黃河流域水土保持科研進展及展望

左仲國，肖培青，黃　靜

(黃河水利科學研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室, 河南 鄭州 450003)

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黃河流域水土保持科研進展及展望

左仲國，肖培青，黃靜

(黃河水利科學研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室, 河南 鄭州 450003)

水土保持；研究進展；土壤侵蝕；黃土高原；黃河流域

從黃土高原水土保持生態建設和黃河治理開發重大實踐的需求出發，回顧了黃河水土保持基本理論方面的研究進展，包括土壤侵蝕規律、水土保持減水減沙作用、粗泥沙集中來源區界定等，介紹了水土流失治理技術發展和科研平臺建設現狀。根據黃河流域水土流失治理現狀，提出了水土保持科研存在的問題和未來的發展方向，給出了研究手段、方法、對象、內容方面的發展建議。

黃土高原地區嚴重的水土流失造成河道泥沙淤積，加劇了下游洪水威脅，影響了黃河水利開發，加劇了荒漠化發展和伴生災害發生，嚴重制約了下游地區經濟社會的可持續發展。黃土高原地區特殊的自然環境決定了其水土流失類型多樣，成因復雜，治理難度非常大。新中國成立以來，我國不斷加強黃河流域水土保持科學試驗和研究工作，取得了豐碩的成果，為黃土高原水土流失治理和黃河流域綜合治理開發提供了技術支撐。本研究從水土保持基本理論、水土流失治理技術和水土保持科研平臺建設等方面，對黃河流域水土保持科研進展進行了回顧，以期為黃河流域水土流失治理提供參考。

1　水土保持基本理論

1.1土壤侵蝕規律研究

(1)坡面侵蝕。以1942年天水水土保持科學試驗站的創建為標志，我國開始了黃土高原水土流失規律的試驗觀測工作，之后相繼建立了黃河水利委員會(簡稱“黃委”)綏德、西峰水土保持科學試驗站，以及離石、安塞、長武、嵩縣等多個水土保持野外試驗站，采用標準小區試驗的方法，研究土壤侵蝕與降雨、坡度、坡長、耕作方式等因素的定量關系，確定坡地退耕的臨界坡度，探討坡耕地侵蝕方式及其侵蝕產沙過程[1]。20世紀60年代，學者們開始對小流域與大面積徑流泥沙來源、坡面及溝道小流域產沙規律進行較系統的研究。20世紀70年代，龔時旸等研究認為在黃河泥沙主要來源區的河口鎮—龍門區間的黃土丘陵溝壑區，泥沙輸移比接近1[2]。20世紀80年代，牟金澤等研究得出了黃河中游地區中小流域泥沙輸移比接近1的結論，為建立流域尺度水土流失機理模型奠定了基礎[3]。

(2)重力侵蝕。黃土高原部分地區黃土層厚且溝深坡陡，滑坡、滑塌、崩塌、瀉溜等重力侵蝕非常活躍，是流域產沙的主要來源。蔣德麒等對黃土高原重力侵蝕產沙問題研究較早，20世紀60年代他們根據實測徑流量-產沙量關系推算了南小河溝、韭園溝、呂二溝、王家溝流域中重力侵蝕產沙量占流域總產沙量的比例[4]。之后，王興奎、許炯心等從20世紀80年代開始分析了重力侵蝕對高含沙水流形成的作用[5-6]；2005年王光謙等采用概化模型從理論上分析了溝坡受沖蝕后退條件下重力侵蝕發生的機理[7]；2014年楊吉山等對陜西綏德橋溝流域重力侵蝕進行了連續實地觀測，并對溝道中重力侵蝕量進行了分析和計算[8-9]。這些研究成果從不同方面探索了黃土高原重力侵蝕的研究方法，揭示了重力侵蝕對流域產沙的重要作用。但是，由于重力侵蝕現象具有高度的隨機性，加之重力侵蝕的實測資料比較缺乏，因此目前的研究大多是根據水沙關系對重力侵蝕進行間接分析，或者基于短期、小范圍的野外實地觀測資料進行定量分析。

(3)降水—植被的耦合作用。2006年，許炯心等通過對黃土高原地區大量實測資料的分析，揭示了森林覆蓋率和降雨侵蝕力隨降水量的非線性變化，發現了森林覆蓋率隨年降水量變化過程中的臨界點現象，同時還發現降雨侵蝕力在隨年降水量變化的過程中也存在臨界點[10-11]。

(4)壩系相對穩定理論。壩系相對穩定的概念最初是受天然聚湫的啟發而提出的。1995年，曾茂林、方學敏等通過對黃土高原地區的暴雨特征、天然聚湫和壩地作物生長特點進行研究，初步提出了“在一定頻率洪水條件下保證壩系的安全，在保收頻率洪水下壩地高產穩產，泥沙基本不出溝，充分合理利用水沙資源，維修工程量小”的壩系相對穩定的內涵，以及壩系相對穩定的標準和條件[12-13]。2005年，黃河水利科學研究院主持開展了“黃河中游多沙粗沙區典型小流域壩系相對穩定條件研究”，進一步明確了壩系相對穩定的概念和條件，推動了壩系相對穩定理論的發展[14]。

(5)土壤侵蝕預測技術。黃土高原地區流域侵蝕產沙模型研究是從新中國成立以后開始的。早期的模型多是經驗性的，20世紀50年代到60年代建立的主要是坡面侵蝕產沙模型；70年代引進了美國通用土壤流失方程并加以改進，建立的經驗模型也擴展到暴雨產沙和小流域侵蝕產沙；80年代開始對輸沙過程進行預報，同時侵蝕產沙物理模型也得到了快速發展，建立了許多模型，如謝樹楠的降雨產流產沙模型、湯立群的小流域產流產沙動力學模型、蔡強國的小流域侵蝕產沙過程模型等[15-16]；近期，姚文藝等建立了以多尺度流域“動力-植被-調控”系統侵蝕產沙過程耦合機制為核心的模擬基礎理論，構建了多功能、成套的異構異類分布式多尺度流域土壤流失模型體系，創建了異構異類分布式土壤流失模型支持系統[9,17]；黃河水利科學研究院在黃土坡面徑流水力特性及侵蝕動力機制、侵蝕過程對植被空間布局的響應、坡面-溝道耦合系統侵蝕產沙關系、河道系統演化過程對水土保持治理措施配置模式的響應等方面開展了系統研究，促進了我國侵蝕動力學研究的發展[18-20]。

1.2水土保持減水減沙效益

(1)水土保持措施蓄水攔沙指標體系。20世紀40年代，隨著黃土高原主要類型區徑流小區和小流域徑流泥沙觀測站的陸續建立，我們積累了大量的觀測資料，開始了對水土保持措施攔沙效益的觀測研究[21]。隨著水土保持工作的不斷深入，水土保持措施的蓄水攔沙作用得到越來越多的重視。特別是從20世紀80年代水利部第一期黃河水沙變化基金項目開始，相繼在重大項目中開展了水土保持措施蓄水攔沙指標研究，但指標的形式和指標值存在較大差異[22]。2004年，黃河水利科學研究院和黃委水文局主持完成的黃委水土保持科研基金項目，建立了黃土丘陵溝壑區第一、第二、第五副區和黃土高塬溝壑區的水土保持措施蓄水攔沙指標體系，該體系考慮了措施質量和不同降水條件，提高了指標的合理性[23]。

(2)水土保持效益評價方法。科研人員在長期對黃河流域水土保持減水減沙效益進行研究的工作中，不斷探索計算方法，建立了“水保法”、“水文法”和“水文水保混合法”。1994年，張勝利、于一鳴、姚文藝在對以往計算方法進行系統整理和分析的基礎上，編著出版了《水土保持減水減沙效益計算方法》，對各計算方法及其相關模型的特點和適用條件進行了分析評價，對新的方法進行了探索。2000年以來，黃河水利科學研究院及有關單位從研究黃土高原不同類型區產流產沙機制及水土保持措施對水資源和泥沙影響機理入手，對水土保持措施蓄水攔沙指標和評價模型開展了進一步深入研究。

(3)黃河水沙變化研究。20世紀80年代開始，科研人員對黃河水沙變化開展了大量卓有成效的研究，比較系統研究的主要科技計劃有：黃河流域水保科研基金項目、水利部黃河水沙變化研究基金項目、國家自然科學基金重大項目“黃河流域環境演變與水沙運行規律研究”、 “八五” 國家科技攻關項目“黃河中游多沙粗沙區治理研究”、“十一五”國家科技支撐計劃課題“黃河流域水沙變化情勢評價研究”和“十二五”國家科技支撐項目“黃河水沙調控技術研究及應用”等。通過這些項目的實施，對黃河中游水沙變化成因進行了全面系統的研究，定量分析了自然因素和人類活動的作用，以及各類水保措施對減少入黃水沙的貢獻率，為治理黃河的宏觀決策提供了科學依據。

1.3粗泥沙集中來源區界定

20世紀50年代，錢寧發現黃河河床淤積物絕大部分是粒徑大于0.05 mm的泥沙，提出了防止黃河下游河道淤積惡化應著重控制這部分粗泥沙。1979年，他又提出黃河中游產生粒徑>0.05 mm的泥沙主要集中在兩個區域，一個是皇甫川至禿尾河之間各支流的中下游地區，一個是無定河中下游及白于山河源區[24]。同年，龔時旸、熊貴樞采用黃河中游來沙分配圖進行分析，提出了80%全沙和粒徑≥0.05 mm 粗泥沙，50%全沙和粒徑≥0.05 mm 粗泥沙的分布范圍[25]。1996—2000年，黃委水文局、黃河水利科學研究院聯合有關高等院校、科研院所和試驗站協同攻關，采用多沙、粗沙二重性的原則界定了黃河中游多沙粗沙區面積為7.86萬km2，2004年在多沙粗沙區界定成果的基礎上進一步確定了面積為1.88萬km2的粗泥沙集中來源區[26]，該成果為構建攔截黃河粗泥沙的三道防線，實現黃土高原水土流失治理“先粗后細”提供了重要條件。

2　水土流失治理技術

2.1治理模式

人民治黃70年來，黃土高原地區的水土流失治理在實踐中不斷創新，治理模式逐漸由單一治理轉為工程、生物和耕作措施相結合，由分散治理轉為集中連片規模治理、突出溝道壩系建設，由單一效益轉為生態、社會和經濟綜合效益。通過實踐和研究，科研人員總結出了以小流域為單元的綜合治理模式，并且在黃土丘陵溝壑區、黃土高塬溝壑區、黃土階地區、土石山區和風沙區等不同類型區采取不同的治理模式[27]。

2.2專項治理技術

20世紀50年代，根據黃河流域治理的需要，科研人員開展了水墜法筑壩、定向爆破筑壩、機修梯田、飛播造林種草等多項專題研究。

在黃土高原水土流失治理中，淤地壩起到了非常重要的作用，在攔截入黃泥沙、減少溝道侵蝕、蓄水保土的同時，形成的壩地也為當地農業發展起到了積極的作用，在困難時期曾被稱為“救命壩”。然而，常規的夯填或碾壓土壩費工費時，不能滿足水土保持迅速發展的需要。從20世紀50年代開始，科研人員進行了各種快速筑壩技術探索，如水中倒土、土中倒水、定向爆破筑壩等。1957年，原黃河水利科學研究所與綏德水土保持科學試驗站合作，利用水力充填筑壩技術，在陜西省綏德縣韭園溝用水力充填黃土修筑一座4 m高的試驗土壩，開啟了水墜壩示范推廣的序幕。水墜壩施工工效高、節省勞力，小村能修大壩，在很大程度上促進了淤地壩建設，加快了小流域綜合治理進度。20世紀80年代，隨著淤地壩相對平衡條件的提出和壩系相對穩定理論的形成，淤地壩建設朝著布局科學合理的小流域壩系方向發展，淤地壩已成為黃河中游水土流失治理的關鍵措施和小流域綜合治理模式中的“骨干工程”。

梯田能夠蓄水保土、減輕土壤侵蝕、改善農作物生長條件、提高產量，并有利于改進耕作制度、促進土地利用結構調整。為了發揮機修梯田功效高、節省勞力的優勢，20世紀50年代后期和60年代初期，蘭州水土保持科學試驗站和天水水土保持科學試驗站分別開始了用推土機修梯田的試驗，70年代開始擴大試驗和推廣。隨后，人們加強了對機修梯田的規劃設計、施工技術、功效計算、提高功效途徑和機具研制等技術要點的研究，機修梯田技術得到迅速推廣應用。

2.3砒砂巖治理

(1)柔性壩技術。1992年，畢慈芬等開展了砒砂巖地區沙棘植物柔性壩試驗研究[28-31]。結果證明了在黃土高原砒砂巖地區的支毛溝中，垂直于水流方向種植沙棘作為攔沙的壩型框架材料是可行的，其機理在于利用灌木干、枝、葉的分流、阻滯性能，分散了溝道集中的股流，降低了水流對溝床的剪切應力，攔截了洪水挾帶的大量粗沙，形成了植物柔性壩，初步建立了植物攔沙的理論架構。隨后，眾多科研工作者開展了相關研究，并取得了大量成果，為利用沙棘的生物特性治理砒砂巖地區水土流失提供了技術支撐。

(2)抗蝕促生技術。2013—2016年，黃河水利科學研究院主持實施的國家科技支撐計劃項目“黃河中游砒砂巖區抗蝕促生技術集成與示范”，針對黃河中游砒砂巖區水土流失問題，揭示了砒砂巖侵蝕巖性機理，研發了砒砂巖抗蝕促生技術和砒砂巖改性筑壩技術，構建了砒砂巖區抗蝕促生措施立體配置技術與模式，探索了黃河中游砒砂巖區水土流失的綜合治理新途徑；在準格爾旗二老溝流域建設了“固結促生一體化立體配置模式試驗區”“溝坡-溝道生物立體配置試驗區”“支溝植物柔性谷坊試驗區”“溝岸抗蝕促生試驗區”等不同治理措施示范試驗區，建成了2萬m2坡面溝道二元立體配置固結促生示范工程和1座庫容3.26萬m3的淤地壩改性示范工程，取得了砒砂巖區黃土高原水土保持領域基礎原理創新和關鍵技術突破[32-36]。

3　水土保持科研平臺建設

黃土高原水土流失徑流小區試驗研究始于20世紀40年代初期，以天水的大柳樹溝梁家坪為試驗基地，研究隴南黃土丘陵溝壑區水土流失的影響因素。20世紀50年代，徑流小區試驗研究由天水擴展到以甘肅西峰南小河溝為代表的黃土高塬溝壑區和以陜西綏德韭園溝為代表的黃土丘陵溝壑區第一副區，形成了黃河中游主要土壤侵蝕類型區具有代表性的試驗研究布局。中國科學院和一些省、地所屬水土保持試驗站所也先后開展了小區試驗研究。20世紀60年代，各試驗站逐步增設了流域水沙研究的觀測內容。20世紀70年代，科研人員開始側重人工模擬降雨試驗，以彌補自然降雨周期長、資料少之不足，人工模擬降雨試驗逐步成為水土保持科研常態化的試驗手段。20世紀90年代以來，中科院、水利部先后建立了“黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室”“水利部水土保持生態工程技術研究中心”“水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室”等，為黃土高原水土流失治理研究工作打造了良好的科研平臺。2011年，黃河水利科學研究院建成了世界上規模最大的人工模擬降雨試驗大廳，長108 m、寬45 m、總高度24 m，由30個降雨單元自由組合進行降雨試驗，降雨強度可以在0.5～3.0 mm/min自由變換，并可模擬移動的降雨中心，能夠滿足模擬天然降雨時空變化，為室內小流域模型試驗提供了支撐平臺。

2011年7月黃河水文水資源科學研究院，黃河水資源保護科學研究院，黃委天水、西峰、綏德水土保持科學試驗站，黃河河口研究院等科研機構正式加掛黃河水利科學研究院牌子，這些科研機構實行雙重領導、共管共建，標志著黃河科研機構整合邁出了實質性一步。黃河科研機構整合是黃河治理開發與管理事業發展的需要，是構建黃河大科研格局與平臺的需要，是科研機構具有開放性、兼容性、擴展性的需要，是黃委作出的一項全局性、前瞻性的戰略決策。通過科研機構整合，可以科學、合理地進行學科布局，加強協同攻關，有效整合現有科研資源，凝聚科研力量，提升黃河整體科研實力。

4　存在的問題與展望

雖然我們在黃土高原水土流失規律研究方面取得了不少進展，但還有更多的領域是未知的，目前尤其需要加強重力侵蝕規律、土壤侵蝕尺度轉換、實體模擬相似理論等方面的研究。侵蝕產沙模擬方面，對國外模型改進的主要內容是方程參數的確定，而對方程結構及方程參數的確定方法研究較少。同時，受試驗觀測資料的限制，方程參數的確定大多是結合應用范圍內局部地域有限資料進行的，黃土高原重力侵蝕嚴重、暴雨產沙時空性特別集中的特征并未在方程計算方法改進中得到有效反映。由于對國外模型控制方程的結構及其計算方法未進行實質性的移植修改，因此修改后的方程仍難以推廣應用于黃土高原次暴雨產沙過程的預報。

根據黃土高原水土保持生態建設和黃河治理開發實踐的需求，針對黃土高原土壤侵蝕研究的不足，建議：在研究手段上，應當從非比尺實體模型試驗逐步轉向于具有嚴格比尺意義的實體模型試驗；在研究方法上，應注重與流體動力學、泥沙運動力學等研究方法的結合；在研究對象上，應從坡面擴展至坡面-溝道系統；在研究內容上，應加強對坡面-溝道系統或以小流域為侵蝕產沙地貌單元的泥沙輸移規律及水沙關系的研究。建議對黃土高原土壤侵蝕規律的研究應關注以下幾個方面：①重力侵蝕規律，包括重力侵蝕空間分布特征與分異規律、重力侵蝕發生的動力臨界、重力侵蝕發生的特征方程與產沙量估算模式；②土壤侵蝕尺度轉換理論與方法，包括不同尺度上的主導侵蝕過程與類型、侵蝕過程特性，土壤侵蝕影響因素作用的尺度效應，以及土壤侵蝕可預測性隨尺度變化的效應等；③植物措施作用下的水文效應，需要通過有、無植被情況下的對比模擬試驗，闡明不同植被覆蓋度、不同類型的植被對黃土高原土壤入滲、地表地下產流過程的影響，研究降雨-產流對植被覆蓋的響應關系，揭示植被對產流機制變化的作用及其臨界；④黃土高原主要產沙區水沙劇減成因，需要深入研究水沙變化對降雨、下墊面、人類活動多元因子耦合作用的響應關系，辨識多因子對水沙變化的貢獻率，搞清流域水沙變化主要影響因素，并分析其變化趨勢；⑤黃土高原水土流失模擬理論與技術，需研究坡面、坡溝系統和小流域比尺模型幾何相似條件或相似律，以及相似比尺體系；⑥在數學模擬方面，需要建立起復雜侵蝕環境下的水土流失評價模型，逐步開展土壤侵蝕-面源污染過程耦合模型、土壤侵蝕-生態-經濟多元耦合模型的研究。此外，還應進一步加強對黃土高原典型生態脆弱區的生態修復和黃土高原水土流失綜合治理技術等的研究，為黃河流域水土流失綜合治理提供技術支撐。

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(責任編輯李楊楊)

S157

C

1000-0941(2016)09-0063-05

左仲國(1963—)，男，河南延津縣人，教授級高級工程師，博士，主要從事水土保持研究。

2016-08-17