅴ级(安全状态)ClassⅤ(Safe state) [0，0.2)

表 5 风险等级划分标准 Table 5 Assignment standard of risk level

分别考虑10、20、30、50、100、200和300年一遇7个重现期，利用公式12及13计算西吉县车路沟坝系各坝不同重现期下的运行风险分值，根据表 5确定其风险等级，评价结果汇总见表 6，并利用ArcGIS得到运行风险时空分布图(图 2)。

表 6(Table 6)

表 6 西吉县车路沟坝系淤地坝单坝运行风险评价结果 Table 6 Evaluation results of single dam's operation risk of Chelugou watershed in Xiji 坝名Name 类型Type 不同重现期运行风险分值及等级Operation risk and grade under different return period/a 10 20 30 50 100 200 300 大坪Dapin 骨干坝Key dam 0.40 Ⅲ 0.45 Ⅲ 0.47 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.51 Ⅲ 0.54 Ⅲ 0.55 Ⅲ 王昭Wangzhao 骨干坝Key dam 0.45 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.51 Ⅲ 0.53 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.57 Ⅲ 车路沟Chelugou 骨干坝Key dam 0.51 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.56 Ⅲ 0.57 Ⅲ 0.60 Ⅱ 0.62 Ⅱ 0.63 Ⅱ 下堡Xiabao 骨干坝Key dam 0.41 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.47 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.56 Ⅲ 前咀Qianzu 骨干坝Key dam 0.49 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.54 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.57 Ⅲ 0.59 Ⅲ 0.60 Ⅱ 盘路湾Panluwan 骨干坝Key dam 0.44 Ⅲ 0.47 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.51 Ⅲ 0.53 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.57 Ⅲ 鹞子川Yaozichuan 骨干坝Key dam 0.38 Ⅳ 0.42 Ⅲ 0.43 Ⅲ 0.45 Ⅲ 0.47 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.51 Ⅲ 杨家川Yangjiachuan 中型坝Medium dam 0.36 Ⅳ 0.42 Ⅲ 0.44 Ⅲ 0.47 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.50 Ⅲ 东庄湾Dongzhuangwan 中型坝Medium dam 0.49 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.57 Ⅲ 0.60 Ⅱ 0.62 Ⅱ 0.62 Ⅱ 0.63 Ⅱ 后湾里Houwanli 中型坝Medium dam 0.39 Ⅳ 0.46 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.53 Ⅲ 0.53 Ⅲ 0.54 Ⅲ 军运沟Junyungou 中型坝Medium dam 0.37 Ⅳ 0.43 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.50 Ⅲ 下湾里Xiawanli 中型坝Medium dam 0.35 Ⅳ 0.42 Ⅲ 0.45 Ⅲ 0.48 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.49 Ⅲ 上北庄Shangbeizhuang 中型坝Medium dam 0.33 Ⅳ 0.41 Ⅲ 0.43 Ⅲ 0.45 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.47 Ⅲ 小水沟Xiaoshuigou 中型坝Medium dam 0.44 Ⅲ 0.51 Ⅲ 0.54 Ⅲ 0.55 Ⅲ 0.56 Ⅲ 0.56 Ⅲ 0.57 Ⅲ 高家垴Gaojianao 中型坝Medium dam 0.40 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.51 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.52 Ⅲ 石坡Shipo 中型坝Medium dam 0.38 Ⅳ 0.44 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.51 Ⅲ 0.51 Ⅲ 旧堡2号Jiubao No.2 小型坝Small dam 0.40 Ⅲ 0.45 Ⅲ 0.47 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.50 Ⅲ 大坪1号Daping No.1 小型坝Small dam 0.39 Ⅳ 0.44 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.48 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.50 Ⅲ 0.50 Ⅲ 沟口上2号Goukoushang No.2 小型坝Small dam 0.40 Ⅲ 0.45 Ⅲ 0.46 Ⅲ 0.49 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.52 Ⅲ 0.52 Ⅲ

表 6 西吉县车路沟坝系淤地坝单坝运行风险评价结果 Table 6 Evaluation results of single dam's operation risk of Chelugou watershed in Xiji

图 2(Figure 2)

图 2 西吉车路沟流域坝系淤地坝运行风险时空分布 Figure 2 Temporal and spatial distribution of check dam's operation risk of Chelugou watershed in Xiji

将整个流域坝系划分为1个主沟坝系单元和4个子坝系单元，并为考虑坝系可能遭遇最不利情景，同时助力于管理安全，分别以各淤地坝单元以及流域坝系为研究对象，评价该坝系300年一遇暴雨情景下的运行风险。西吉车路沟坝系单元间的控制与从属关系见图 3，坝系单元关系特征见表 7。

表 7(Table 7)

表 7 车路沟坝系单元特征 Table 7 Characteristics of dam unit in the CheLugou watershed 单元Unit 坝名Name 类型Type 控制面积 Control area/ km2 建成年份 Year built/a 坝高 Dam height/m 总库容 Whole storage/ 万m3 淤积库容 Sediment capacity/ 万m2 已淤库容 Silted storage/ 万m3 大坪单元 Dapin unit 大坪Dapin 骨干坝Key dam 3.10 2005 17.30 44.44 17.40 4.18 杨家川Yangjiachuan 中型坝Medium dam 2.50 2005 14.00 23.64 7.00 6.00 东庄湾Dongzhuangwan 中型坝Medium dam 2.50 2005 12.00 22.55 7.06 6.00 旧堡2号Jiubao No.2 小型坝Small dam 0.95 2005 11.00 6.14 1.35 0.60 大坪1号Dapin No.1 小型坝Small dam 0.93 2005 10.50 6.48 1.30 0.59 沟口上2号Goukoushang No.2 小型坝Small dam 0.86 2005 10.00 6.53 1.20 0.50 王昭单元 Wangzhao unit 王昭Wangzhao 骨干坝Key dam 9.40 2002 14.50 144.68 53.00 12.69 车路沟Chelugou 骨干坝Key dam 6.26 2004 19.00 99.04 37.80 11.27 后湾里Houwanli 中型坝Medium dam 1.85 2004 10.50 16.68 5.22 4.58 军运沟JUnyungou 中型坝Medium dam 2.35 2005 12.00 21.19 6.63 6.58 下湾里Xiawanli 中型坝Medium dam 1.00 2005 11.50 9.02 2.82 2.80 前咀单元 Qianzu unit 下堡Xiabao 骨干坝Key dam 4.20 2004 12.50 59.00 17.85 7.56 前咀Qianzu 骨干坝Key dam 7.40 2001 20.00 126.53 41.80 13.32 上北庄Shangbeizhuang 中型坝Medium dam 2.80 2005 10.50 25.25 7.90 7.84 上堡Shangbao 中型坝Medium dam 2.30 2005 12.50 24.61 9.30 5.52 小水沟Xiaoshuigou 中型坝Medium dam 1.75 2004 13.00 15.78 4.94 4.90 高家垴Gaojianao 中型坝Medium dam 2.20 2004 12.00 19.83 6.92 6.16 盘路湾单元 Panluwan unit 盘路湾Panluwan 骨干坝Key dam 7.10 2001 19.00 95.04 31.35 12.78 鹞子川Yaozichuan 骨干坝Key dam 6.60 2009 15.00 88.30 29.10 11.88 石坡Shipo 中型坝Medium dam 1.90 2005 15.00 18.04 5.40 4.56

表 7 车路沟坝系单元特征 Table 7 Characteristics of dam unit in the CheLugou watershed

图 3(Figure 3)

图 3 西吉车路沟流域坝系单元控制关系框架图 Figure 3 Control relationship frame of dam system unit of Chelugou watershed in Ningxia

计算各坝系单元各指标要素值，结合表 3指标权重及表 5风险等级划分标准，确定各淤地坝单元及流域坝系风险等级，评价结果汇总见表 8。

表 8(Table 8)

表 8 西吉车路沟流域淤地坝系运行风险评价结果(300年一遇) Table 8 Evaluation results of dam system's operation risk of Chelugou watershed in Xiji(Occuring in 300 years) 坝系 Dam system 坝系单元 Dam system unit 工程风险 Engineering risk 管理风险 Management risk 经济风险 Economic risk 结构风险 Structure risk 评价结果Evaluation result 运行风险 Operation risk 风险等级 Risk grade 西吉车路沟 Chelugou in Xiji 大坪单元Dapin unit 0.87 0.58 0.49 0.20 0.39 Ⅳ 王昭单元Wangzhao unit 0.84 0.58 0.65 0.40 0.51 Ⅲ 前咀单元Qianzu unit 0.85 0.58 0.51 0.39 0.50 Ⅲ 盘路湾单元Panluwan unit 0.87 0.58 0.41 0.14 0.35 Ⅳ 车路沟流域坝系Dam system of Chelugou 0.85 0.58 0.53 0.29 0.44 Ⅲ

表 8 西吉车路沟流域淤地坝系运行风险评价结果(300年一遇) Table 8 Evaluation results of dam system's operation risk of Chelugou watershed in Xiji(Occuring in 300 years)

分析单坝评价结果，由图 2可知，西吉车路沟坝系淤地坝在10年一遇情景下，部分处于Ⅲ级(一般危险状态)，部分处于Ⅳ级(一般安全状态)。随着重现期的增加，鹞子川骨干坝，杨家川、石坡、下湾里、军运沟、后湾里、上北庄中型坝以及大坪1号小型坝由10年一遇下的Ⅳ级(一般安全状态)增加为20年一遇下的Ⅲ级(一般危险状态)，但此时仍认为遭遇20年和30年的洪水，该坝系内所有淤地坝均是安全的。随着重现期的继续增加，车路沟、前咀骨干坝以及东庄湾中型坝的风险等级由10年一遇下的Ⅲ级(一般危险状态)分别在遭遇重现期为50、100和300年的洪水时增加为Ⅱ级(危险状态)，其余各坝均未发生变化；因此，这3座坝需重点关注，当出现对应洪水重现期的暴雨时，管理部门需高度重视，而各坝风险等级发生突变的对应重现期便可为洪水预警提供理论依据，具有一定的现实指导意义。整体看来，西吉车路沟坝系各坝工程风险和经济风险普遍偏高，分析可知，各坝淤积系数均较高，可能由于宁夏多数坝淤地较少，多以蓄水为主，因此坝系稳定相对较弱，导致经济风险中较高的保收风险。因此该地区淤地坝蓄水现象应该受到一定控制，或者可将蓄水坝除险加固为小型水库，保证其安全运行。

而由坝系评价结果可以看出，当遭遇300年一遇暴雨时，西吉车路沟流域运行风险值由高到低以此是：王昭单元>前咀单元>车路沟流域坝系>大坪单元>盘路湾单元，由此确定除大坪单元及盘路湾单元处于Ⅳ级(一般安全状态)以外，其他坝系单元均处于Ⅲ级(一般危险状态)。综上，该坝系在300年一遇情景下，淤地坝单元以及流域坝系均可实现安全运行。影响整个车路沟坝系的关键单元是王昭单元与前咀单元，除修建溢洪道以外，应对坝体及放水建筑物损坏的部位尽快进行维修加固，消除隐患。

1) 在收集流域坝系工程调查数据的基础上，通过反复分析、论证和筛选，建立3个层次13个指标的单坝运行风险评价指标体系以及3个层次12个指标的坝系评价指标体系，为后续小流域淤地坝安全评价系统的建立与评估工作的开展提供了技术支撑和理论依据。

2) 基于单坝风险评价体系对宁夏西吉县车路沟流域坝系单坝进行了7个重现期下的运行风险评价，由风险分布图可得到重点关注坝。

3) 利用淤地坝坝系风险评价体系实现了淤地坝单元及流域坝系的风险评价，当遭遇300年一遇暴雨时，西吉车路沟流域运行风险值由高到低依次是：王昭单元>前咀单元>西吉车路沟流域坝系>大坪单元>盘路湾单元，且均处于运行安全状态。