基于FEFLOW模型模拟治沟造地工程对小流域水文过程的影响

林琳 王湛 李鹏展 梁欧博 陶宇

摘要：为科学认识治沟造地工程对黄土高原沟壑区小流域水文过程的影响，该文应用FLFLOW软件，根据有限元原理，结合研究区降水入渗补给、蒸发及地下水水位变化，建立地下水模拟模型，通过对模型的率定验证，模型较为稳定，将研究区现状年数据导入模型，通过水均衡分析，治沟造地工程对水资源拦蓄作用较强。

关键词：治沟造地；模型模拟；黄土高原

Simulation of the influence of gully regulation and land reclamation project on hydrological process of small watershed based on FEFLOW model

Abstract: In order to scientifically understand the impact of Gully Control and land reclamation project on the hydrological process of small watershed in the gully area of the Loess Plateau, this paper establishes a groundwater simulation model by using flow software, according to the finite element principle, combined with precipitation infiltration recharge, evaporation and groundwater level change in the study area. Through the calibration and verification of the model, the model is relatively stable, and the current annual data of the study area are imported into the model, Through the analysis of water balance, the ditch regulation and land reclamation project has a strong role in retaining and storing water resources.

Key words: Gully control and land reclamation; Model simulation; The Loess Plateau

0引言

黄土高原地区沟壑纵横、地形复杂，加之暴雨集中，强度大，土壤侵蚀严重，加之滥砍、滥伐、滥牧，致使水土流失严重，长期以来我国采取了一系列水土保持措施，打淤地坝既能拦截泥沙，保持水土，又淤地造田，但存在“重工程、轻林草，重新修、轻管护，重主体、轻配套，重治水、轻改土，重治沟、轻治坡”等问题[1]，是黄土高原生态问题仍难以得到解决。1999年开始实施退耕还林还草战略，植被覆盖率增加，入黄泥沙减少，生态状况得到显著改观，但退耕还林还草后，耕地面积也大幅减少，局部出现人、粮关系紧张[2]。许多专家学者为改善黄土高原生态环境状况展开了大量研究。朱显谟提出黄土高原国土整治“28字方略”：“全部降水就地入渗拦蓄；米粮下川上源；林果下沟上岔；草灌上坡下坬”。通过水平梯田、隔坡梯田、鱼鳞坑、隔坡水平阶、水平沟等整地造林种草措施，使降水就地入渗拦蓄[3]。山仑提出黄土高原水土保持综合治理的核心是拦沙、治水。通过水土保持强化雨水就地入渗。应在拦沙蓄水的基础上，把宝贵的水资源利用好，使黄土高原的生产得以持续发展[4]。蒋定生等提出坝地具有拦蓄泥沙、增地增粮、抗旱保收的作用[4]。刘彦随等提出陕北黄土丘陵沟壑区“三带六段”模式，保持生态系统平衡和稳定，对不同阶段建立的实体模式进行动态调控。傅博杰等基于黄土高原坡面、小流域、流域、区域不同尺度景观格局与生态过程的长期观测研究，提出了黄土高原生态环境建设建议：1）继续加强坡面植被恢复，优化植被空间配置以增强生态系统水土保持服务功能；2）在沟道里构建相应的生物阻拦、岩土工程设施；3）处理好退耕农民产业转移、收入来源调整，维护退耕还林还草成果。延安市针对黄土高原丘陵沟壑区特殊地貌，通过闸沟造地、打坝修渠、垫沟覆土等主要措施开展治沟造地工程[5]。刘彦随等基于复杂流域系统的视角，探讨了黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术，提出了沟道土地整治应以增良田、保生态、惠民生为主题，以景观协调、结构稳固、利用持续、功能高效为理念，强调山上退耕还林、山下治沟造地，治沟保生态、造地惠民生。制定了沟道土地整治分区、分类标准及技术要点，划定了修复整治型、配套完善型、开发补充型、综合治理型等 4 种工程建设类型，创建了“干-支-毛”分层防控、“渠-堤-坝”系统配套、“乔-灌-草”科学搭配的增强型沟道整治工程技术体系。这些原理与技术应用于延安治沟造地土地整治重大工程实践，取得了明显成效[7]。老虎沟治沟造地项目项目区新增耕地面积774.9亩。项目主要建设目的是对区域土地质量进行提升，重新规划田块，合理设计土层厚度，并通过土地工程手段，利用区域内土方调配或客土技术使项目区建成地块平整、土壤肥沃、作物产量高的农田。项目竣工后，项目区地下水状况成为影响作物生长的主要因素，现阶段主要目标是探求沟道内地下水与地表径流转化规律，揭示治沟造地工程对流域水文过程的作用机理，实现地下水的合理调控，使其满足作物的正常生长。同时也为黄土高原丘陵沟壑区治沟造地工程建设、维护和小流域水土保持、生态环境治理提供基础支撑。

1材料与方法

1.1研究区概况

老虎沟位于延安市富县境内，地处东经109°08′54″~109°11′31″，北纬35°58′31″~ 35°54′25″之间，属洛河流域葫芦河水系余梁沟的支沟，地貌由黄土塬、沟坡、沟床三个单元组成，沟壑纵横、梁峁林立、沟谷深切、地形破碎，两岸覆盖大量黄土。老虎沟全长12.5km，流域面积19.5km2，平均比降为9.2‰，项目区位于主沟道中上游，全长8.03km，流域为7.18km²，项目区平均比降为9.2‰。从上游到下游主沟道断面呈“U”形，支沟沟道断面多呈“V”字形。项目区属于大陆性暖温带季风气候区，其气候特点是春季多风，夏季炎热，秋季多雨、冬季干旱。多年平均日照数为2300.6h，年总辐射量129.6千卡/cm2，多年平均气温9.1℃，极端最高气温38.7℃，极端最低气温-26.3℃，大于等于10℃的积温为3113.2℃，无霜期为177d。根据当地气象水文资料，多年平均降水量为560mm，最大降水量为871.9mm（1975年），最小降水量为351.8mm（1997年），降水年际变化大，区内分配不均匀，6-9月份占全年降水量的70%以上，年径流量372.5 m³。项目区径流特征表现为年内分布不均匀，年际变化大；径流组成以洪水径流为主，灾害性强；洪水特点为：时间集中、历时短、洪峰高，陡涨陡落，产沙主要集中在汛期6～9月份，占流域全年产沙总量的70%以上，项目区属轻度水土流失区。

项目区地下水位观测井点位布设

1.2模型构建

由于本文研究的重点为沟谷的水动力过程，因此feflow 模型只调用了水流模块。首先在 CAD中定义流域的范围，研究区面积 0.89km²，以1978个网格对流域进行空间离散，共计 1314个节点。地形文件通过 CAD 提取数据功能将高程点处理生成 DAT 点文件，将处理好的矢量格式数字高程数据文件直接导入模型，并采用三角形内插法进行插值，依据单元格大小设置搜索半径为20 m。模型采用在降水数据中减去蒸散发量作为模型的降水输入。

1.3源汇项和边界条件

研究区粱峁沟壑纵横，区内沟谷发育，模型边界以沟谷冲积平原为边界条件，以西北侧为模拟区流量流入边界，东南侧为模型流量流出边界，模拟区东西两侧以冲积平原与山脚交接线为模型的弱透水边界。同时沟谷区域蒸发作用强烈，是区内地下水主要的排泄途径；底部为完整的砂泥岩，概化为隔水边界。地表面接受大气降水入渗补给，概化为潜水面边界。区内地下水水力性质总体为潜水，地下水三维流特征显著，水流服从达西定律。

1.4模型的率定与验证

此次数值模拟所设计的水文地质参数主要是含水层渗透系数、给水度，以及弹性释水系数，根据简易民井抽水试验以及结合常见岩性的经验值共同确定。模型选取2020年1月至6月为模拟率定期，2020年7月至12月为模型验证期。将率定与验证期的模拟观测井地下水位与实测地下水位进行对比验证（如图2）。结果表明，率定期和验证期模拟地下水位和观测地下水位变化过程的吻合程度很高，模型很好地模拟了地下水的动态变化，可以用来研究区地下水位预测分析。

地下水模拟区水文地质参数取值表

渗透系数（m/d）	给水度	释水系数
0.01-3.50	0.08-0.12	0.00014-0.00039

a：1号观测井率定期 b：6号观测井率定期

C：1号观测井验证期 d：6号观测井验证期

图2 模型率定和验证结果

2结果分析

将现状年降雨与蒸发数据输入模型，模型输出研究区现状年地下水水头分布如图

将现状年各类资料数据带入模型，计算得到研究区整治后的地下水稳定流场，治沟造地工程，在土地平整的同时，修建了农田道路和排水渠，对支沟淤地坝进行加固维修，为了保证沟谷区域土地平整，修建高标准基本农田，在沟谷区域分阶段设计了不同的土地平整标高，改变了下垫面性质改变和原始沟道的排泄渠道，地下水整体由北向南流动，地下水高程成北高南低之势。

研究区现状年大气降水入渗补给量为306.1m3/d。沟谷区域上游流入边界对地下水的补

给量为14.73m3/d。沟谷区域地下水水位埋深相对山区较浅，蒸发作用强烈，研究区内蒸发损失量为199.9m3/d，在沟谷区域下游设置了定水头，其侧向径流排泄量为28.83m/d，研究区内整体处于均衡状态。研究区水均衡统计表见表 1，试验表明治沟造地工程使地表径流转化为地下径流，增加了土壤水含量。治沟造地工程对降雨的拦蓄作用明显。

表1研究区水均衡统计表

	补给量（m3/d）	排泄量（m3/d）
侧向径流	14.73	28.83
降雨入渗补给	306.1	0
蒸发	0	199.9
越流	8.2	96.3
总计	329.03	325.03

3结论与建议

（1）在研究区布设8个观测井，通过地下水位动态观测结果表明，研究区地下水位受降雨量影响显著，根据模型模拟结果进行水均衡分析，治沟造地工程实施后，使地表径流转化为地下径流，增加了土壤水含量，治沟造地工程对降雨的拦蓄作用明显。

（2）研究区内年降水量较小，且年内分布不均，多年平均降水量560mm。地表水主要以主沟道内暴雨产生的径流为主，变幅极大，日常流量较小。土壤水分长时间聚集下渗，抬高地下水位，部分地区地下水埋深已上升至作物根系主要生长区域，研究区蒸发强烈，易造成土壤盐碱化，影响作物生长。田间截水沟建议增加截水沟或增加竖井，排出土壤水分

（3）老虎沟支沟较多，且支沟规模大小不一，老虎沟主沟不同位置汇入水量不同，但均增加了老虎沟主沟水量。建议在老虎沟各支沟汇入主沟处，设置专用排洪沟，根据主沟地下水位埋深状况对汇入水量进行适当排洪，减少汇入主沟水量。

基金项目：陕西省土地工程建设集团内部科研项目“治沟造地工程对小流域水文过程作用机理研究”（DJNY2020-5）

作者简介：林琳（1990—）男，黑龙江五常人，工程师，主要从事土地工程研究。Email：[e-mail]

参考文献：

1. 孙逊主编. 陕西省志·黄土高原志[M]. 西安：陕西人民出版社，1991.

2. Lu Yihe, Fu Bojie, Feng Xiaoming, et al. A policy-driven large scale ecological restoration: quantifying ecosystem services changes in the Loess Plateau of China[J]. PLoS One, 2012, 7(2): 1－10.

3. 周卫健，安芷生. 实施与“退耕还林还草”并重的“治沟造地”重大方针的建议[N]. 中国科学报，2014-09-19.

4. 朱显谟. 黄土高原国土整治“28 字方略”的理论与实践[J]. 中国科学院院刊，1998，13(3)：232－236.

5. 山仑. 我国著名水土保持专家工程院山仑院士论黄土高原治理与黄河断流问题[J]. 水土保持通报，1999，19(2).

6. 蒋定生，高可兴. 黄土丘陵第Ⅱ副区坝地资源潜力与坝系建造模式[J]. 水土保持通报，2000，20(5)：35－38.

7. 刘彦随，靳晓燕，胡业翠. 黄土丘陵沟壑区农村特色生态经济模式探讨：以陕西绥德县为例[J]. 自然资源学报，2006，21(5)：738－745.

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