截流缓释生态工程对流域径流影响

钱昆仑，张汉辰，张维江

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 2. 宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021）

1 研究背景

淤地坝是经多年治理实践证明适合黄土高原的重要的水土保持措施［1］。在拦泥保土、减少入黄泥沙、防洪减灾、淤地造田、巩固退耕还林、保障生态安全、促进粮食生产和水资源合理利用及经济社会稳定发展等方面发挥了重要作用［2］。但是，目前淤地坝存在几个问题：①黄土高原现存淤地坝大多建于20世纪60、70 年代，由于技术原因，大多淤地坝建设标准不高，配套设施不完善，存在极大的安全隐患［3，4］。②根据数量统计，黄土高原地区淤地坝已淤满41 008 座，占总数58 776 座的69.77%［5］，其中相当一部分淤地坝已经削弱甚至丧失继续拦泥和滞洪能力。③已经建成的淤地坝缺乏必要的维护和保养，致使存在垮塌致灾的风险［6］。因此，面对这些问题，有必要探索淤地坝新的发展方向，继续实现涵养水源、保持水土、恢复生态、维护流域生命共同体的目标，从源头上为维护黄河生命安全量身定制理论和技术措施。

骆驼林流域位于宁夏南部山区，该区域水土流失严重，生态环境脆弱，水力侵蚀强度高，属于半干旱半湿润地区。不仅如此，当地水资源时间分布极不均衡，当地主汛期降水量占全年降水量的59%～66%。流域内水资源工程和水保工程布局不尽合理，导致流域内降雨径流一般以洪水形式出现，河道基流量少，部分河道呈现季节性干涸形态，洪水资源无法利用。为了改善这种状况，在当地修建了一系列截流缓释生态坝，生态坝结合生物措施以及工程措施，植物和坝体可以在较宽的时空尺度上协同演化，一来可以减小沟壑侵蚀，减轻对下游河道冲刷，并可以起到削峰滞洪的作用，二来生物措施可以进一步加固坝体，可使工程免于人工维护。同时，河水被生态坝拦截后通过坝体渗透作用，形成稳定的渗流，保证河道常流水。

CASC2D-SED 模型是一个结合地理信息系统、遥感以及计算机技术的优点，基于物理基础的分布式水文模型。李致家等［7］将模型产流模块应用于无资料地区径流模拟，发现在无资料地区模型具有适用性。张汉辰等［8］将模型应用于半干旱半湿润地区，发现模型在该地区具有良好的模拟结果。晁丽君等［9］通过模型应用发现，模型在超渗产流流域与混合产流流域均有不错的模拟精度。上述均为模型在一些地区的适用性研究，本文将截流缓释生态工程建成后流域水文条件变化与模型径流计算模块耦合，耦合模型能更精确的表达出工程对流域径流过程的影响。

本文以骆驼林流域为研究区域研究截流缓释生态工程对流域水文的影响，通过工程未建时流域降雨-径流资料构建流域CASC2D-SED 模型，在此模型基础上，利用截流缓释生态工程建设后土地利用参数、土壤参数以及水流动力参数的变化将工程与模型耦合，得到工程CASC2D-SED 模型，通过两种模型对工程前后流域径流的模拟分析，流域径流系数和日均径流量的计算分析，揭示截流缓释生态工程对流域径流的影响。最终可以验证改良后的水土保持措施对小流域径流的影响，为淤地坝新的发展提供借鉴。

2 数据来源及研究方法

2.1 研究区概况

骆驼林流域作为全国18个集中连片的特殊贫困地区之一，处于泾河水系的颉河流域，位于宁夏泾源县北28 km 处的六盘山镇，东经106°14'24″，北纬35°36'31″，处于六盘山段东麓，为六盘山土石山林区，属于黄土丘陵沟壑区的第二副区。流域的地形较为复杂，以黄土梁峁侵蚀地貌为主，沟壑纵横，水土流失严重，多年侵蚀模数3 500 t∕km2，生态环境脆弱，立地条件较差，地势西北高，东南低，海拔高度1 921～2 122 m。该流域所在六盘山地区多年平均降水量为504.0～537.4 mm，从五年平均滑动曲线来看，整个研究区年降水量呈波动式变化，约12～15 a 为一个大的波动周期。

2.2 截流缓释生态工程

截流缓释工程是对小型淤地坝的改良。其结合生物措施以及工程措施，工程部分是以土工织物作为充填袋，将级配砂石作为填充垒砌而成具有过滤透水作用的工程体；生物部分是选取适宜的草本植物以及木本植物构建植被带，待植物长成后坝顶的木本植物和上下游的草本植物将会组成巨大的生物体［10］。生物措施和工程措施能够在较宽的时空尺度协同演化，改变周边水环境以及水力条件。由于结构简单，其施工方便，因此建造速度快，具有一定的可推广性。

2.2.1 截流缓释生态工程布置情况

流域内共新建有39 座截流缓释生态坝，坝高0.8～1.5 m，均于2018 年年初枯水季节全部建造完成，其中上海子（1、4 号水系，为流域干流）建有24 座，下海子（3、5 号水系，为流域支流）建有11座，刺槐沟（2号水系）建有4座。流域总面积5.7 km2，流域出口设置流量观测站，流量站控制面积3.3 km2。具体布置情况如图1。

图1 工程布置情况Fig.1 Engineering layout

2.2.2 截流缓释工程断面特征概化

将截流缓释工程假定为截流层、物理缓释层和生物缓释层3 个部分，其中截流层由河道断面底部土或砂等颗粒较小的材料组成，缓释层的下部是在河道断面中上部分由砂或石等颗粒较大的材料组成的透水层，缓释层的上部是在河道断面顶部及河漫滩部分由乔木或灌木组成的植被层。其特征如图2。

图2 工程结构断面特征Fig.2 Characteristics of Engineering Structural Sections

2.3 数据来源

研究中建立CASC2D-SED 水文模型对截流缓释生态工程建设前后水沙情况进行模拟，模型输入需要包括流域内降雨资料、流域DEM 数据、流域内土地利用类型、土壤类型、河道水系特征、河道网络数据等资料。其中降雨资料以及流量资料采用2017-2019年的观测资料。

（1）降雨资料。研究区域面积小，降雨可视为均匀分布，流域设置一台型号为Vantage Pro2 的便携式气象站记录降雨过程。

（2）DEM 数据。使用GPS 对骆驼林流域进行野外地形数据采集，获得了1∶2 000 的流域地形图，实测流域高程1 866～2 142 m，平均高程2 012 m，平均坡度10.6°。将其转换为20 m精度的流域DEM图，共生成14 267 个网格。

（3）土地利用和土壤类型。通过地理信息系统、遥感并结合现场调研获得，其中土壤类型为黑垆土（湘黄土），主要土地利用类型为荒地、草地、林地。

（4）河道网络数据、流域水系图。通过ArcGIS 处理得到流域的DEM，并进行填洼、汇流等操作，生成水系图、河道网络图；之后数据采用实地勘测进行对比修正。

（5）流量观测。流域汇流出口处使用H-Flume 地表径流观测系统对径流进行实时监测。

（6）土壤缺水度。烘干法测定土壤含水率，土壤缺水度为土壤有效孔隙度减土壤含水率。

2.4 研究方法

2.4.1 CASC2D-SED模型简介

CASC2D 模型结构最初源于Julien 教授对二维地面径流计算方法的发展，采用APL 语言编写计算程序［7］，后来加入Green-Ampt 下渗计算、一维显示扩散波河道计算、二位土壤侵蚀算法和地下径流模拟等，模型得以更加完善、系统，模型名称也变更为CASC2D-SED。

模型水流演算部分包括［11］：①降雨计算，采用距离平方倒数法描述降雨分布。②截流计算，降雨等扣除截流等初始损失后开始入渗。③产流计算，采用Green-Ampt产流模式计算栅格瞬时下渗率和累积下渗量。④坡面汇流计算，采用扩散波的二维显式有限差分格式计算。⑤河道汇流计算，采用一维显式有限差分扩散波方法计算。

CASC2D-SED 模型通过土地利用参数（如：降雨截留系数）反映降雨的截留过程，通过土壤参数（如：饱和毛管水头、饱和水力传导度、初始土壤缺水量等）反映降雨的产流过程，通过水流运动参数（如：曼宁系数、糙率等）反映汇流过程。

2.4.2 工程对流域径流影响分析方法

流域汇流出口设有径流观测系统，可以测定流域出口断面流量，进行逐月的降雨径流分析、径流系数计算、径流量以及径流系数变化趋势分析，阐明截流缓释生态工程对流域径流的影响。

根据17 年工程未建时的流域降雨径流实测资料建立骆驼林流域CASC2D-SED 模型（以下简称流域模型），可通过此模型推求流域未受工程影响时的降雨径流过程。根据18 年后实测资料，将建成的工程与模型耦合，耦合过程中是在已建成的流域CASC2D-SED 模型基础上，保持其他模型输入不变，将变化的土地利用参数、土壤参数、水流运动参数以及DEM 数据代替原有数据，作为新的模型输入。土地利用参数、DEM 根据实测资料获取；由于流域土壤类型不变，土壤参数中变化要素主要为缺水度，采用烘干法测定土壤含水量，后根据模型中土壤含水量与缺水度的关系计算模型输入缺水度；采用水准仪测量工程建设前后沟道坡降变化值；水流运动参数结合参数率定得到结果。耦合过程中模型的截流、产流、汇流过程发生变化，最终得到与工程耦合的CASC2D-SED 模型（以下简称工程模型）可以模拟流域受截流缓释生态工程影响下的径流过程。

研究通过截流缓释生态工程建成前后流域径流量、径流系数对比分析，结合CASC2D-SED 模型对工程建成前后流域径流模拟对比分析，得到截流缓释生态工程对流域径流的影响结果。

2.4.3 精度评价标准

根据现行《水文情报预报规范》研究采用确定性系数、洪峰相对误差来评定径流模拟结果［12］。

（1）确定性系数Dc。模拟流量与实测流量之间的吻合程度用确定性系数作为指标，该系数越接近1，说明模拟与实测流量之间拟合程度越好，计算公式为：

式中：n为模拟时间段数；Qc为模拟流量，m3∕s；Q0为实测流量，m3∕s；为实测流量平均值，m3∕s。

（2）相对误差Df，%。模拟误差除以实测值为相对误差，以百分数表示。文中用来衡量模拟洪峰与实测洪峰之间的偏差程度，计算公式为：

式中：Q0为实测洪峰流量，m3∕s；Qc为模拟洪峰流量，m3∕s。

3 结果与分析

3.1 参数率定

选用骆驼林流域2017 年水文观测数据，建立流域CASC2D-SED 模型。使用人工试错法进行参数率定，用确定性系数，相对误差衡量模拟结果的精度，在参数率定中，发现截流深度、饱和水力传导度、饱和毛管水头、初始土壤缺水量均为高敏感参数，糙率为极高敏感度参数。土地利用类型参数和土壤类型参数率定结果见表1、2。

表1 土地利用类型参数表Fig.1 Engineering layout

表2 土壤类型参数表Fig.2 Characteristics of Engineering Structural Sections

流域汇流出口处进行径流观测，设有H-Flume 地表径流观测系统。测量时通过时间间隔超声波液位传感器捕捉水槽水位，水位与水槽定义截面积乘积可以计算出出口处流量。流量根据系统设置五分钟测量一次。根据地表径流观测系统对流域径流的观测结果，择了其中的5 场进行模拟。其中前3 场对模型参数进行率定，后2场对模型进行验证，产流模拟相关值见表，模拟值及实测值对比图如图3。

表3为率定期和验证期相对误差以及确定性系数值。由表3可知，洪峰相对误差绝对值在20%以内，说明模拟洪峰接近于实测洪峰；确定性系数均在0.7 以上，说明模拟流量与实测流量之间吻合度高。总体说明CASC2D模型在研究区具有适用性。

表3 参数率定及验证Tab.3 Comparison of simulation effects in Luotuolin watershed

3.2 结果与分析

3.2.1 逐月降雨-径流过程分析

对骆驼林流域2017-2019 年间具有明显降雨径流过程的12个月经行降雨-径流过程分析，对流域净降雨量变化趋势、径流量变化趋势进行分析，对单位降雨量、单位径流量、径流系数进行计算。计算结果如表4。

表4 骆驼林流域降雨-径流特征表Tab.4 Rainfall-Runoff characteristic table in Luotuolin Watershed

对流域内2017-2019 年12 个月的日均降雨量和日均流量进行了计算，流域平均降雨量为0.116 mm∕d，从2017 年的0.144 mm∕d 下降为2019 年的0.100 mm∕d。日均径流量有明显增加的趋势，2017 年径流相对较小仅为33.71 m3∕h，2018 和2019 年径流量相对较大，分别为47.29 m3∕h 和28.28 m3∕h。2017、2018、2019 年平均径流系数分别为11.83%、13.55%、15.26%，具有逐年增大的趋势，如图4。对于月均径流系数，通过径流系数与时间的线性拟合可发现，当去掉偏差较大的两个点后R2几乎达到0.8，相关系数为0.892，如图5，说明径流系数与工程建设时间长短的相关程度高，月均径流呈现显著的增加趋势。

图4 日均降雨径流量趋势图Fig.4 Trend chart of daily average rainfall runoff

图5 去除偏差较大点后径流系数图Fig.5 Runoff coefficient diagram after removing points with large deviation

3.2.2 典型洪水降雨-径流过程分析

对2017 和2018、2019 年各选取一场典型降雨径流过程，采用流域模型和工程模型分别进行模拟，对比分析截流缓释生态工程对洪水的调控过程。首先对2018 和2019 年的降雨-径流过程进行工程CASC2D-SED 模型模拟，后与流域CASC2D-SED模型对相同年份模拟结果进行对比；2017年的洪水过程进一步与构建的工程CASC2D-SED 模型对同一年洪水模拟结果进行对比，其结果如表5。

表5 工程对典型洪水过程影响结果Tab.5 Impact results of closure and slow-release ecological system on typical flood process

201707050000 次洪水实测最大流量为0.023 m3∕s，流域CASC2D-SED 模型模拟最大流量为0.025 m3∕s，通过工程CASC2D-SED 模型模拟该次洪水过程受截流缓释生态工程影响后的径流过程，模拟最大流量为0.015 m3∕s。截流缓释生态工程影响下最大流量减少了34.78%。实测值与模拟值如图6。

201808100000 次洪水实测最大流量为0.012 m3∕s，工程CASC2D-SED 模型模拟最大流量为0.012 m3∕s，通过流域CASC2D-SED 模型模拟该次洪水过程不受截流缓释生态工程影响前的径流过程，模拟最大流量为0.019 m3∕s。截流缓释生态工程影响下最大流量减少了36.84%。实测值与模拟值如图7。

图7 201808010000 次洪水降雨-径流过程实测模拟对比Fig.7 Comparison of measured and simulated flood rainfall-runoff process （201808010000）

201908020100 次洪水实测最大流量为0.008 m3∕s，工程CASC2D-SED 模型模拟最大流量为0.008 m3∕s，通过流域CASC2D-SED 模型模拟该次洪水过程不受截流缓释生态工程影响前的径流过程，模拟最大流量为0.011 m3∕s。截流缓释生态工程影响下最大流量减少了27.27%。实测值与模拟值如图8。

图8 201908020100 次洪水降雨-径流过程实测模拟对比Fig.8 Comparison of measured and simulated flood rainfall-runoff process （201908020100）

4 结 论

在构建的流域CASC2D-SED 模型基础上，利用截流缓释生态工程建设后土地利用参数、土壤参数以及水流动力参数的变化将工程与模型耦合，得到工程CASC2D-SED 模型，通过两种模型对工程前后流域径流的模拟分析，流域径流系数和日均径流量的计算分析，得到以下结论。

（1）在3 年的观测期内，在截流缓释生态工程的影响下，流域日均径流量显著增加；去除偏差较大值后，径流系数与工程建设时间长短呈显著相关关系，相关系数达到0.892，从2017年到2019 年，年平均径流系数从11.83%增加到15.26%。截流缓释生态工程建设后流域水资源时间分布更加合理，沟道基流量显著增加。

（2）通过截流缓释生态工程建设前后洪峰流量模拟对比分析，结合流量实测资料，发现受截流缓释生态工程影响的流域洪峰流量相较于未受截流缓释生态工程影响的流域洪峰流量有较为显著的削减，且能够减少洪峰流量的30%左右。

5 展 望

流域下垫面是复杂的，工程建设对流域下垫面影响也是复杂的，在工程与模型耦合过程中所考虑的土地利用参数、土壤参数以及水动力参数等不足以概括流域下垫面的全部变化，因此模拟精度会受到一定的影响。从峰现时间来看，工程建设前后峰现时间并无显著差别，若是减小模型输出步长，峰现时间之差可能会更加显著。由于截流缓释生态工程建设完成时间较短，所得到的实测资料较少，因此数据的代表性上可能会有欠缺。

国内外众多研究结果表明，淤地坝可以明显削减洪峰流量，减少洪水总量［13，14］。而淤地坝削减洪峰主要通过坝前水库以及扩大河道过水断面降低洪水流速，削减洪水［15］。截流缓释生态工程同样可以显著的减小洪水总量、洪洪峰流量，其原因主要在于：在无降雨发生或降雨量较小时，截流缓释工程的截流层和物理缓释层起主导作用，水流通常不会超出河道，截流层的材料颗粒较小，水流仅可能通过渗透的方式通过过；物理缓释层的材料颗粒较大，能够让水流通过，减缓水流流速。在降雨较大时，由于径流量变大，河道水流在河道底部拦截的作用下会漫上河漫滩，这种情况下截流缓释工程的生物缓释层也发挥重要作用，汇流断面由原本的河道断面变成了由河道和河漫滩组成的混合断面，同时由于植被的作用，断面形态特征和水力条件均发生变化，汇流糙率明显增加，在相同流量的条件下，截流缓释工程的汇流断面面积更大，必然会减缓水流流速，削减洪峰流量。 由于骆驼林流域面积较小，流域对洪水调蓄能力较弱，对降雨的响应较为敏感，产汇流速度较快，因此截流缓释工程对该流域峰现时间的影响不够明显。

淤地坝建坝初期以拦蓄水资源为主，一些研究结果表明，淤地坝的存在显著减少了流域径流量［16，17］，降低流域径流系数［18，19］。但是截流缓释工程存在一定的差异，主要因为截流缓释生态工程不截断水流，因此会降低水资源因为拦蓄所带来损失，另一方面，由于工程作用，一部分地表水以入渗的方式转换为壤中水和地下水，非雨期流量随之增加，即增加了沟道基流量，影响水资源再分配。地下水比例增加也可以减少蒸发损失，因此在截流缓释生态工程作用下流域径流量和径流系数均有增加趋势。因此在截流缓释生态工程的作用下，流域由原来的季节性断流，改变为如今的常流水。

综合上述研究成果，截流缓释生态工程一方面可以削减洪峰，另一方面可以增加沟道基流量，这对于类似于宁南山区这种缺水地区的水资源利用有着重要的意义。工程结合工程措施和生物措施，得到人工干预下的降雨-径流响应机制，将雨洪资源区域性拦蓄，使沟道由原来的季节性断流变为长流水，增加水资源的利用效率，挖掘水资源潜力。同时截流缓释生态坝结构简单，易于施工，且筑坝材料易于就地取材。因此，该工程可应用于降雨集中，降雨强度大的水资源匮乏区域，由于成本低廉、施工简单、材料易得，因此该工程具有可推广性。本文所涉及的仅仅为淤地坝改良的一种思路，期待有更优秀的工程型式可以挖掘出缺水地区的水资源潜力，实现人水和谐。