淤地坝对西柳沟流域水沙调控的SWAT模型模拟及其对黄河内蒙古段冲淤影响研究

《Scientific Reports》：Simulation study on the impact of check dams on water and sand in Xiliugou Basin and inner Mongolia section of the Yellow River

本研究针对黄河内蒙古段十大孔兑粗泥沙来源区土壤侵蚀严重、河道淤积风险高等问题，通过构建SWAT（Soil and Water Assessment Tool）分布式水文模型，定量评估了西柳沟流域新建79座淤地坝对流域径流量（年均减少2.44×106m3）和输沙量（年均拦截4.09×105t）的调控效应，并采用经验公式法进一步推算了其对黄河内蒙古段（三湖河口—头道拐）河道年均减淤7×105t的贡献。研究成果为黄河流域水土保持工程布局和生态治理提供了科学依据。

　　

在广袤的黄土高原上，黄河如同一条金色的巨龙蜿蜒前行，哺育着沿岸亿万人民。然而，这条“母亲河”也长期饱受泥沙问题的困扰。特别是黄河中游的十大孔兑（蒙古语“洪水沟”之意）区域，因其特殊的地质条件——地表覆盖疏松的黄土，下层暴露着遇水易崩解的砒砂岩，成为黄河粗泥沙的“核心产区”。每当暴雨来临，这些区域极易形成高含沙洪水，裹挟大量泥沙涌入黄河主干道，导致下游河道淤积、河床抬高，甚至形成“地上悬河”，严重威胁沿岸地区的防洪安全和生态稳定。

为了破解这一难题，科学家们将目光投向了淤地坝这一传统水土保持工程。淤地坝是通过在沟道中修建坝体拦截泥沙、淤地造田的水利设施，在黄土高原地区已有广泛应用。但长期以来，如何科学量化淤地坝对流域水沙过程的具体影响，尤其是新建坝体对下游河道冲淤的连锁效应，仍是学术界的难点。为此，张伟杰团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，通过先进的数值模拟技术，揭开了淤地坝调控水沙的神秘面纱。

研究团队以西柳沟流域为典型示范区，构建了基于物理机制的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）分布式水文模型。模型率定期（1990-1999年）和验证期（2000-2020年）的模拟效果良好，径流和输沙量的决定系数R2均大于0.6，纳什效率系数ENS超过0.6，表明模型能可靠反映实际水文过程。团队创新性地设置了三种情景：无坝工况（Scenario 1）、现有97-113座坝工况（Scenario 2）以及现有坝+79座规划新坝工况（Scenario 3），通过对比不同情景下的输出结果，精准剥离了淤地坝对水沙变化的独立贡献。

关键技术方法包括：（1）基于DEM（数字高程模型）、土壤类型、土地利用和气象数据构建SWAT模型，采用PSO（粒子群优化）算法进行参数敏感性分析和率定；（2）通过设置多情景对比，量化淤地坝对径流和输沙的拦截效应；（3）结合面积比拟法和输沙模数比法估算十大孔兑年均输沙量；（4）采用经验公式法计算黄河内蒙古段冲淤量，并通过R2检验验证公式可靠性。

研究结果

1. 淤地坝对西柳沟流域水沙的调控效应

模拟结果显示，淤地坝建设显著改变了流域水文响应。Scenario 3（全坝工况）下，2000-2020年间年均径流量较实测值减少6.96×10⁶m3，其中79座新坝单独贡献的减水量达2.44×10⁶m3；输沙量减少5.09×10⁵t，新坝拦沙贡献为4.09×10⁵t。值得注意的是，坝体对泥沙的拦截率（26.48%）远高于对径流的削减率（23.11%），凸显其“拦粗排细”的工程特性。

2. 十大孔兑输沙量估算

基于西柳沟龙口拐站历史水文数据，采用面积-输沙模数关系推算了其余孔兑的输沙量。1998-2020年间，十大孔兑总输沙量波动剧烈，最高达1.64×10⁴t（1998年），最低仅1.23×10⁴t（2011年），表明区域产沙受极端降雨事件主导。

3. 对黄河内蒙古段冲淤影响

通过构建头道拐站输沙量经验公式（公式1）和沙量平衡法（公式2），计算出新建79座淤地坝可使内蒙古段年均减淤7×10⁵t。公式验证显示计算值与实测值相关性R2=0.92，证明方法可靠。这一结果意味着淤地坝不仅缓解了局部沟道侵蚀，更通过减少粗泥沙输入，增强了黄河主干道的冲刷能力。

结论与讨论

本研究通过“自然本底-现状工程-未来规划”三阶段情景模拟，首次实现了对西柳沟淤地坝群水沙调控效应的系统量化。结果表明，淤地坝不仅是局部水土保持工程，更是调控黄河全河水沙关系的关键节点。其减沙效益沿黄河沙漠段逐级放大，为破解黄河“悬河”困境提供了源头控制方案。

讨论中作者指出，当前SWAT模型将淤地坝简化为静态水库，未考虑坝体淤满后的功能衰减问题。未来需开发专用模块模拟淤地坝全生命周期性能，并加强多孔兑输沙数据的连续监测。此外，研究揭示的“每新增一坝减沙4.09×10⁵t”的边际效益，为黄河流域淤地坝建设的精准规划提供了可扩展的数值范式。

这项研究不仅证实了淤地坝在黄河流域生态治理中的不可替代性，更通过跨尺度模拟将局部工程效益与区域河道演变相耦合，为全球类似地区的泥沙管理提供了“监测-模拟-决策”一体化范本。