郭 暉，鐘 凌，郭利霞，張洪江，陳向東

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.中國(guó)水權(quán)交易所，北京 100053)

1 研究背景

淤地壩是在小流域溝道中修建的以滯洪、攔蓄泥沙和淤地造田為目的的水土保持工程設(shè)施，可使溝底比降變緩、洪水挾沙能力降低，在黃河上、中游水土流失嚴(yán)重的多沙粗沙區(qū)，特別是粗泥沙集中來(lái)源區(qū)已得到廣泛采用。近幾十年來(lái)，淤地壩在黃河上、中游水土流失治理中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)滯洪攔沙，淤地壩可有效調(diào)節(jié)汛期高含沙洪水，從而減少入黃泥沙，同時(shí)還改善了當(dāng)?shù)氐姆N植條件[1-2]。相關(guān)研究顯示，1970-2006年，黃河中游河龍區(qū)間(河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間)通過(guò)修建淤地壩年均減洪、減沙量分別為2.217×108m3和0.958×108t，占同期水土保持措施年均總減洪、減沙量的35.09%和48.76%，年均可減少黃河下游淤積泥沙0.24×108t[3-4]。淤地壩每淤成1 hm2壩地，根據(jù)水土流失嚴(yán)重程度，可攔泥沙1.668×104～7.284×104t[5]。黃河流域水土流失區(qū)淤地壩建設(shè)在取得顯著生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也存在一些問(wèn)題：一是受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，現(xiàn)有的部分淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、建設(shè)質(zhì)量控制不嚴(yán)、運(yùn)行管理粗放、險(xiǎn)情搶護(hù)困難，遇到特大暴雨常出現(xiàn)壩體水毀甚至決口情況，給下游人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失[6]；二是淤地壩具有一定的設(shè)計(jì)使用年限，一般不超過(guò)30年，當(dāng)淤地壩淤滿或老化失修嚴(yán)重時(shí)，其滯洪攔沙作用將喪失或明顯下降，需要在流域內(nèi)重新進(jìn)行壩系規(guī)劃和建設(shè)，方可繼續(xù)發(fā)揮水土保持的功能[7]。

淤地壩建設(shè)可使流域的下墊面發(fā)生變化，對(duì)流域徑流量和輸沙量產(chǎn)生顯著影響，是對(duì)小流域進(jìn)行水沙調(diào)控的重要措施之一。國(guó)內(nèi)外常用的關(guān)于流域水沙調(diào)控的模擬方法主要有基于水文學(xué)和水動(dòng)力學(xué)的泥沙侵蝕經(jīng)驗(yàn)公式法和分布式水沙耦合模型法。國(guó)外開發(fā)可用于流域水沙模擬的分布式模型包括SWAT、AGNPS、ANSWERS、CREAMS、SHE、WEPP、GUEST、LISEM、EUROSEM、KINEROS等，國(guó)內(nèi)開發(fā)的模型主要包括借鑒USLE方程建立的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和依據(jù)不同流域?qū)嶋H建立的土壤侵蝕理論模型[8-10]。以往對(duì)淤地壩減水減沙量計(jì)算一般采用“水保方法”或“水文方法”[7]，雖然能夠滿足實(shí)用的需要，但計(jì)算精度不高。此外，也有學(xué)者基于RUSLE模型對(duì)流域輸沙開展模擬研究[11]，還有學(xué)者采用SHE模型模擬淤地壩系對(duì)流域水沙動(dòng)力過(guò)程的調(diào)控作用[4]。SWAT模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部從20世紀(jì)90年代末開始開發(fā)的一種分布式水文模型，隨著在眾多領(lǐng)域的成功應(yīng)用以及開發(fā)者對(duì)其功能的不斷開發(fā)與完善，SWAT模型現(xiàn)已發(fā)展成為一種重要的分布式流域水沙耦合模型，在流域水沙分析中得到廣泛應(yīng)用[12-26]。淤地壩可以認(rèn)為是一種小型的水庫(kù)，基于SWAT模型自帶的水庫(kù)模型對(duì)淤地壩作用進(jìn)行模擬，可以較為精確地模擬淤地壩對(duì)流域徑流和輸沙的影響，提高模擬精度[26]。

本文以西柳溝流域?yàn)檠芯繀^(qū)域研究淤地壩對(duì)流域徑流和輸沙的影響，通過(guò)構(gòu)建SWAT模型，選取1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)典型時(shí)間段，設(shè)置無(wú)淤地壩、現(xiàn)狀淤地壩、現(xiàn)狀淤地壩+規(guī)劃新建攔沙壩等3種情景，對(duì)流域水沙進(jìn)行模擬計(jì)算，為SWAT模型對(duì)淤地壩的模擬應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

西柳溝位于黃河上游下段內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，發(fā)源于鄂爾多斯高原，向北穿越庫(kù)布其沙漠，在包頭市區(qū)對(duì)岸的昭君墳附近匯入黃河干流，是內(nèi)蒙古境內(nèi)直接注入黃河的十大孔兌之一。流域地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°24′～110°00′、北緯39°47′～40°30′，面積為1 356.3 km2，形狀南北狹長(zhǎng)，海拔高程在1 044～1 547 m之間，整體地勢(shì)南高北低，干流河道長(zhǎng)度為106.5 km，平均比降為0.36%，水系分布呈羽毛狀。從上游到下游依次為丘陵溝壑區(qū)(面積876.3 km2)、風(fēng)沙區(qū)(面積269.0 km2)和沖積平原區(qū)(面積211.0 km2)，各區(qū)域面積分別占流域總面積的64.6%、19.8%和15.6%。流域內(nèi)有8條一級(jí)支溝，溝谷為寬淺式，溝道寬350～430 m，溝底比降0.5%～1.6%，面積大于1 km2的支毛溝有308條，溝道平均比降為1.0%～3.6%，溝壑密度為3～4 km/km2。流域內(nèi)植被主要為草地和灌木，丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋程度很低，風(fēng)沙區(qū)無(wú)植被覆蓋，流域植被覆蓋度為20%～40%[27]。丘陵溝壑區(qū)土壤類型主要為栗鈣土和粗骨性栗鈣土，土層厚度10～30 cm，風(fēng)沙區(qū)主要為風(fēng)沙土。流域內(nèi)土地利用方式主要為林地、草地、未利用土地及少量耕地[28-29]。流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，全年干旱少雨，年降水量為240～360 mm，潛在蒸發(fā)量為2 200 mm左右，降水主要以暴雨形式集中于汛期7-9月。流域地處黃河內(nèi)蒙古河段水風(fēng)復(fù)合侵蝕區(qū)，水土保持分區(qū)屬于黃土丘陵區(qū)第一副區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤侵蝕程度高，水土流失面積達(dá)1 272.50 km2，占流域總面積的93.8%，風(fēng)蝕、水蝕交替發(fā)生，并伴有重力侵蝕[30-33]。丘陵溝壑區(qū)是以水力侵蝕和重力侵蝕為主的重度土壤侵蝕區(qū)，年均侵蝕模數(shù)為8 500 t/(km2·a)，風(fēng)沙區(qū)屬于中度風(fēng)力侵蝕區(qū)，年均侵蝕模數(shù)為2 500 t/(km2·a)，沖積平原區(qū)土壤侵蝕輕微[34]。在泥沙組成上，丘陵溝壑區(qū)粒徑d>0.05 mm和d>0.1 mm的粗沙比例分別為46.5%和36.1%，風(fēng)沙區(qū)分別為99.5%和91.9%[28]。截至2017年底，西柳溝流域累計(jì)治理水土流失面積357.69 km2，治理程度達(dá)到28.11%。表1為西柳溝流域水土流失現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表。

表1 西柳溝流域水土流失現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

西柳溝流域內(nèi)現(xiàn)有1個(gè)水文站龍頭拐站和3個(gè)雨量站，表2為水文站和雨量站一覽表。龍頭拐水文站位于西柳溝干流中游接近下游處，該站以上流域集水面積為1 157 km2，占整個(gè)流域集水面積的85.3%，本研究區(qū)域?yàn)辇堫^拐水文站以上的流域范圍。圖1為研究區(qū)位置及水系、水文站、雨量站分布。

表2 西柳溝水文站和雨量站一覽表

圖1 研究區(qū)位置及水系、水文站、雨量站分布

2.2 研究區(qū)淤地壩數(shù)據(jù)

(1)現(xiàn)狀淤地壩。西柳溝大規(guī)模淤地壩建設(shè)始于2000年，至2015年底，西柳溝流域累計(jì)建成各類淤地壩113座。表3為現(xiàn)狀淤地壩統(tǒng)計(jì)情況，其中骨干壩41座，中型壩32座，小型壩40座，總控制面積267.17 km2，總庫(kù)容5 133.41×104m3，攔泥庫(kù)容2 559.69×104m3。現(xiàn)狀淤地壩主要集中在烏蘭斯太溝、大哈他土溝、黑塔溝和艾來(lái)五庫(kù)4條小流域。現(xiàn)狀淤地壩中，骨干壩和中型壩按“兩大件”結(jié)構(gòu)、小型壩按“一大件”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建設(shè)。

表3 西柳溝現(xiàn)狀淤地壩統(tǒng)計(jì)表

(2)規(guī)劃新建攔沙壩。根據(jù)水利部黃河水利委員會(huì)批復(fù)的《鄂爾多斯攔沙換水試點(diǎn)工程實(shí)施方案》，規(guī)劃在西柳溝流域新建79座攔沙壩，攔沙量2 950.86×104m3，攔沙壩工程由壩體、放水工程、溢洪道“三大件”組成。攔沙壩與淤地壩技術(shù)要求相一致，其主要功能為攔沙，以減少入黃泥沙量，兼具攔泥造田作用。本文將攔沙壩視同于淤地壩開展相關(guān)研究。表4和5為規(guī)劃新建攔沙壩統(tǒng)計(jì)和分布情況。

表4 西柳溝規(guī)劃新建攔沙壩統(tǒng)計(jì)表

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來(lái)源

本文構(gòu)建SWAT模型所需數(shù)據(jù)包括研究區(qū)的DEM數(shù)字高程圖、土壤類型數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)(溫度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等)、實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)和研究區(qū)淤地壩條件，表6為相關(guān)數(shù)據(jù)及來(lái)源。

表6 SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來(lái)源

圖2、3和4分別為研究區(qū)地形地貌、土壤類型和土地利用分布。圖5為研究區(qū)子流域劃分。

表5 西柳溝規(guī)劃新建攔沙壩分布情況

圖2 研究區(qū)地形地貌 圖3 研究區(qū)土壤類型分布 圖4 研究區(qū)土地利用分布 圖5 研究區(qū)子流域劃分

2.4 研究方法

2.4.1 SWAT模型 本文使用ArcSWAT2009，基于DEM將研究區(qū)劃分為30個(gè)子流域(圖5)，每個(gè)子流域再細(xì)分為若干個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU)。采用SCS徑流曲線方法計(jì)算地表徑流，Penman-Monteith方法計(jì)算潛在蒸發(fā)，Muskingum方法計(jì)算河道匯流演算，改進(jìn)的MUSLE方程計(jì)算坡面侵蝕產(chǎn)沙，模擬不同設(shè)定情景下西柳溝流域1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)典型時(shí)間段逐月和年均徑流量和輸沙量。

2.4.2 淤地壩模塊設(shè)置 SWAT模型提供了一個(gè)基于儲(chǔ)層模塊的水庫(kù)模型，以評(píng)估儲(chǔ)層運(yùn)行對(duì)流域徑流和輸沙的影響。本文以SWAT模型自帶的水庫(kù)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合淤地壩特點(diǎn)進(jìn)行修正設(shè)置了淤地壩模塊[26]。

水庫(kù)模型的水量平衡方程為：

V=Vstored+Vflowin-Vflowout+Vpcp-Vevap-Vseep

(1)

式中：V為一天結(jié)束時(shí)水庫(kù)的蓄水量，m3；Vstored為一天開始時(shí)水庫(kù)的蓄水量，m3；Vflowin和Vflowout分別為每日流入水量和流出水量，m3；Vpcp為降落在水庫(kù)水面上的日降水量，m3；Vevap為水庫(kù)中水面每日的蒸發(fā)量，m3；Vseep為水庫(kù)每日的滲水量，m3。

SWAT模型有3種計(jì)算水庫(kù)出流方法可供選擇：第1種方法是日實(shí)測(cè)出流、月實(shí)測(cè)出流法；第2種方法是水庫(kù)無(wú)人為控制，出流以設(shè)計(jì)庫(kù)容控制，將超過(guò)設(shè)計(jì)庫(kù)容的水全部出流；第3種方法是水庫(kù)有人為控制，根據(jù)運(yùn)行調(diào)度方案有目標(biāo)地釋放、控制流量[35]。由于無(wú)研究區(qū)淤地壩來(lái)水和出水量資料，本文以第2種方法計(jì)算水庫(kù)出流量，分析淤地壩對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。在這種情況下，所有的淤地壩都被視為“不受控制的水庫(kù)”，水庫(kù)放水量的計(jì)算取決于水庫(kù)的容積。如果水庫(kù)水位介于緊急溢洪道容積和主溢洪道容積之間，水庫(kù)的泄流量計(jì)算如下：

Vflowout=V-Vpr(V-Vpr

(2)

Vflowout=qrel·86400 (V-Vpr>qrel·86400)

(3)

如果水庫(kù)的水量超過(guò)緊急溢洪道容積，水庫(kù)的泄流量計(jì)算如下：

Vflowout=(V-Vem)+(Vem-Vpr)

(4)

(Vem-Vpr

Vflowout=(V-Vem)+qrel·86400

(5)

(Vem-Vpr>qrel·86400)

式中：V為水庫(kù)庫(kù)容，m3；Vpr為主溢洪道蓄水時(shí)的水庫(kù)庫(kù)容，m3；Vem為緊急溢洪道蓄水時(shí)的水庫(kù)庫(kù)容，m3；qrel為主溢洪道平均每天的泄洪率，m3/s。

水庫(kù)模塊的輸入?yún)?shù)為RES_ESA(水庫(kù)注滿緊急溢洪道時(shí)的水庫(kù)表面積)、RES_EVOL(將水庫(kù)注滿到緊急溢洪道所需的水量)、RES_PSA(水庫(kù)注滿時(shí)的水庫(kù)表面積)、RES_PVOL(將水庫(kù)注滿主溢洪道所需的水量)。與普通水庫(kù)不同，淤地壩主要是為了攔截泥沙而不是長(zhǎng)期蓄水，通常沒(méi)有流量和表面積數(shù)據(jù)。TIAN等[36]建立的淤地壩水面面積與蓄水量的關(guān)系，與傳統(tǒng)的野外調(diào)查方法相比，取得了較好的精度，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

V=39.306×A0.712

(6)

式中：V為淤地壩蓄水量，104m3；A為淤地壩水面面積，hm2。

根據(jù)公式(6)可以由淤地壩總蓄水量和估算水面面積確定RES_EVOL和RES_ESA的參數(shù)?？紤]到淤地壩的作用，RES_PVOL和RES_PSA的參數(shù)設(shè)置為正常值的70%。

2.4.3 淤地壩對(duì)流域徑流和泥沙影響的計(jì)算方法

(1)對(duì)流域徑流量影響的計(jì)算方法。研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的113座現(xiàn)狀淤地壩和規(guī)劃新建的79座攔沙壩全部位于丘陵區(qū)，為計(jì)算攔沙壩的減水作用，本文將丘陵區(qū)分為新建攔沙壩區(qū)、現(xiàn)狀淤地壩控制區(qū)和未控區(qū)，通過(guò)計(jì)算不同類型攔沙壩調(diào)蓄后的徑流量，與現(xiàn)狀淤地壩控制區(qū)和未控區(qū)的產(chǎn)流量疊加后，作為丘陵區(qū)的產(chǎn)流量。最后，將風(fēng)沙區(qū)、平原區(qū)產(chǎn)流與丘陵區(qū)產(chǎn)流共同組成流域出口徑流過(guò)程。圖6為研究區(qū)淤地壩減水量計(jì)算方法。

圖6 研究區(qū)淤地壩減水量計(jì)算方法

(2)對(duì)流域輸沙量影響的計(jì)算方法。基于與流域徑流計(jì)算相同的淤地壩條件，本文將丘陵區(qū)也分為新建攔沙壩區(qū)、現(xiàn)狀淤地壩控制區(qū)和未控區(qū)，假設(shè)現(xiàn)狀淤地壩全部為空壩且均按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮作用，以規(guī)劃新建攔沙壩發(fā)揮效益為起始年份，當(dāng)流域累積來(lái)沙量小于淤地壩/攔沙壩設(shè)計(jì)攔沙量時(shí)，淤地壩/攔沙壩發(fā)揮最大攔沙效益，即壩控范圍內(nèi)的來(lái)沙全部被攔蓄；當(dāng)流域累積來(lái)沙量大于淤地壩/攔沙壩的設(shè)計(jì)攔沙量時(shí)，淤地壩/攔沙壩按設(shè)計(jì)攔沙量攔截來(lái)沙，未能攔截的來(lái)沙輸送到下游，并與未控區(qū)的產(chǎn)沙量和風(fēng)沙區(qū)、平原區(qū)的產(chǎn)沙量共同構(gòu)成流域的總產(chǎn)沙量。圖7為研究區(qū)淤地壩減沙量計(jì)算方法。

圖7 研究區(qū)淤地壩減沙量計(jì)算方法

由于淤地壩/攔沙壩位于丘陵區(qū)，流域侵蝕產(chǎn)生的泥沙全部被攔蓄，未能攔蓄的泥沙在向流域出口輸移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生淤積，因而流域出口輸沙量并不等于侵蝕量。為此，在計(jì)算過(guò)程中需要針對(duì)不同區(qū)域分別利用平均泥沙輸移比進(jìn)行修正。以往的研究顯示，黃土丘陵溝壑區(qū)平均泥沙輸移比接近于1[37]。本文取丘陵區(qū)平均泥沙輸移比為0.96，風(fēng)沙區(qū)和平原區(qū)則根據(jù)流域分區(qū)平均侵蝕模數(shù)和水土流失面積，計(jì)算各分區(qū)平均侵蝕產(chǎn)沙量，再依據(jù)分區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量和流域平均輸沙量，通過(guò)試算得到風(fēng)沙區(qū)和平原區(qū)的平均泥沙輸移比分別為0.175 和0.1。圖8為研究區(qū)各分區(qū)泥沙輸移比計(jì)算方法。

圖8 研究區(qū)各分區(qū)泥沙輸移比計(jì)算方法

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模型率定與驗(yàn)證

本文模型率定和驗(yàn)證選用SWAT官網(wǎng)上提供的SWAT-CUP模塊，算法選用其中的PSO粒子群優(yōu)化算法[38]。

利用龍頭拐水文站實(shí)測(cè)的1980-1990年水文數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，用相對(duì)誤差(RE)、線性擬合系數(shù)(R2)、納什效率系數(shù)(ENS)控制參數(shù)率定精度，參數(shù)率定包含徑流、泥沙水文要素等參數(shù)的率定。圖9為模型率定期月尺度和年尺度徑流量及輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比(圖中以平均流量表示徑流量大小，下同)。

在參數(shù)率定中，植被蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù) EPCO.hru(0～1)、SCS 徑流曲線數(shù) CN2.mgt(35～98)以及地下水蒸發(fā)系數(shù)GW_REVAP.gw(0.02～0.2)均為比較敏感的參數(shù)。

利用龍頭拐水文站實(shí)測(cè)的2006-2015年水文數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，圖10為模型驗(yàn)證期月尺度和年尺度徑流量及輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比。

圖10 模型驗(yàn)證期(2006-2015年)月尺度和年尺度平均徑流量及輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)圖9、10的率定及驗(yàn)證結(jié)果，可得到月尺度和年尺度的率定期和驗(yàn)證期各模擬量的RE、R2、ENS值，如表7所示。

圖9 模型率定期(1980-1990年)月尺度和年尺度平均徑流量及輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由表7可知，月尺度和年尺度的率定期和驗(yàn)證期各模擬量的RE均在±15%之內(nèi)，R2≥0.6,ENS≥0.6，滿足模型使用要求，表明模型在研究區(qū)可以應(yīng)用。

表7 率定期和驗(yàn)證期各模擬量的RE、R2、ENS值

3.2 情景設(shè)置

本文以研究區(qū)淤地壩/攔沙壩作為輸入條件，通過(guò)改變研究區(qū)內(nèi)淤地壩/攔沙壩數(shù)量設(shè)置不同的情景，利用SWAT模型模擬不同情景下，1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)典型時(shí)間段龍頭拐水文站處的月尺度和年尺度徑流量和輸沙量。設(shè)定的3種情景如下：

情景1：研究區(qū)未建設(shè)任何淤地壩。

情景2：研究區(qū)有表3所示的113座現(xiàn)狀淤地壩。

情景3：研究區(qū)有表3所示的113座現(xiàn)狀淤地壩和表4所示的79座規(guī)劃新建攔沙壩。

3.3 結(jié)果分析

圖11和12分別為1980-1990年、2006-2015年3種情景下月尺度和年尺度徑流量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比。

由圖11可以看出：

圖11 1980-1990年、2006-2015年3種情景下月尺度徑流量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比 圖12 1980-1990年、2006-2015年3種情景下年尺度徑流量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

在情景1下，研究區(qū)1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)均存在徑流量年內(nèi)出現(xiàn)雙峰的現(xiàn)象，其原因是該地區(qū)冬季氣溫極低，直至3月份冰雪融化形成融雪徑流峰值，6月份進(jìn)入汛期，徑流量逐漸增大，至8月份出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨形成徑流峰值；2006-2015年模擬的徑流系列比實(shí)測(cè)系列起漲劇烈，其原因?yàn)?，?shí)測(cè)徑流系列是受到已建淤地壩調(diào)蓄削峰滯洪作用影響后的徑流過(guò)程。

在情景2下，研究區(qū)1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)均存在徑流量年內(nèi)出現(xiàn)雙峰的現(xiàn)象，其原因同情景1；1980-1990年時(shí)間段模擬的徑流量峰值小于實(shí)測(cè)徑流量峰值，峰值過(guò)后的非汛期出現(xiàn)部分月份模擬徑流量大于實(shí)測(cè)徑流量的現(xiàn)象，其原因是淤地壩對(duì)降雨形成的徑流有減水、調(diào)蓄及削減洪峰的作用，模型輸入條件增加淤地壩在一定程度上改變了研究區(qū)的匯流過(guò)程。

在情景3下，研究區(qū)1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)均存在徑流量年內(nèi)出現(xiàn)雙峰的現(xiàn)象，原因同情景1；兩個(gè)時(shí)間段模擬的徑流量峰值小于實(shí)測(cè)徑流峰值，峰值過(guò)后的非汛期與前兩個(gè)情景相似，同樣出現(xiàn)部分月份模擬徑流量大于實(shí)測(cè)徑流量的現(xiàn)象，其原因與情景2的分析相同。

由圖12可以看出：

在情景1下，1980-1990年時(shí)間段實(shí)測(cè)年徑流量與模擬值相差不大，相對(duì)誤差為3.06%；2006-2015年時(shí)間段徑流量模擬值與實(shí)測(cè)值相比明顯增大，該時(shí)間段實(shí)測(cè)年均徑流量為1 387.60×104m3，模擬值為1 716.73×104m3，兩者相差23.72%，其原因是研究區(qū)淤地壩絕大部分是在2000年以后建成的，模擬過(guò)程中不設(shè)置淤地壩導(dǎo)致模擬徑流量增大。

在情景2下，1980-1990年時(shí)間段模擬年均徑流量與實(shí)測(cè)年均徑流量相差較大，該時(shí)間段實(shí)測(cè)年均徑流量為2 521.45×104m3，模擬值為2 071.33×104m3，相對(duì)誤差為17.85%，其原因是研究區(qū)淤地壩絕大部分是2000年以后建成的，設(shè)置淤地壩導(dǎo)致模擬徑流量減??；1980-1990年、2006-2015年時(shí)間段徑流量模擬值與該時(shí)間段實(shí)測(cè)值相差不大，相對(duì)誤差為0.98%。

在情景3下，1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段模擬年均徑流量與實(shí)測(cè)年均徑流量均相差較大，1980-1990年時(shí)間段實(shí)測(cè)年均徑流量為2 521.45×104m3，模擬值為1 728.96×104m3，相對(duì)誤差為31.43%；2006-2015年時(shí)間段實(shí)測(cè)年均徑流量為1 387.60×104m3，模擬值為959.35×104m3，相對(duì)誤差為30.86%，其原因是該情景下在研究區(qū)設(shè)置了比實(shí)際情況多的淤地壩/攔沙壩作為輸入條件，由于淤地壩的減水作用，導(dǎo)致模擬的兩個(gè)時(shí)間段年徑流量減小。

圖13和14分別為1980-1990年、2006-2015年3種情景下月尺度和年尺度輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比。

由圖13可以看出：

圖13 1980-1990年、2006-2015年3種情景下月尺度輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比 圖14 1980-1990年、2006-2015年3種情景下年尺度輸沙量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

在情景1下，除了1989年7月份輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值相差較大(實(shí)測(cè)值為4 740.76×104t，模擬值為3 910.26×104t)，1980-1990年龍頭拐水文站月輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致。這表明當(dāng)西柳溝超大產(chǎn)沙降雨發(fā)生時(shí)，模型模擬的輸沙量值是偏低的。1980-1990年、2006-2015年龍頭拐水文站月輸沙量模擬值大于實(shí)測(cè)值，其原因是情景1未設(shè)置於地壩作為輸入條件，而實(shí)測(cè)產(chǎn)沙量受到已建成淤地壩攔沙的影響。

在情景2下，1980-1990年月輸沙量模擬值比實(shí)測(cè)值明顯減少，其原因是情景2設(shè)置了113座於地壩作為輸入條件，而該時(shí)段實(shí)際產(chǎn)沙量幾乎未受到於地壩的影響；1980-1990年、2006-2015年龍頭拐水文站月輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，其原因是情景2設(shè)置的113座於地壩主要是在該時(shí)段建成的，情景2與該時(shí)段的實(shí)際情況基本一致。

在情景3下，1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段龍頭拐水文站逐月輸沙量模擬值較實(shí)測(cè)值明顯減少，其原因是情景3設(shè)置了113座現(xiàn)狀淤地壩+79座規(guī)劃新建攔沙壩作為輸入條件；1980-1990年時(shí)間段模擬值較實(shí)測(cè)值的減少比例大于2006-2015年時(shí)間段，其原因是1980-1990年時(shí)間段西柳溝幾乎沒(méi)有修建於地壩，2006-2015年時(shí)間段113座現(xiàn)狀壩逐步建成。

由圖14可以看出：

在情景1下，1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段年均輸沙量模擬值變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致。1980-1990年時(shí)間段年均輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值相差8.45%，差異不大，而2006-2015年時(shí)間段年均輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值相差89.26%，差異巨大，究其原因在于，2006-2015年時(shí)間段年均輸沙量模擬沒(méi)有考慮淤地壩減沙作用的影響，因而模擬值較實(shí)測(cè)值偏大。

在情景2下，1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段年均輸沙量模擬值變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致。1980-1990年時(shí)間段年均輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值相差59.51%，差異較大，而2006-2015年時(shí)間段年均輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值相差12.61%，差異不大，究其原因是1980-1990年時(shí)間段年均輸沙量的模擬受到淤地壩減沙作用的影響，因而模擬值較實(shí)測(cè)值偏小。

在情景3下，1980-1990年和2006-2015年兩個(gè)時(shí)間段年均輸沙量模擬值變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，但兩個(gè)時(shí)間段年均輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值均相差較大，分別為87.85%和73.78%，其原因是兩個(gè)時(shí)間段年均輸沙量模擬受到淤地壩/攔沙壩減沙作用的影響較大，因而模擬值較實(shí)測(cè)值偏小。

3.4 討 論

本文采用SWAT模型對(duì)西柳溝流域開展產(chǎn)水、產(chǎn)沙模擬，效果較好，但當(dāng)流域?qū)崪y(cè)產(chǎn)沙量很大時(shí)，模型模擬結(jié)果明顯偏小，1989年7月份實(shí)測(cè)值為4 740.76×104t，模擬值為3 910.26×104t，相差17.52%。

無(wú)論是率定期還是驗(yàn)證期，SWAT模型模擬的徑流過(guò)程線趨勢(shì)與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程線基本一致，RE均在±15%之內(nèi)，R2≥0.6,ENS≥0.6，可見SWAT 模型在研究區(qū)域具有一定的適用性，這與國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)西柳溝的相關(guān)研究結(jié)論是一致的。為提高模擬精度，模型仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

在本研究中，除1980-1990年對(duì)應(yīng)的情景1、2006-2015年對(duì)應(yīng)的情景2是基于真實(shí)工況設(shè)定以外，其他工況是基于假設(shè)條件設(shè)定的。在兩個(gè)典型時(shí)間段的3種情景下，僅改變淤地壩數(shù)量，其他參數(shù)不變，淤地壩設(shè)置越多，減水減沙特別是減沙的效果越明顯，說(shuō)明淤地壩在流域水沙調(diào)控中能夠發(fā)揮重要作用。

Li等[26]2016年利用SWAT模型中的水庫(kù)模型對(duì)位于黃河中游典型多沙粗沙區(qū)的皇甫川流域開展了淤地壩減水減沙作用模擬研究。此項(xiàng)研究結(jié)果顯示，其建立的模型精度較高，R2>0.9、RNS>0.8。經(jīng)過(guò)比較分析，有越多數(shù)據(jù)作支撐則模型參數(shù)率定越精確、模型精度越高。兩項(xiàng)研究中，皇甫川流域內(nèi)現(xiàn)有1座水文站、1座氣象站和10座雨量站，水文氣象數(shù)據(jù)較為豐富，而西柳溝屬于水文氣象數(shù)據(jù)較為匱乏的流域，僅有3座雨量站、1座水文站，附近有1座氣象站。

4 結(jié) 論

本文主要根據(jù)SWAT模型的結(jié)構(gòu)與功能，借助其自帶的基于儲(chǔ)層模塊的水庫(kù)模型，通過(guò)適當(dāng)?shù)男拚蛥?shù)設(shè)置，開展了淤地壩影響下的流域徑流量和輸沙量的模擬，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、參數(shù)率定及驗(yàn)證，建立了研究區(qū)適用的SWAT模型。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀淤地壩和規(guī)劃新建攔沙壩的情況，設(shè)定了3種情景進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：

(1)在其他參數(shù)不變的情況下，淤地壩對(duì)流域徑流量有一定的影響。1980-1990年時(shí)間段西柳溝未修建淤地壩，在情景2中，模擬年均徑流量與實(shí)測(cè)值相比減少了450.13×104m3，減少比例為17.85%；在情景3中，模擬年均徑流量與實(shí)測(cè)值相比減少了792.49×104m3，減少比例為31.43%。2006-2015年時(shí)間段，在情景3中，模擬年均徑流量與實(shí)測(cè)值相比減少了428.25×104m3；在情景3中，模擬年均徑流量與情景2的模擬值相比減少了342.36×104m3。

(2)在其他參數(shù)不變的情況下，有無(wú)淤地壩及淤地壩的數(shù)量多少對(duì)流域輸沙量的模擬結(jié)果影響很大，淤地壩減沙效果明顯。1980-1990年時(shí)間段，在情景2中，模擬年均輸沙量與實(shí)測(cè)值相比減少了367.97×104t，減少比例為59.51%；在情景3中，模擬年均輸沙量與實(shí)測(cè)值相比減少了543.23×104t，減少比例為87.85%。2006-2015年時(shí)間段，情景3中模擬年均輸沙量與實(shí)測(cè)值相比減少了38.31×104t，情景3模擬的年均輸沙量與情景2的模擬值相比減少了31.76×104t。

(3)淤地壩在一定程度上能影響流域的匯流過(guò)程，在情景2和情景3中，淤地壩的設(shè)置使得汛期后的月份中出現(xiàn)模擬徑流量大于實(shí)測(cè)徑流量的現(xiàn)象。