黃土高原丘陵溝壑區坡面綜合治理技術研究

[摘 要] 本文主要針對目前黃土高原坡面存在的生態問題，調查國內外溝坡治理現狀，并指出以生態保障為導向的黃土高原坡面治理應從以下幾個方面著手：闡明溝道-坡面治理的流域生態安全響應及效應，揭示主要溝道—坡面治理工程對流域生態安全的影響機制、溝道-坡面治理工程協同作用及流域生態災害阻控機制，提出溝道—坡面治理工程優化配置方法;針對坡體失穩、植被系統恢復困難等問題，提出坡體—植被系統穩定性及生態災害阻控技術;探明開挖邊坡滑塌及溝道新造土地沉降的致災機制，研制邊坡—溝道整治工程生態安全調控技術;針對壩系洪災隱患與壩地安全利用問題，研發壩系安全運行與資源安全高效利用技術;探究保障生態安全的溝道—坡面治理工程規劃設計與施工技術，集成坡體-植被、邊坡—溝道以及溝道-壩系協同的生態災害阻控技術，構建溝道—坡面治理工程生態安全保障技術體系，開展縣域試驗示范，制定溝道及坡面治理工程生態安全保障技術規程。

[關鍵詞] 黃土高原;生態安全;溝坡;邊坡;溝道

[中圖分類號] S157 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）12-112-2

黃土丘陵溝壑區是我國生態建設的重點和難點區域。近30多年來，通過實施小流域綜合治理、退耕還林、淤地壩建設與治溝造地等系列工程，植被恢復與水土保持取得明顯成效，但仍面臨坡體—植被系統失穩、邊坡滑塌、溝道填方沉降以及壩系連鎖潰壩等生態風險和安全隱患問題，急需深化溝道及坡面治理工程生態安全保障的重大理論、工程技術與典型示范研究，為流域綜合治理工程實施及生態災害防控提供技術支撐。

1 國內外研究現狀及技術難題

黃土高原地形復雜、生態脆弱，黃土丘陵溝壑區更是全球水土流失最嚴重的地區之一[1]。坡溝系統是該區流域的重要組成單元，也是控制水土流失、恢復與重建生態環境的基本治理單元。溝道及坡面治理工程是該地區生態建設的主要措施。大規模治理條件下，既要強調治理工程的有效性，更要強調持續性和安全性。隨著我國經濟社會的快速發展，黃土高原溝道及坡面治理工程投入強度和建設規模不斷增大。特別是自1999年以來，黃土高原地區相繼開展了退耕還林、壩系建設、坡改梯以及溝道造地等大規模水土保持生態建設活動，區域土地利用和生態環境發生了深刻變化[2]，顯著改變了黃河流域水沙情勢，也提升了區域生態系統服務功能[3]，明顯改善了居民生活[4]。然而，黃土丘陵溝壑區坡溝治理在取得巨大成效的同時，由于一些機制不夠明晰、技術不夠成熟以及施工工藝欠缺等問題，面臨的生態安全問題日益突出：①由于坡體—植被系統的穩定性機理尚不明確，坡體—植被系統失穩現象頻發，坡體植被的優化配置模式仍不成熟，水土流失問題依然嚴峻[5];②坡溝治理工程緩解了耕地緊張的壓力，鞏固了退耕還林成果，但高邊坡穩定性差、新造土地不均勻沉降及鹽堿化加劇等問題時有發生，因此構建穩定的邊坡—溝道復合系統、研發坡溝治理生態調控關鍵技術是保障流域生態安全的迫切需求[6];③淤地壩是流域綜合治理體系中的關鍵防線，通過“攔、蓄、淤”既能將洪水泥沙就地攔蓄，有效防止水土流失，又能形成壩地，充分利用水土資源，但淤地壩水毀事件頻發[7-8]，壩地水沙資源化安全利用等方面面臨技術瓶頸。近年來，在全球氣候變化下，黃土高原局地極端暴雨頻發，流域生態安全受到新的威脅。因此，急需深入研究溝道及坡面治理工程對流域生態安全的影響機制、過程與效應，研發和集成以保障流域生態安全為根本前提的溝道及坡面治理技術。

2 黃土丘陵溝壑區坡面治理急需解決的關鍵問題

2.1 流域生態災害演變過程與阻控機制

本項目的核心目標是研發流域溝道—坡面治理工程的生態安全保障技術。為實現這一目標，需要準確識別影響流域生態安全的主要脅迫因子與生態風險。為此，需要明確流域生態災害的演變過程與規律，量化自然和人為活動因子對生態災害演變過程的影響，解決生態災害演變及阻控機制問題，并將其作為建立生態安全保障技術體系的理論基礎。具體地，擬從流域和坡溝系統綜合視角建立多尺度流域生態系統演化分析理論框架，基于野外調查、綜合測度以及模型模擬，系統梳理影響流域生態安全的主控因素，分析流域生態安全脅迫因素與生態風險誘發因素，揭示溝道及坡面治理工程對流域生態安全的影響機制、流域生態災害的時空演變特征及阻控機制。

2.2 溝道與坡面治理工程提升流域生態安全的協同機理

實現流域生態系統的健康穩定與可持續發展已成為當務之急，而已有研究多側重于溝道、坡面治理工程的單一效應，對于綜合考慮溝道—坡面治理工程、提升流域生態安全的協同作用研究亟待深入。小流域作為黃土丘陵溝壑區生態治理的基本單元，其生態安全同時受坡面和溝道治理工程的影響。溝道與坡面治理工程的生態效應相互影響、相互疊加，研究溝道-坡面治理工程提升流域生態安全的協同作用及機理，是研發溝道—坡面協同治理、提升流域生態安全關鍵技術的理論基礎。

2.3 溝道及坡面治理工程生態效應測度技術

揭示溝道及坡面治理工程的生態安全效應和識別致災主控因素，是研制溝道及坡面治理工程生態安全保障技術和評估示范工程生態安全保障成效的基本前提。現有生態安全效應評價多基于遙感和社會經濟統計數據在宏觀區域尺度開展，難以滿足坡面、溝道以及流域等微觀尺度的溝坡治理工程的生態安全效應評估需要。因此，針對溝道及坡面治理工程的生態安全效應測度技術，成為本研究要突破的關鍵技術問題之一。擬基于溝道調查與建模分析、定位觀測與過程解析，研制適用于小尺度區域的坡溝治理工程生態安全效應評估指標體系與權重、基準參數與閾值，進而在形成測度技術方面取得突破。

2.4 坡體—植被系統生態穩定性提升技術

針對坡體—植被系統穩定性低下、生態災害頻發、植被—土體一體化配置模式穩定性差等問題，診斷影響坡體-植被系統穩定性的主控因素，構建坡體—植被系統穩定性快速診斷模型，評價坡體-植被系統失穩引發流域生態災害的風險;建立坡體—植被系統根系特性與根土復合體穩定性間的定量關系，闡明坡體—植被系統生態水文與水土保持效應，確定適宜的草灌種類及配置模式，提出坡體—植被系統生態穩定性提升技術。

2.5 邊坡工程—溝道整治生態安全調控技術

針對黃土高原已實施的“治溝造地”“削山造城”等大型坡溝整治工程導致下墊面劇烈改變、人工切削高陡邊坡、新造土地生態災害隱患等突出問題，構建人工擾動邊坡工程安全防控與生態還綠技術，優化溝道整治工程沉降調控措施，總結溝道整治新增土地的高效利用模式，提出邊坡工程—溝道整治生態安全調控技術。

2.6 壩系工程水土資源安全高效利用技術

針對溝道洪災頻發、淤地壩水毀風險高以及淤地速度慢等流域生態安全和資源化利用問題，研發基于壩系安全的洪水風險評價技術，提出病險淤地壩的快速診斷方法，發展淤地壩系除險加固及功能提升技術，構建淤地壩系防洪安全保障技術體系。通過改進淤地壩泄流排洪方式，促進壩地水—肥—氣—熱耦合，形成淤地壩水沙資源化安全高效利用技術。

3 結語

本文從目前黃土高原坡面存在的生態問題著手，為坡面治理工作的開展提出了如下建議：闡明溝道及坡面治理工程的流域生態安全響應、流域生態災害演變過程與阻控機制，明確溝道與坡面治理工程提升流域生態安全的協同機理與優化配置，為技術創新與優化集成提供理論指引;從保障流域生態安全的綜合視角，研發促進植被恢復、邊坡穩固、壩系穩定、壩地水土安全高效利用的溝道及坡面治理工程一體化技術及其施工工藝;提出溝道及坡面治理工程生態安全保障技術體系與規程，為黃土丘陵溝壑區坡溝治理提供技術支撐，切實促進區域生態安全、生產增效與持續發展。

參考文獻

[1]趙超.黃土溝坡重力侵蝕過程模型試驗研究[D].大連：大連理工大學，2011.

[2]薛凱.利用壩地沉積旋廻研究黃土高原小流域泥沙來源演變規律[D].北京：中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態環境研究中心），2011.

[3]楊吉山，姚文藝，馬三保，等.黃土高原溝壑區小型重力侵蝕影響因素分析[J].水土保持研究，2010（6）：5-8.

[4]張曉霞，李占斌，李鵬，等.黃土高原小流域不同地貌下土壤有機碳的分布特征[J].西安理工大學學報，2010（3）：309-313.

[5]王浩.黃土高塬溝壑區溝坡道路侵蝕特征及植物路防蝕機理研究[D].北京：中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態環境研究中心），2010.

[6]Feng X，Fu B，Piao S. Revegetation in China’s Loess Plateau is approaching sustainable water resource limits[J].Nature Climate Change，2016（11）：1019-1022.

[7]Labrière N，Locatelli B，Laumonier Y，et al. Soil Erosion in the Humid Tropics：A Systematic Quantitative Review[J].Agriculture，Ecosystems amp; Environment，2015（203）：127-139.

[8]Li P，Qian H，Wu J. Environment：Accelerate Research on Land Creation[J].Nature，2014（7503）：29-31.