西柳溝流域攔沙壩溝道沖刷減蝕能力模擬

封揚(yáng)帆， 李 鵬， 張 祎， 周世璇， 董亞維， 李晶晶

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2.旱區(qū)生態(tài)水文與侵蝕災(zāi)害防治國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；3.黃河水利委員會黃河上中游管理局，西安 710021)

黃土高原地區(qū)地形破碎，土壤抗蝕能力弱，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，人民生命財產(chǎn)安全面臨隱患，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到極大制約。為治理嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，我國在坡面實(shí)施了退耕還林(草)等生態(tài)措施，在溝道實(shí)施淤地壩、攔沙壩建設(shè)等工程措施。截至2019年底，共建設(shè)淤地壩58 776座，淤地面積達(dá)到927.57 km。

作為最主要的溝道治理工程措施，淤地壩建設(shè)有效減少入黃泥沙，經(jīng)推算，黃河潼關(guān)以上地區(qū)現(xiàn)存淤地壩2007—2014年攔沙量為12 526萬t/a，占同時期潼關(guān)站年均來沙量的66.6%。淤地壩不僅具有直接的蓄水?dāng)r沙作用，還有間接減蝕作用。Yuan等通過MIKE耦合模型對王茂溝流域壩系進(jìn)行研究得到，淤地壩建設(shè)后次暴雨條件下洪峰流量及洪水總量分別減少65.3%和58.7%，同時輸沙量減幅可達(dá)到83.9%；Ran等對淤地壩重度淤積情景下進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，即使在淤地壩接近淤滿的情況下，大部分降水徑流事件的洪峰平均減少率及延遲率仍可達(dá)到6.5%和5～8 min，且淤積區(qū)尾端回水削弱了局部水力侵蝕，間接減少流域總產(chǎn)沙量，說明淤地壩建設(shè)及運(yùn)行能夠有效影響壩址上、下游一定范圍內(nèi)的溝道比降、侵蝕基準(zhǔn)面等地形條件及產(chǎn)匯流條件，削弱洪水對溝道的沖刷，從而減少土壤侵蝕量，這部分減蝕作用可定義為溝道沖刷減蝕作用。同時，淤地壩還有重力減蝕作用，通過壩地淤積局部抬高侵蝕基準(zhǔn)面，控制溝蝕發(fā)育，且增加流域凹形邊坡，減少塑性屈服區(qū)體積，在一定程度上緩解流域重力侵蝕。而作為風(fēng)水交錯侵蝕區(qū)的主要治溝工程之一，攔沙壩能夠發(fā)揮與淤地壩相同的攔沙減蝕作用，同時還能夠置換出部分黃河輸沙用水量，換取黃河用水指標(biāo)，為緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾提供一定保障。目前對于溝道工程措施的減水減沙作用研究主要集中在丘陵溝壑區(qū)，而對于風(fēng)水交錯侵蝕區(qū)內(nèi)攔沙壩對流域侵蝕動力及能量調(diào)控作用的研究仍相對較少，且很少有學(xué)者論證或量化其間接減蝕能力。

2019年起，鄂爾多斯市以西柳溝為試點(diǎn)流域之一開展攔沙換水試點(diǎn)工程，旨在通過建設(shè)一批攔沙壩工程，探索有效緩解當(dāng)?shù)厮亮魇?、水資源置換及黃河寧蒙段防洪防凌壓力的治理措施。因此，本研究基于鄂爾多斯攔沙換水試點(diǎn)工程，以西柳溝流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，針對流域內(nèi)規(guī)劃新建攔沙壩工程整體的溝道沖刷減蝕作用進(jìn)行模擬研究。通過耦合分布式水文模型MIKE SHE和一維水動力模型MIKE 11，模擬新建攔沙壩工程建設(shè)前后流域洪水過程，分析攔沙壩對溝道侵蝕動力過程的影響，并利用次暴雨水沙響應(yīng)模型計算攔沙壩工程運(yùn)行期內(nèi)的溝道沖刷減蝕能力，該研究旨在為風(fēng)水交錯侵蝕區(qū)攔沙壩效益評估提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

西柳溝流域?yàn)辄S河十大孔兌之一，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)(109°24′—110°00′E，39°47′—40°30′N)。流域總面積1 356.3 km，龍口拐水文站以上控制面積為1 157 km，總河長106.5 km，平均比降3.6‰。流域?qū)侔敫珊荡箨懶詺夂颍募咀兓黠@，多年平均氣溫6.4 ℃，多年平均降水量271.2 mm，平均蒸發(fā)量2 200 mm。流域上游屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，比降較大，以水力侵蝕方式為主，多年平均侵蝕模數(shù)為8 500 t/(km·a)。中游為庫布齊沙漠，屬于風(fēng)沙區(qū)，以固定和半固定沙丘為主，主導(dǎo)侵蝕力為風(fēng)力，多年平均侵蝕模數(shù)超過10 000 t/(km·a)。下游主要為沖積平原區(qū)，比降較小，侵蝕輕微但河床淤積、漫灘嚴(yán)重。

西柳溝流域的主要治溝措施為淤地壩及攔沙壩，二者建設(shè)時期不同，且建設(shè)目的各有側(cè)重。淤地壩建設(shè)始于20世紀(jì)90年代，主要為治理當(dāng)?shù)厮亮魇栴}，截至2019年累計建成淤地壩99座，其中骨干壩37座，中型壩31座，小型壩31座，控制面積235.28 km，總庫容4 679.6萬m，淤積庫容2 388.02萬m，已淤積庫容804.65萬m。此外，為減少入黃泥沙及置換黃河下游輸沙用水以提高當(dāng)?shù)毓┧康?，鄂爾多斯?guī)劃在西柳溝新建攔沙壩71座，其中中型壩24座，小型壩47座，工程結(jié)構(gòu)均包含壩體、放水工程和溢洪道，暫定使用年限25年，控制面積131.15 km，總庫容3 468.75萬m，淤積庫容2 234.24萬m。該工程于2019年動工，截至2021年9月，在建(含已建成)攔沙壩57座，待開工攔沙壩14座。

2 材料與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

西柳溝流域DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)所發(fā)布的30 m分辨率地形數(shù)據(jù)。龍頭拐水文站的徑流、泥沙及降水?dāng)?shù)據(jù)均源自1961—1990年及2007—2012年《黃河流域水文資料》。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫(http://www.resdc.cn)，精度為30 m。研究區(qū)新建攔沙壩數(shù)據(jù)源于鄂爾多斯攔沙換水試點(diǎn)工程溝道沖刷減蝕監(jiān)測項(xiàng)目，其中包括壩型、壩址、庫容及壩高等資料。

2.2 西柳溝流域水文水動力模型搭建

MIKE SHE作為具有物理意義的分布式水文模型，涵蓋了陸相水文循環(huán)主要過程，包括蒸散發(fā)、坡面流、飽和流、非飽和流、地下水等及其相互作用的過程，已在流域及小區(qū)尺度上得到應(yīng)用；MIKE 11模型以水動力模塊為核心，此外還包括降雨徑流、對流擴(kuò)散、水質(zhì)等模塊。本研究利用MIKE SHE坡面流模塊模擬降雨及坡面產(chǎn)匯流過程，利用MIKE 11對流域內(nèi)主要溝道水動力特征進(jìn)行模擬，耦合二者建立西柳溝流域水文水動力模型。

構(gòu)建研究區(qū)MIKE SHE模型，以100 m×100 m尺度網(wǎng)格對流域進(jìn)行離散。利用ArcGIS 10.2軟件將30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為點(diǎn)文件并導(dǎo)入MIKE SHE模型，經(jīng)反距離權(quán)重插值得到地形文件。根據(jù)研究區(qū)實(shí)測次降水及洪水?dāng)?shù)據(jù)資料，利用MIKE軟件轉(zhuǎn)化為相應(yīng)時間序列文件(.dfs0)并輸入模型，用以率定驗(yàn)證及后續(xù)模擬，由于流域次降雨過程中蒸發(fā)量很小，因此在本研究中忽略不計。根據(jù)西柳溝流域地形地貌特點(diǎn)，將土地利用類型劃分為耕地、裸地、草地、林地、沙地、河湖庫塘、建設(shè)用地和交通用地，利用ArcGIS 10.2對各地類的曼寧系數(shù)進(jìn)行賦值，導(dǎo)出為矢量點(diǎn)文件(.shp)后輸入模型。新建攔沙壩庫容以滯蓄洪量概化，即超出滯蓄洪量的水量才會流入下游。利用30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)通過ArcGIS 10.2中的SWAT工具提取出西柳溝流域河網(wǎng)文件(.shp)并導(dǎo)入MIKE 11模型，研究區(qū)共生成18條溝道。將MIKE SHE模型與MIKE 11模型耦合，建立西柳溝流域水文水動力模型。

2.3 率定與驗(yàn)證

模型可信度評估通常以Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NSE[公式(1)]、決定系數(shù)[公式(2)]及相對誤差[公式(3)]作為判別參數(shù)，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NSE用以衡量模型模擬徑流水文曲線變化能力，決定系數(shù)可反映實(shí)測徑流與模擬過程值的線性相關(guān)性，相對誤差表示實(shí)測值與模擬值的偏差。本研究同樣選取上述參數(shù)對西柳溝流域水文水動力模型進(jìn)行率定驗(yàn)證。以流域把口站龍頭拐水文站實(shí)測徑流過程作為率定參考值，選取4場不同量級的降雨洪水過程，實(shí)測數(shù)據(jù)齊全精確((觀測取樣時間間隔短)，雨型均屬于研究區(qū)出現(xiàn)頻率較高的前期集中型，且洪水過程較獨(dú)立，漲退水過程完整。以1975—1979年2場暴雨洪水過程對模型率定(圖1a、圖1b)，1984—1988年2場暴雨洪水過程對模型進(jìn)行驗(yàn)證(圖1c、圖1d)，率定及驗(yàn)證結(jié)果見表1。率定期洪峰流量相對誤差為9.91%和4.74%，NSE分別為0.81和0.87，為0.86和0.88；驗(yàn)證期為8.22%和11.03%，NSE分別為0.64和0.66，為0.78和0.71。率定期和驗(yàn)證期NSE均高于0.60，說明本研究搭建模型可信度較高。

表1 西柳溝流域模型率定及驗(yàn)證結(jié)果

圖1 西柳溝流域模型實(shí)測及模擬值對比

(1)

(2)

(3)

2.4 溝道侵蝕動力參數(shù)計算方法

MIKE 11水動力模型通過求解圣維南方程來獲得各個時刻的斷面徑流量，再通過除以該斷面過水面積求得斷面平均流速[公式(4)]，模型可直接輸出斷面流速結(jié)果：

=

(4)

式中：為斷面平均流速(m/s)；為斷面流量(m/s)；為過水?dāng)嗝婷娣e(m)。

溝道徑流剪切力()采用Foster等提出的公式計算：

=

(5)

式中：為徑流剪切力(N/m)；為水流容重(kg/m)；為水力半徑(m)；為水力能坡。

徑流功率()為單位面積上水體勢能隨時間的變化率，由Bagnold于1966年提出：

=

(6)

式中：為徑流功率[N/(m·s)]；為徑流剪切力(N/m)；為平均流速(m/s)。

本研究選取最大流速、最大徑流剪切力及最大徑流功率3種侵蝕動力參數(shù)進(jìn)行分析，其中最大流速、最大徑流剪切力均由MIKE模型直接輸出，而斷面各時刻的斷面平均流速與徑流剪切力相乘可得到對應(yīng)的徑流功率[公式(6)]，選取其中最大值得出最大徑流功率。

2.5 流域次暴雨水沙響應(yīng)模型

(7)

(8)

=′

(9)

=′

(10)

式中：為斷面控制范圍內(nèi)的輸沙模數(shù)(t/km)；為場次輸沙總量(t)；′為斷面控制面積(km)。

選取龍頭拐水文站所在斷面作為控制斷面，根據(jù)該站1960—1990年、2007—2012年實(shí)測的洪水水文要素摘錄表，以樣本場次實(shí)測數(shù)據(jù)詳實(shí)、完整作為選擇前提，以樣本包含不同時期及不同量級最大含沙量作為選擇依據(jù)來選取典型次暴雨洪水，從而確保所建立的水沙響應(yīng)模型對于西柳溝流域侵蝕預(yù)測研究具備更好的適用性。最終選擇了22場典型次暴雨洪水的降雨、徑流、泥沙資料，計算流域次降雨洪水的徑流侵蝕功率及輸沙模數(shù)(表2)，建立徑流侵蝕功率和流域輸沙模數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系(圖2)。

圖2 西柳溝次暴雨徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)關(guān)系

表2 典型場次暴雨洪水參數(shù)

經(jīng)回歸分析建立了用于描述研究時段內(nèi)西柳溝流域次暴雨洪水徑流侵蝕功率()與輸沙模數(shù)()之間相關(guān)關(guān)系的回歸方程：

=77802609713=088,=22

(11)

式中：為次暴雨洪水場次。

研究過程中MIKE模型輸出數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進(jìn)行處理，利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行聚類分析，采用Origin 2021軟件制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 攔沙壩對洪水過程的影響

選取1988年6月26日的1場洪水作為典型場次模擬攔沙壩對流域洪水過程的影響。選取依據(jù)為其雨型屬于研究區(qū)發(fā)生頻次較高的前期集中型，且洪峰流量接近流域多年平均值。通過西柳溝流域水文水動力模型模擬研究區(qū)產(chǎn)匯流過程，對比攔沙壩建設(shè)前后2種工況下流域出口斷面，即龍頭拐水文站所在斷面的次暴雨洪水特征。從圖3可以看出，溝口出流初期，攔沙壩建設(shè)前后洪量增長情況一致；自17：40開始，攔沙壩建設(shè)前工況下洪量迅速增長，洪峰流量可達(dá)到126.61 m/s，且退水幅度明顯，整個洪水過程呈現(xiàn)陡漲陡落的特點(diǎn)，洪水過程線較為“尖瘦”；而建壩后工況下漲水幅度較小，洪峰流量為74.83 m/s，較建壩前削減40.90%，退水速度緩慢，洪水過程線明顯坦化。此外，攔沙壩明顯減小洪水總量，由于攔沙壩建設(shè)前支溝比降較大，洪水基本全部匯入下游，主溝的滯蓄水量接近于0，洪水總量為198萬m；攔沙壩建設(shè)后可攔蓄71萬m洪水，流域輸出洪量減少35.85%。

圖3 西柳溝攔沙壩建設(shè)前后流域出口洪水過程線

3.2 攔沙壩對溝道侵蝕動力的影響

3.2.1 最大流速 從圖4可以看出，攔沙壩建設(shè)前后主溝沿程最大流速分布情況，2種工況下流域主溝斷面最大流速均呈波動式增長趨勢。主溝0～10 km里程的流速特征基本吻合，而建設(shè)攔沙壩后自10 km里程起沿程最大流速低于建設(shè)前工況，且二者差異逐漸擴(kuò)大。攔沙壩建設(shè)前的沿程最大流速在63.92 km里程處達(dá)到峰值，建設(shè)后在主溝出口處達(dá)到峰值。定量分析主溝沿程最大流速的變化，攔沙壩建設(shè)前后沿程最大流速平均值分別為2.76，2.29 m/s，減小21.66%；流速峰值分別為6.06，5.31 m/s，減小12.38%。

圖4 西柳溝攔沙壩建設(shè)前后主溝最大流速沿程分布

3.2.2 最大徑流剪切力 攔沙壩建設(shè)前后沿程最大徑流剪切力同樣呈現(xiàn)波動式增長趨勢(圖5)。建設(shè)攔沙壩后徑流剪切力整體降低。在支溝及攔沙壩分布較多的河段內(nèi)，2種工況的徑流剪切力最大值均位于63.92 km，最小值均位于60.75 km。定量分析攔沙壩建設(shè)前后最大徑流剪切力變化，平均值分別為18.93，14.76 N/m，減小22.02%；最大值分別為64.94，49.32 N/m，減小24.05%。

圖5 西柳溝攔沙壩建設(shè)前后主溝最大徑流剪切力沿程分布

3.2.3 最大徑流功率 攔沙壩建設(shè)前后沿程最大徑流功率變化規(guī)律(圖6)與徑流剪切力相似。從圖6可以看出，在支溝壩系分布較多的河段內(nèi)，2種工況下徑流功率最大值均位于63.92 km，最小值均位于60.75 km。攔沙壩建設(shè)前后，沿程最大徑流功率平均值分別為74.76，49.11 N/(m·s)，最大值分別為393.29，251.95 N/(m·s)，即建設(shè)攔沙壩后徑流功率平均值及最大值分別減小34.31%，35.94%。

圖6 西柳溝攔沙壩建設(shè)前后主溝最大徑流功率沿程分布

3.3 攔沙壩沖刷減蝕能力估算

為有效預(yù)估西柳溝流域新建攔沙壩工程的溝道沖刷減蝕能力，以西柳溝30年共1 017場事件的次降水總量和降水歷時為變量，采用均值聚類分析法，將流域所有次降水過程劃分為4種類型，以此作為研究區(qū)的未來降水條件，最終選取降水總量>12 mm的侵蝕性降水量輸入模型。降水類型劃分結(jié)果見表3。

表3 西柳溝流域降水類型劃分

由表3可知，西柳溝流域以第2類降水為主，特征為短歷時且總量小，而短歷時且總量大的第3類暴雨最少。采用Fisher判別函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，西柳溝流域判別函數(shù)見公式(12)，其聚類結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，4種降水類型的判別函數(shù)的散點(diǎn)圖都比較聚集，說明分類結(jié)果基本合理。

圖7 西柳溝流域降水類型判別分析結(jié)果

(12)

式中：(=1，2，3，4)表示第組的分類得分；為降水量(mm)；為降水歷時(h)。

根據(jù)殷水清等對我國不同地區(qū)雨型劃分及雨強(qiáng)隨歷時的變化關(guān)系研究可知，黃河區(qū)降水主要為前期集中型，推求出西柳溝流域4種降水類型的降水過程線(圖8)。

圖8 西柳溝流域4類雨型降水過程

選擇大于侵蝕性降水量(12 mm)的第1類、第3類及第4類降水輸入西柳溝流域水文水動力模型，模擬攔沙壩建設(shè)前后流域出口的洪水過程。根據(jù)模型不同工況下輸出的流量過程，可計算出徑流侵蝕功率[公式(7)～(9)]，再通過次暴雨水沙響應(yīng)模型[公式(11)]得出對應(yīng)輸沙模數(shù)，由此可進(jìn)一步得到場次輸沙量[公式(10)]，在相同降水條件下，攔沙壩系建設(shè)前后的場次輸沙量差值即為場次減蝕量。結(jié)合3類降水年均分別發(fā)生4.40，0.07，0.63場(表3)，以及壩系的預(yù)計運(yùn)行期限為25年，最終可求出年均減蝕量、工程運(yùn)行期總減蝕量。在不同降水類型下，研究區(qū)攔沙壩系建設(shè)前后輸沙模數(shù)計算結(jié)果見表4，壩系減蝕量計算結(jié)果見表5。

表4 建壩前后不同降水類型條件下輸沙模數(shù)差異

表5西柳溝新建壩系溝道沖刷減蝕量 單位：萬t

在3類降水條件下，建壩后流域徑流侵蝕功率()分別減小45.71%，70.26%，63.59%，輸沙模數(shù)()分別減小44.90%，69.21%，62.55%。新建壩系場次減蝕量分別為1.83，1 129.51，71.84萬t；年均減蝕量分別為8.05，79.07，45.26萬t；工程運(yùn)行期減蝕量分別為201.36，1 976.64，1 131.49萬t；預(yù)計西柳溝流域新建壩系運(yùn)行期間總減蝕量為3 309.49萬t。

4 討 論

本研究中，建壩前后流域沿程溝道侵蝕動力在0～10 km里程內(nèi)基本吻合，10 km里程以后逐漸出現(xiàn)差異，這是因?yàn)橹鳒仙嫌沃陷^少，且未建設(shè)攔沙壩，而多數(shù)支溝及攔沙壩分布于10 km里程下游。其中，40～72 km里程內(nèi)支溝及建壩密度較高，結(jié)合前文結(jié)果，建壩后該河段內(nèi)溝道侵蝕動力參數(shù)的減小幅度同樣較大，說明攔沙壩建設(shè)能夠有效減小西柳溝流域溝道侵蝕動力。攔沙壩建設(shè)降低主溝沿程最大流速，這主要是由于攔沙壩通過攔蓄上游洪水，減少匯入主溝的洪量，進(jìn)而影響溝道流速。徑流剪切力大小取決于水力半徑和水力能坡，建壩后流速降低造成溝道泥沙沉降淤積，溝道比降減小，從而降低徑流剪切力。由于流速及徑流剪切力均降低，徑流功率作為二者的乘積，也隨之發(fā)生更顯著的變化。本研究表明，攔沙壩系通過改變溝道水動力過程，進(jìn)一步調(diào)控溝道侵蝕動力過程，從而削弱徑流對泥沙的輸移能力以及對溝道的沖刷侵蝕能力。同時，研究區(qū)攔沙壩系均修建在支溝，但主溝侵蝕動力分布依然受到影響，進(jìn)一步說明攔沙壩對流域溝道侵蝕動力的調(diào)控具有“異地作用”，即支溝徑流經(jīng)攔沙壩消能后，減弱對下游溝道的沖刷侵蝕能力。

目前對于地表徑流侵蝕能力的研究主要集中在挾沙力、侵蝕動力以及侵蝕能量方面，相比較而言，利用能量參數(shù)來表征土壤侵蝕耗散、轉(zhuǎn)移等各環(huán)節(jié)更為貼切。其中，作為水流能量因子的徑流侵蝕功率綜合考慮流域下墊面因素、降水及徑流的影響，且與輸沙模數(shù)之間存在極顯著的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，不同學(xué)者基于徑流侵蝕功率對流域侵蝕過程進(jìn)行研究，龔俊夫等揭示延河流域徑流侵蝕功率存在“支流大、干流小”的空間分布特征；王偉等在無定河流域開展研究同樣發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。此外，Yuan等、孫莉等利用基于徑流侵蝕功率的次暴雨水沙響應(yīng)模型發(fā)現(xiàn)，淤地壩、水庫等工程建設(shè)有效減小丘陵溝壑區(qū)輸沙量。因此，本研究通過預(yù)測西柳溝流域未來侵蝕性降水條件，進(jìn)一步利用次暴雨水沙響應(yīng)模型對攔沙壩的溝道沖刷減蝕能力進(jìn)行估算。在控制流域土壤、植被及降水等條件不變的情況下，攔沙壩建設(shè)前后流域中從坡面至溝道的產(chǎn)沙及輸沙過程無明顯差異，本研究僅通過設(shè)計建壩前后2種工況來改變溝道中的下墊面因素，因此導(dǎo)致流域出口處輸沙量出現(xiàn)差異的因素主要為溝道水沙輸移過程發(fā)生變化。由于坡面來沙無明顯差異，利用次暴雨水沙響應(yīng)關(guān)系得到的輸沙量差值即為溝道沖刷減蝕量。利用基于物理概念的分布式模型模擬次降雨洪水事件時，若率定期及驗(yàn)證期的NSE均大于0.65，可認(rèn)為模型模擬效果可靠。例如，Ran等運(yùn)用InHM模型在蛇家溝流域達(dá)到0.70以上的效果；Wang等利用GAST模型搭建的王茂溝流域模型取得0.68的NSE值。因此，本研究中的水文水動力模型精度較高，可較為準(zhǔn)確地反映研究區(qū)洪水過程及侵蝕動力分布特征。此外，本文參照不同學(xué)者對流域侵蝕動力及輸沙特征的模擬研究，同樣對研究結(jié)果采取保留2位小數(shù)的計算精度。

本研究通過建立西柳溝流域水文水動力模型，量化了新建攔沙壩系對主溝道徑流侵蝕動力過程的影響，并估算工程運(yùn)行期內(nèi)新建壩系的溝道沖刷減蝕量，但由于資料有限，計算過程中忽略未來研究區(qū)土地利用變化對徑流及產(chǎn)輸沙過程的影響。因此，結(jié)合土地利用變化、地形變化等因素進(jìn)一步分析攔沙壩溝道沖刷減蝕能力，可為風(fēng)水交錯侵蝕區(qū)攔沙壩效益評估提供更科學(xué)的論證依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)新建攔沙壩工程改變流域洪水過程，洪水過程線明顯發(fā)生坦化。西柳溝流域攔沙壩系建成后，流域出口處洪峰流量減少40.90%，洪水總量減小35.85%。

(2)攔沙壩有效影響流域主溝的侵蝕動力過程，對主溝道侵蝕動力具有明顯的異地調(diào)控作用。建壩后，西柳溝流域主溝道平均最大流速、最大徑流剪切力和最大徑流功率分別減小21.66%，22.02%和34.31%。

(3)攔沙壩具有顯著的沖刷減蝕作用，在多年平均降水情況下，西柳溝流域新建壩系在工程運(yùn)行期內(nèi)沖刷減蝕量預(yù)計可達(dá)到3 309.49萬t。