《Journal of Hydrology》：Perched groundwater recharge and subsurface flow dynamics in check-dam systems of the Loess Plateau
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本研究通过水头监测、碘溴示踪实验及WTF-CUSUM分析，揭示黄土高原杨家沟流域梯田坝区浅层地下水补给与排泄特征。发现补给主导区位于梯田坝中下游，排泄区靠近坝头，垂直流速6.4cm·d?1，水平流速7.1m·d?1，补给量达年降水48.4%。研究成果为半干旱区梯田坝水文调控机制提供了新模型。
作者：季振霞（Zhenxia Ji）、艾伦·D·齐格勒（Alan D. Ziegler）、王莉（Li Wang）
中国西北农林科技大学自然资源与环境学院，水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，杨陵712100
摘要
拦沙坝被认为有助于沉积物滞留和侵蚀控制，从而实现水资源和土壤的保护；然而，它们在潜水位补给中的作用机制尚未完全明了。为了解决这一难题，我们结合了水位监测、碘-溴示踪试验、地下水位波动（WTF）计算以及累积和（CUSUM）分析方法，研究了中国黄土高原杨庄沟流域中拦沙坝对潜水位动态的影响。研究发现，潜水位表现出明显的时空变异性：补给主导的区域位于拦沙坝中部和尾部，而排水主导的区域则出现在拦沙坝头部附近。碘-溴示踪试验表明，地下水在垂直和水平方向上均有流动，流动速率分别为6.4厘米/天和7.1米/天。补给总量为207.3毫米，占年降水量的48.4%，其中既包括渗透降水的贡献，也包括侧向水流的补给。补给过程滞后于降雨约9天，并遵循非线性关系。这些发现为构建一个新的概念模型提供了依据，该模型强调“降水驱动潜水位”的机制，挑战了将拦沙坝视为静态储水体的传统观点。这些研究揭示了潜水位的形成、迁移过程及其对降水的响应机制，证实了其作为“动态水文调节器”的重要作用。这一基于过程的框架有助于更准确地评估半干旱环境中拦沙坝系统的地下水补给、侧向连通性及水文调节功能。
引言
长期以来，拦沙坝被公认为是有效缓解土壤侵蚀和调节干旱及半干旱流域水文过程的自然措施（Boix-Fayos等人，2007；Abbasi等人，2019；Fang等人，2023；Najafi等人，2025）。中国黄土高原因其对生态恢复和水文调节的显著作用而备受关注（Bombino等人，2009；Theule等人，2012；Xu等人，2013；Bai等人，2020；Yuan等人，2022a）。自20世纪50年代以来，中国在该高原上修建了超过5万座拦沙坝以防治土地退化（Zeng等人，2024）。虽然拦沙坝在减少河流沉积物方面效果显著，但对其生态水文作用的研究较少。据估计，这些结构在沟壑中截留了约10.2±0.6Pg的侵蚀沉积物，相当于黄河总沉积量的约46%（Fang等人，2023）。随着大规模建设和长期运行，拦沙坝的功能已从单纯的径流和沉积物减少扩展到更广泛的水循环调节（Boix-Fayos等人，2007；Pang等人，2020）。根据规模和气候条件，拦沙坝土地不仅可以作为沉积物汇，还可以在流域尺度上重新分配地表径流和地下水流，进而改变区域水文状况（Hassanli和Beecham，2010；Luo等人，2020）。
Nyssen等人（2010）在受拦沙坝调控的退化流域进行的实地实验表明，直接径流减少了81%，同时地表渗透率增加。Yuan（2021）以及Yuan等人（2022a, 2022b）在黄土高原的王茂沟流域应用MIKE SHE模型，发现峰值流量减少了70.32%，总径流量减少了65.34%。这些结果表明，拦沙坝对流域尺度的水文动态具有重要影响。径流的减少不应被视为净水分损失，而应视为从快速地表径流向垂直渗透和地下储存的重新分配过程（Abbasi等人，2019；Lucas-Borja等人，2021；Gao等人，2023；Najafi等人，2025）。半干旱地区的研究表明，拦沙坝沉积物中的增强渗透作用能够维持较高的土壤湿度（Nichols等人，2012）。在地中海地区的拦沙坝系统中，研究表明在坝体上进行耕作可以增加垂直渗透，暗示其长期水文功能正从沉积物滞留向地下水补给转变（Castillo等人，2007）。黄土高原上的研究也发现了类似现象。柳道沟流域的电导率成像显示，坝体土地中的土壤湿度随深度增加而增加，这与浅层地下水体的形成一致（Yuan等人，2020）。拦沙坝土地中的地下水通常存在于1-15米深度，其动态主要受降水补给控制（He，2023）。总体而言，这些观察结果表明拦沙坝土地单元在流域水文系统中起到了有效的缓冲和调节作用。
在黄土高原杨庄沟流域的初步野外工作中，我们观察到受拦沙坝影响的土地上存在一个明显的浅层积水区，该区域位于地表和深层承压地下水之间（Ji等人，2025）。这种地下特征受到局部钙结层和砾石层的限制，其水文特性与典型的浅层承压含水层不同。观测数据显示，这种含水层对降水输入和排水的响应迅速，表现为埋藏深度浅、对降水响应快以及水位频繁波动（图1a-d）。然而，现有研究通常将其归类为“浅层地下水”，主要关注其补给机制（Luo等人，2020；Hao等人，2021；Zhao和Wang，2021；Luo等人，2023）。例如，在水蚀和风蚀区域对拦沙坝土地中地下水补给的研究发现，不同土地利用和土壤深度下的土壤渗透率范围为0.82至3.47厘米/小时（Luo等人，2023）。研究表明，优先流和基质流分别占总补给量的36%和64%（Zhao和Wang，2021；Yu等人，2025；Yu，2025）。尽管这些发现阐明了垂直水流的模式，但尚未系统地阐明完整的补给机制（包括侧向迁移过程和相关定量通量），也未全面揭示该水体与降水动态之间的响应关系。因此，对其在流域循环中的水文功能仍缺乏全面理解。
为了准确描述该水体的水文特性，本研究重点关注潜水位动态。通常，潜水位指的是在不饱和带中不连续的隔水层上方积聚的局部水体（Zhang等人，2011）。杨庄沟流域观察到的潜水位来源于渗透径流在限制性地下层上被截留形成的水体。这种无限制的、季节性动态水体支持侧向流动，并对降水输入迅速响应——这些特征使其区别于更深、更稳定的承压含水层。了解这些动态不仅有助于澄清局部水文过程，也为有效的景观管理策略提供依据。
为了解决这一研究空白，我们在杨庄沟流域进行了实地研究，以评估拦沙坝系统中的潜水位动态。具体研究内容包括：（1）补给速率；（2）降水-补给关系；（3）补给响应滞后时间；（4）垂直和侧向传输速度；（5）拦沙坝内的补给和排水位置。通过结合高频水位监测和人工示踪试验，我们评估了不同坝段在调节地下水补给和地下水流中的作用。这些发现有助于更好地理解拦沙坝景观中的潜水位过程，并为半干旱流域的水文评估提供依据。
地理概况
杨庄沟流域位于中国陕西省延安市西北部（大约北纬36°42′，东经109°31′）。该流域面积为3.1平方公里，其中包含0.13平方公里的拦沙坝土地及相关池塘（图2c, e）。海拔范围为1,007至1,256米，地形从北向南逐渐倾斜（图2a）。该地区属于半干旱大陆性季风气候，年平均降水量约为550±100毫米，主要集中在7月至10月之间。
流域边界划定
使用ArcGIS 10.2中的水文分析工具，基于2.5米分辨率的数字高程模型（DEM）划定了研究区域的流域边界。该过程包括填充洼地、计算水流方向和流量累积，并确定与拦沙坝系统对应的流域出口，从而确定排水分水岭。这种方法确保研究区域是一个完整且水文封闭的单元。
降水特征
2023至2024年的气象观测数据显示（图4a），该地区具有明显的湿度-热量同步性，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。冬季平均气温持续低于0℃，导致形成浅层冻土层，起到天然隔水层的作用。2023年的降水量为592.2毫米，比长期平均值550毫米高出约7.7%，属于相对湿润的年份。
潜水位的补给机制
随着拦沙坝的水文影响日益明显，其在流域水文过程中的调节作用受到了越来越多的关注（Xu等人，2004；Polyakov等人，2014；Piton等人，2016；Yuan等人，2022b）。研究区域表现出明显的降水-热量同步性，夏季和秋季降水量较大。这种气候条件促进了坡面径流的产生、水分的集中渗透以及地下水的形成。
结论
通过监测地下水位波动、示踪试验和定量估算，我们发现所研究的拦沙坝作为流域尺度的水文调节器，通过耦合的侧向地下水流和垂直渗透作用促进了潜水位的补给，侧向流速和垂直渗透速率分别为7.1米/天和6.4厘米/天。这一机制显著增强了降水向潜水位的转化效率。
作者贡献声明
季振霞（Zhenxia Ji）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、方法设计、调查实施、数据分析、概念构建。
艾伦·D·齐格勒（Alan D. Ziegler）：审稿与编辑、可视化处理、数据验证、数据分析、概念构建。
王莉（Li Wang）：审稿与编辑、可视化处理、项目监督、资源协调、资金争取、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42377318和U24A20629）的支持。
