淤地壩對流域水沙影響模擬研究

郭 暉，鐘 凌，郭利霞，張洪江，陳向東

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；3.中國水權交易所，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、中游水土流失嚴重的多沙粗沙區(qū)，特別是粗泥沙集中來源區(qū)已得到廣泛采用。近幾十年來，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，同時還改善了當?shù)氐姆N植條件[1-2]。相關研究顯示，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)淤地壩建設在取得顯著生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益的同時也存在一些問題：一是受經(jīng)濟技術條件限制，現(xiàn)有的部分淤地壩設計標準較低、建設質(zhì)量控制不嚴、運行管理粗放、險情搶護困難，遇到特大暴雨常出現(xiàn)壩體水毀甚至決口情況，給下游人民生命財產(chǎn)造成損失[6]；二是淤地壩具有一定的設計使用年限，一般不超過30年，當淤地壩淤滿或老化失修嚴重時，其滯洪攔沙作用將喪失或明顯下降，需要在流域內(nèi)重新進行壩系規(guī)劃和建設，方可繼續(xù)發(fā)揮水土保持的功能[7]。

淤地壩建設可使流域的下墊面發(fā)生變化，對流域徑流量和輸沙量產(chǎn)生顯著影響，是對小流域進行水沙調(diào)控的重要措施之一。國內(nèi)外常用的關于流域水沙調(diào)控的模擬方法主要有基于水文學和水動力學的泥沙侵蝕經(jīng)驗公式法和分布式水沙耦合模型法。國外開發(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，國內(nèi)開發(fā)的模型主要包括借鑒USLE方程建立的經(jīng)驗統(tǒng)計模型和依據(jù)不同流域?qū)嶋H建立的土壤侵蝕理論模型[8-10]。以往對淤地壩減水減沙量計算一般采用“水保方法”或“水文方法”[7]，雖然能夠滿足實用的需要，但計算精度不高。此外，也有學者基于RUSLE模型對流域輸沙開展模擬研究[11]，還有學者采用SHE模型模擬淤地壩系對流域水沙動力過程的調(diào)控作用[4]。SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部從20世紀90年代末開始開發(fā)的一種分布式水文模型，隨著在眾多領域的成功應用以及開發(fā)者對其功能的不斷開發(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用[12-26]。淤地壩可以認為是一種小型的水庫，基于SWAT模型自帶的水庫模型對淤地壩作用進行模擬，可以較為精確地模擬淤地壩對流域徑流和輸沙的影響，提高模擬精度[26]。

本文以西柳溝流域為研究區(qū)域研究淤地壩對流域徑流和輸沙的影響，通過構建SWAT模型，選取1980-1990年和2006-2015年兩個典型時間段，設置無淤地壩、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，對流域水沙進行模擬計算，為SWAT模型對淤地壩的模擬應用提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

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，向北穿越庫布其沙漠，在包頭市區(qū)對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，海拔高程在1 044～1 547 m之間，整體地勢南高北低，干流河道長度為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，風沙區(qū)無植被覆蓋，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，風沙區(qū)主要為風沙土。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)蒙古河段水風復合侵蝕區(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1 272.50 km2，占流域總面積的93.8%，風蝕、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)，風沙區(qū)屬于中度風力侵蝕區(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%，風沙區(qū)分別為99.5%和91.9%[28]。截至2017年底，西柳溝流域累計治理水土流失面積357.69 km2，治理程度達到28.11%。表1為西柳溝流域水土流失現(xiàn)狀統(tǒng)計表。

表1 西柳溝流域水土流失現(xiàn)狀統(tǒng)計表

西柳溝流域內(nèi)現(xiàn)有1個水文站龍頭拐站和3個雨量站，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，占整個流域集水面積的85.3%，本研究區(qū)域為龍頭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)模淤地壩建設始于2000年，至2015年底，西柳溝流域累計建成各類淤地壩113座。表3為現(xiàn)狀淤地壩統(tǒng)計情況，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，總庫容5 133.41×104m3，攔泥庫容2 559.69×104m3?，F(xiàn)狀淤地壩主要集中在烏蘭斯太溝、大哈他土溝、黑塔溝和艾來五庫4條小流域?，F(xiàn)狀淤地壩中，骨干壩和中型壩按“兩大件”結(jié)構、小型壩按“一大件”結(jié)構設計建設。

表3 西柳溝現(xiàn)狀淤地壩統(tǒng)計表

(2)規(guī)劃新建攔沙壩。根據(jù)水利部黃河水利委員會批復的《鄂爾多斯攔沙換水試點工程實施方案》，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研究。表4和5為規(guī)劃新建攔沙壩統(tǒng)計和分布情況。

表4 西柳溝規(guī)劃新建攔沙壩統(tǒng)計表

2.3 基礎數(shù)據(jù)及來源

本文構建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、風速、日照時數(shù)等)、實測水文數(shù)據(jù)和研究區(qū)淤地壩條件，表6為相關數(shù)據(jù)及來源。

表6 SWAT模型基礎數(shù)據(jù)及來源

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個子流域(圖5)，每個子流域再細分為若干個水文響應單元(HRU)。采用SCS徑流曲線方法計算地表徑流，Penman-Monteith方法計算潛在蒸發(fā)，Muskingum方法計算河道匯流演算，改進的MUSLE方程計算坡面侵蝕產(chǎn)沙，模擬不同設定情景下西柳溝流域1980-1990年和2006-2015年兩個典型時間段逐月和年均徑流量和輸沙量。

2.4.2 淤地壩模塊設置 SWAT模型提供了一個基于儲層模塊的水庫模型，以評估儲層運行對流域徑流和輸沙的影響。本文以SWAT模型自帶的水庫模型為基礎，結(jié)合淤地壩特點進行修正設置了淤地壩模塊[26]。

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

SWAT模型有3種計算水庫出流方法可供選擇：第1種方法是日實測出流、月實測出流法；第2種方法是水庫無人為控制，出流以設計庫容控制，將超過設計庫容的水全部出流；第3種方法是水庫有人為控制，根據(jù)運行調(diào)度方案有目標地釋放、控制流量[35]。由于無研究區(qū)淤地壩來水和出水量資料，本文以第2種方法計算水庫出流量，分析淤地壩對產(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”，水庫放水量的計算取決于水庫的容積。如果水庫水位介于緊急溢洪道容積和主溢洪道容積之間，水庫的泄流量計算如下：

Vflowout=V-Vpr(V-Vpr

(2)

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

(3)

如果水庫的水量超過緊急溢洪道容積，水庫的泄流量計算如下：

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

(4)

(Vem-Vpr

Vflowout=(V-Vem)+qrel·86400

(5)

(Vem-Vpr>qrel·86400)

式中：V為水庫庫容，m3；Vpr為主溢洪道蓄水時的水庫庫容，m3；Vem為緊急溢洪道蓄水時的水庫庫容，m3；qrel為主溢洪道平均每天的泄洪率，m3/s。

水庫模塊的輸入?yún)?shù)為RES_ESA(水庫注滿緊急溢洪道時的水庫表面積)、RES_EVOL(將水庫注滿到緊急溢洪道所需的水量)、RES_PSA(水庫注滿時的水庫表面積)、RES_PVOL(將水庫注滿主溢洪道所需的水量)。與普通水庫不同，淤地壩主要是為了攔截泥沙而不是長期蓄水，通常沒有流量和表面積數(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)設置為正常值的70%。

2.4.3 淤地壩對流域徑流和泥沙影響的計算方法

(1)對流域徑流量影響的計算方法。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)，通過計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程。圖6為研究區(qū)淤地壩減水量計算方法。

圖6 研究區(qū)淤地壩減水量計算方法

(2)對流域輸沙量影響的計算方法?；谂c流域徑流計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)，假設現(xiàn)狀淤地壩全部為空壩且均按設計標準發(fā)揮作用，以規(guī)劃新建攔沙壩發(fā)揮效益為起始年份，當流域累積來沙量小于淤地壩/攔沙壩設計攔沙量時，淤地壩/攔沙壩發(fā)揮最大攔沙效益，即壩控范圍內(nèi)的來沙全部被攔蓄；當流域累積來沙量大于淤地壩/攔沙壩的設計攔沙量時，淤地壩/攔沙壩按設計攔沙量攔截來沙，未能攔截的來沙輸送到下游，并與未控區(qū)的產(chǎn)沙量和風沙區(qū)、平原區(qū)的產(chǎn)沙量共同構成流域的總產(chǎn)沙量。圖7為研究區(qū)淤地壩減沙量計算方法。

圖7 研究區(qū)淤地壩減沙量計算方法

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程中會產(chǎn)生淤積，因而流域出口輸沙量并不等于侵蝕量。為此，在計算過程中需要針對不同區(qū)域分別利用平均泥沙輸移比進行修正。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，通過試算得到風沙區(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)泥沙輸移比計算方法。

圖8 研究區(qū)各分區(qū)泥沙輸移比計算方法

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模型率定與驗證

本文模型率定和驗證選用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測的1980-1990年水文數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定，用相對誤差(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)果與實測值對比(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測的2006-2015年水文數(shù)據(jù)對模型進行驗證，圖10為模型驗證期月尺度和年尺度徑流量及輸沙量模擬結(jié)果與實測值對比。

圖10 模型驗證期(2006-2015年)月尺度和年尺度平均徑流量及輸沙量模擬結(jié)果與實測值對比

根據(jù)圖9、10的率定及驗證結(jié)果，可得到月尺度和年尺度的率定期和驗證期各模擬量的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)果與實測值對比

由表7可知，月尺度和年尺度的率定期和驗證期各模擬量的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)可以應用。

表7 率定期和驗證期各模擬量的RE、R2、ENS值

3.2 情景設置

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

情景1：研究區(qū)未建設任何淤地壩。

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)果與實測值對比。

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)果與實測值對比 圖12 1980-1990年、2006-2015年3種情景下年尺度徑流量模擬結(jié)果與實測值對比

在情景1下，研究區(qū)1980-1990年和2006-2015年兩個時間段內(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月份進入汛期，徑流量逐漸增大，至8月份出現(xiàn)高強度降雨形成徑流峰值；2006-2015年模擬的徑流系列比實測系列起漲劇烈，其原因為，實測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程。

在情景2下，研究區(qū)1980-1990年和2006-2015年兩個時間段內(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年時間段模擬的徑流量峰值小于實測徑流量峰值，峰值過后的非汛期出現(xiàn)部分月份模擬徑流量大于實測徑流量的現(xiàn)象，其原因是淤地壩對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)的匯流過程。

在情景3下，研究區(qū)1980-1990年和2006-2015年兩個時間段內(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；兩個時間段模擬的徑流量峰值小于實測徑流峰值，峰值過后的非汛期與前兩個情景相似，同樣出現(xiàn)部分月份模擬徑流量大于實測徑流量的現(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年時間段實測年徑流量與模擬值相差不大，相對誤差為3.06%；2006-2015年時間段徑流量模擬值與實測值相比明顯增大，該時間段實測年均徑流量為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，模擬過程中不設置淤地壩導致模擬徑流量增大。

在情景2下，1980-1990年時間段模擬年均徑流量與實測年均徑流量相差較大，該時間段實測年均徑流量為2 521.45×104m3，模擬值為2 071.33×104m3，相對誤差為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，設置淤地壩導致模擬徑流量減?。?980-1990年、2006-2015年時間段徑流量模擬值與該時間段實測值相差不大，相對誤差為0.98%。

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

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)果與實測值對比。

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)果與實測值對比 圖14 1980-1990年、2006-2015年3種情景下年尺度輸沙量模擬結(jié)果與實測值對比

在情景1下，除了1989年7月份輸沙量模擬值與實測值相差較大(實測值為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測值基本一致。這表明當西柳溝超大產(chǎn)沙降雨發(fā)生時，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測值，其原因是情景1未設置於地壩作為輸入條件，而實測產(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測值明顯減少，其原因是情景2設置了113座於地壩作為輸入條件，而該時段實際產(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測值基本一致，其原因是情景2設置的113座於地壩主要是在該時段建成的，情景2與該時段的實際情況基本一致。

在情景3下，1980-1990年和2006-2015年兩個時間段龍頭拐水文站逐月輸沙量模擬值較實測值明顯減少，其原因是情景3設置了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年時間段模擬值較實測值的減少比例大于2006-2015年時間段，其原因是1980-1990年時間段西柳溝幾乎沒有修建於地壩，2006-2015年時間段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年兩個時間段年均輸沙量模擬值變化趨勢與實測值變化趨勢基本一致。1980-1990年時間段年均輸沙量模擬值與實測值相差8.45%，差異不大，而2006-2015年時間段年均輸沙量模擬值與實測值相差89.26%，差異巨大，究其原因在于，2006-2015年時間段年均輸沙量模擬沒有考慮淤地壩減沙作用的影響，因而模擬值較實測值偏大。

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

在情景3下，1980-1990年和2006-2015年兩個時間段年均輸沙量模擬值變化趨勢與實測值變化趨勢基本一致，但兩個時間段年均輸沙量模擬值與實測值均相差較大，分別為87.85%和73.78%，其原因是兩個時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，因而模擬值較實測值偏小。

3.4 討 論

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

無論是率定期還是驗證期，SWAT模型模擬的徑流過程線趨勢與實測徑流過程線基本一致，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，這與國內(nèi)研究人員對西柳溝的相關研究結(jié)論是一致的。為提高模擬精度，模型仍有待進一步改進。

在本研究中，除1980-1990年對應的情景1、2006-2015年對應的情景2是基于真實工況設定以外，其他工況是基于假設條件設定的。在兩個典型時間段的3種情景下，僅改變淤地壩數(shù)量，其他參數(shù)不變，淤地壩設置越多，減水減沙特別是減沙的效果越明顯，說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模型中的水庫模型對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)構與功能，借助其自帶的基于儲層模塊的水庫模型，通過適當?shù)男拚蛥?shù)設置，開展了淤地壩影響下的流域徑流量和輸沙量的模擬，通過輸入數(shù)據(jù)準備、參數(shù)率定及驗證，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，設定了3種情景進行模擬，并對模擬結(jié)果進行了研究分析，結(jié)果表明：

(1)在其他參數(shù)不變的情況下，淤地壩對流域徑流量有一定的影響。1980-1990年時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測值相比減少了450.13×104m3，減少比例為17.85%；在情景3中，模擬年均徑流量與實測值相比減少了792.49×104m3，減少比例為31.43%。2006-2015年時間段，在情景3中，模擬年均徑流量與實測值相比減少了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，有無淤地壩及淤地壩的數(shù)量多少對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年時間段，在情景2中，模擬年均輸沙量與實測值相比減少了367.97×104t，減少比例為59.51%；在情景3中，模擬年均輸沙量與實測值相比減少了543.23×104t，減少比例為87.85%。2006-2015年時間段，情景3中模擬年均輸沙量與實測值相比減少了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程，在情景2和情景3中，淤地壩的設置使得汛期后的月份中出現(xiàn)模擬徑流量大于實測徑流量的現(xiàn)象。