十大孔兌復合侵蝕區泥沙阻控與近自然生態修復關鍵科學技術問題

摘 要：十大孔兌復合侵蝕區水力侵蝕嚴重、產沙輸沙機理復雜、治理難度大、流域水沙風沙入黃量大、生態系統穩定性差。在闡述區域防沙治沙背景、研究現狀與目標基礎上，指出需要解決的３ 個重大關鍵科學問題：十大孔兌復合侵蝕及洪沙產輸的驅動機制，維持植被生態系統穩定性的廣義水資源承載力及其閾值，十大孔兌泥沙阻控技術和近自然生態修復技術研發與集成。歸納科技創新項目擬解決的關鍵技術問題，并梳理分解為６ 個方面的研究內容：風水復合水土流失過程辨識及水沙合理處置的生態修復空間區劃，基于不同生態修復空間布局和鄉土植物優化配置的泥沙有效阻控技術研發，山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術研發，基于水資源剛性約束的人工退化植被穩定性維持與提質增效技術研發，多位一體近自然生態修復技術體系與模式構建，罕臺川丘陵溝壑區、達拉特旗“三北”工程治理區、黑賴溝恩格貝生態建設區等示范研究。

關鍵詞：泥沙阻控；生態修復；復合侵蝕；十大孔兌；黃河

中圖分類號：Ｓ１５７．２；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．００１

引用格式：張紅武，劉廣全，張寬地，等．十大孔兌復合侵蝕區泥沙阻控與近自然生態修復關鍵科學技術問題［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：１－１０．

１ 研究背景與現狀

１．１ 研究背景

黃河流域鄂爾多斯十大孔兌位于黃河內蒙古段右岸，總面積１０ ７６７ ｋｍ２。該區地處黃土高原和黃河上游，氣候干旱、植被稀疏，是我國水土流失最為嚴重的地區之一，也是國家級水土保持重點治理區［１－２］ 。區內地勢南高北低、西高東低，自西向東依次入黃的１０條支流（也稱十大孔兌） 即毛不拉孔兌、布日嘎斯太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母花溝、東柳溝、呼斯太河［３］ ，從南向北依次流經砒砂巖丘陵溝壑區［４－５］ 、庫布齊沙漠風沙區、沖洪積平原區３ 個侵蝕地貌類型區，可分成水力、風力和復合侵蝕區［３］ ，屬內蒙古中西部３ 個暴雨洪水頻發區之一，水土流失劇烈，區內土壤侵蝕模數為１ ５００ ～ １５ ４００ ｔ／ （ｋｍ２ ·ａ）［６－７］ ，以往年均入黃泥沙約２ ７００ 萬ｔ［８－９］ ，常突發高含沙量洪水，入黃后形成沙壩淤堵干流，造成嚴重災害［２］ ，是黃河內蒙古昭君墳至頭道拐河段地上“懸河”的直接締造者。我們對寧蒙河段頭道拐水文站的年來沙量（代表黃河上游來沙量）與潼關水文站的年來沙量（代表黃河中游進入下游的沙量）之比進行分析（見圖１），采用頭道拐來沙量／ 潼關來沙量代表上游來沙量占比，以１９６５—１９７４ 年、１９６５—１９８４ 年、１９６５—１９９４年分別代表治理以前１０、２０、３０ ａ，表明早期上游來沙量相對于進入下游的沙量占比較小，同后來１９９４—２０２３ 年、２００４—２０２３ 年、２０１４—２０２３ 年（分別代表近３０ ａ、近２０ ａ、近１０ ａ）進行比較，隨著近２０ ａ 進入黃河下游沙量顯著減少［１０－１３］ ，且減少幅度明顯比黃河上游大，致使黃河上游來沙量占比不斷增大，近１０～２０ ａ 占比增大２ 倍以上，個別年份占比高達８５％（如２０１９ 年頭道拐來沙１．４４ 億ｔ，潼關來沙１．６８ 億ｔ，上游占比８５．７１％），出現了“上游來沙不可忽視”的局面，將以往所講“沙在中游”［１４－１７］ 改變成“沙在中上游”似乎更為確切，說明目前研究黃河上游特別是十大孔兌的泥沙治理問題顯得更加重要。

附帶指出，２０２４ 年由于三門峽、小浪底水庫７ 月大量排沙和青銅峽、海勃灣、萬家寨等水庫９ 月下泄大流量排沙，進入下游的沙量接近２ 億ｔ，下游河槽淤積量比前３ ａ 明顯增加，說明黃河中游來沙量顯著減少后，上游來沙量對黃河下游河床沖淤狀態有更直接的影響［１６］ ，同時也說明清華大學在完成水利部有關部門委托的“黃河遠期輸沙蓄水量研究”［１７］ 任務時，給出“即使年來沙量不足２ 億ｔ，黃河下游仍需較大輸沙水量，才能將它們和河床沖刷產生的推移質以及灘邊坍塌入槽的泥沙輸送入海”認識是符合實際的。

近年來，內蒙古自治區積極按照黃河流域生態保護和高質量發展的重大戰略，全面打響黃河“幾字彎”攻堅戰，并制定了相關規劃，多措并舉推進十大孔兌全流域綜合治理。在水利部和黃河水利委員會領導與支持下，先后組織實施了國家水土保持重點工程、晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態減沙工程、淤地壩、攔沙換水試點工程等一批水土保持項目［６］ 。鄂爾多斯市現已累計完成水土流失治理面積近４ 萬ｋｍ２，建成淤地壩約１ ８３０座，水土保持率達到６１．５２％。水土流失面積由１９９５年的７１ １５９ ｋｍ２ 減少到２０２３ 年的３３ ４２８．８９ ｋｍ２，減少了５３．０２％，土壤侵蝕由高強度向低強度轉變，以輕度侵蝕為主，輕度侵蝕面積２３ １７３．９６ ｋｍ２，占水土流失面積的６９．６２％，實現了水土流失面積和強度雙下降，進一步筑牢了祖國北疆重要生態安全屏障，探索總結出了水土流失治理“鄂爾多斯模式”［６］ 。

然而，十大孔兌地處典型生態脆弱區，區域環境、地貌差異懸殊，生態系統連通性差，河道行洪能力不高［１８－１９］ ，入黃泥沙量大，出現了水沙關系不協調［２０］ 、生態治理成果難以持續維持的新形勢［２１－２２］ 。尤其該區是我國重要能源基地，一直是國家治理水土流失和建設“三北”工程的重點地區，流域生態保護與泥沙治理需求極大。為貫徹習近平總書記在加強荒漠化綜合防治和推進“三北”等重點生態工程建設座談會上的重要講話精神，圍繞建設北方生態安全屏障需要，亟須開展十大孔兌風水復合侵蝕區泥沙阻控與近自然生態修復技術集成與示范研究［２３－２４］ 。

１．２ 研究現狀

對于黃河上游泥沙問題，本項目團隊與國內外同行已開展過大量研究。例如，清華大學黃河研究中心２０００ 年在建立的順義水利試驗基地內先后開展了具有防洪治理要求的黃河寧夏與內蒙古河段整治、典型孔兌入黃影響［２］ 、人工降雨侵蝕、淤地壩及壩系布局等大量模型試驗［２］ ，同時在十大孔兌綜合治理減沙效益評價［３］ 與治理對策［２］ 研究等方面已取得較大進展。前些年，清華大學、北京大學、黃河水利科學研究院（以下簡稱黃科院）、黃河勘測規劃設計研究院有限公司、中國科學院地理科學與資源研究所及力學研究所等單位，在系統進行黃河寧蒙河段及其多沙支流模型試驗基礎上，聯合開展“寧蒙黃河治理對策研究”，通過研究孔兌沙源解析及入黃機制、風－水－重力侵蝕產沙機理與輸移過程、孔兌突發性產輸沙對干流的影響等課題，建立了“固－攔－輸－置”流域泥沙綜合防治體系，提出孔兌突發性洪水淤堵干流形成“沙壩”災害的“水沙調控、支流攔沙、堤外放淤”處治模式［２］ 。隨著研究的不斷深入，胡春宏等學者逐漸認識到流域治理技術的重要性［１１］ ，指出對于工程措施需要提高機理認識水平［２３－２５］ 和科學研究能力［２６－２８］ ，采用相對穩定的科學布局［２９］ 和推廣新技術［３０－３１］ ，方能長期發揮工程的調控作用［３２］ ，保障黃河長治久安［３３－３４］ 。目前，研究十大孔兌水沙特性及治理途徑方面的文獻已大量問世，有分析評述［３５－３６］ 、推算［３７－３８］ 、機理試驗［３９－４１］ 及探討［４２－４５］ ，還有遙感調查與分析［４６］ ，為今后進一步研究打下了良好基礎。

植被是改善區域土壤微環境的重要措施［４７－４８］ ，但一旦遭遇極端干旱年份，大范圍植被尤其是草地將遭破壞［４９－５０］ 。植被生態系統受制條件多且很不穩定［５１－５２］ ，廣大地區尤其是西部缺水地區采取的治理措施往往無視氣候和水資源的稟賦條件，僅從植被影響因素出發，忽視植被對于地形地貌的適應性以及空間配置的合理性，治理措施存在單一化、零散化問題，尤其對于協同作用的研究相對薄弱［５３－５５］ 。２０２３ 年清華大學、中國水利水電科學研究院（簡稱中國水科院）與北京大學聯合成立的“鄂爾多斯入黃泥沙量和輸沙規律研究”項目組［５６］ ，在流域數學模型計算所需邊界條件實難落實的現狀下，采用已有水文站不同時期實測資料統計，再根據相鄰孔兌輸沙模數、各自流域面積對無資料孔兌輸沙模數按一定比例折減，推求十大孔兌多年平均輸沙量為２ ７０６ 萬ｔ，以此作為近些年水沙變化預測的基準量，主要是代表大規模治理前的產輸沙狀況，能夠自動體現復雜外營力多重驅動下對孔兌產輸沙的影響。之后，基于明確的物理含義選擇治理投資、流域面積、徑流深、侵蝕模數、比降這五大影響因子，構成系數乘積后，即相對于基準量的減沙百分比。進一步運用河流動力學方法計算懸移質漏測沙量與下游河段淤積變化以及推移質輸沙貢獻，初步得出十大孔兌年入黃沙量為４１８．５４ 萬ｔ，說明近２０ ａ 大規模的治理對于減少十大孔兌入黃泥沙量的作用是巨大的。最近，張紅武與劉廣全在十大孔兌地區調查發現，一些鄉土樹種因經濟效益不高而不受群眾歡迎，有些治理理念未結合多年治理基礎及農牧民意愿，未來須考慮“以水定綠”，構建易被群眾接受且高效穩定的治理模式。前些年降雨較充沛而使某些區域植被生長狀況良好，但２０２２ 年、２０２３ 年鄂爾多斯連續兩年降水量偏少造成油松生長緩慢，黃葉、落葉嚴重，部分枯死，林下灌木和草本植物也發生不同程度凋萎、枯黃，甚至在地下水豐富的灘岸生長的大片單品種樹林因病蟲害而幾乎“全軍覆沒”。此外，在哈什拉川風水梁段部分地勢較平、林草治理基礎好的地區，因沒有工程措施相配合而出現較多侵蝕溝，樹倒草毀現象相當嚴重［２１－２２］ 。顯然，如果不能利用工程手段控制住土壤侵蝕，就不可能維持自然生態系統健康和服務功能發揮。樹木根系物理固結作用增強了土壤抗侵蝕力，但侵蝕溝沿線附近的高大喬木也有可能加劇重力侵蝕［５４］ 。植被會改變土體水文和力學效應，從而影響斜坡穩定，森林加重坡面負荷可能造成溝坡失穩破壞。尤其在大風時樹冠搖動不止，與重力作用疊加下樹倒而導致土體坍塌，周圍喬灌木也難幸免［２０］ 。植被容易退化且受水資源約束，尤其是不同品種植被水分供給閾值差異大，現實中很難調控。這些因素是導致林草植被建植難、穩定性差的根本原因，甚至是人民治黃后大力推進種草植樹數十年而見效緩慢的主要原因［４］ ，因此針對十大孔兌治理，亟待開展多措施結合的技術研發。

目前，還缺乏土壤侵蝕影響因素數據集的研究成果［５７－５８］ ，采用無人機結合遙感影像進行動態監測精度較低，亟須辨識風水復合水土流失過程。傳統水土保持措施也有局限性［５９－６０］ ，例如，孔兌周邊為保塬將水排入溝川，導致溝岸重力侵蝕嚴重，處于顧此失彼局面，并給孔兌入黃提供了沙源。上述狀況，充分說明十大孔兌流域近自然生態修復技術研究［５５］ 依然面臨巨大挑戰。

１．３ 研究目標

黃河流域防沙治沙研究屬于事關國計民生、需要長期推進的重大社會公益性研究，隨著學科進步、模擬手段發展、工程材料改進和國家實力增強，十大孔兌治理將面臨新機遇和挑戰，具有廣闊的發展前景。為此，本項目研究目標是針對十大孔兌流域風沙水沙入黃治理難度大、林草植被建植難、穩定性差等問題，形成以泥沙阻控、雨洪水有效補給黃河干流的生態修復空間區劃，提出基于空間布局和鄉土植物優化配置的泥沙阻控技術、復合侵蝕區山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術、基于水資源剛性約束的人工退化植被穩定性維持與提質增效技術，構建不同生態修復空間多位一體的近自然生態修復技術體系與模式，并選取不同孔兌典型區域開展應用示范研究，持續性支撐和引領黃河治理開發研究這一涉及國民經濟和社會發展的重要研發領域。

為此，內蒙古自治區水利科學研究院（簡稱內蒙古水科院）響應自治區“揭榜掛帥”項目“十大孔兌風水復合侵蝕區泥沙阻控與近自然生態修復技術集成與示范研究” 指南，聯合清華大學、西北農林科技大學（簡稱西農大）、中國水利水電科學研究院（簡稱中國水科院）、黃科院、北京師范大學、內蒙古林草種苗總站、達拉特旗白土梁林場、大連理工大學、延安大學等多家單位，由張紅武任項目負責人兼首席科學家，陳正新任首席專家，積極申報并成功揭榜；成立了以中科院院士張楚漢為組長，由費祥俊、寧遠、王浩、康紹忠等著名專家組成的專家顧問組，為項目研究工作順利實施提供強大的技術力量保障。

２ 需要解決的關鍵科學技術問題與技術路線

２．１ 關鍵科學技術問題

針對十大孔兌上游砒砂巖區水力侵蝕嚴重、治理難度大、風沙水沙入黃量大及生態系統穩定性差等問題和多方面技術需求，需要解決如下３ 個方面的重大關鍵科學問題。

１）十大孔兌復合侵蝕及洪沙產輸的驅動機制。十大孔兌包含丘陵溝壑、風沙與平原３ 種地貌，具有水力、風力、復合侵蝕３ 種侵蝕區，尤其復合侵蝕區侵蝕時間交錯、空間疊加，生態環境脆弱，水土流失劇烈，屬于黃河多沙粗沙主要源區。如何識別復合侵蝕及洪沙產輸驅動因子、揭示十大孔兌高含沙洪水的形成機制，是本項目必須解決的關鍵科學問題之一。

２）維持植被生態系統穩定性的廣義水資源承載力及其閾值。十大孔兌水資源短缺，林草植被穩定性差，尤其人工植被退化嚴重，在水資源剛性約束條件下，如何實現人工植被物種優選與合理配置、提升人工植被穩定性及其質效、確定維持植被穩定性的水資源承載力及其閾值，是本項目必須解決的關鍵科學問題之二。

３）十大孔兌泥沙阻控技術和近自然生態修復技術的研發與集成。以提升十大孔兌水沙處置、生態服務、經濟社會等功能為目標，因地制宜研發侵蝕源泥沙阻控、防風固沙和滯水減蝕技術，如何通過技術研發、系統示范等手段，實現山水林田湖草沙全方位泥沙阻控技術與近自然生態修復技術體系集成，是本項目必須解決的關鍵科學問題之三。

此外，針對多學科復雜技術研發，凝練出４ 個需要解決的關鍵技術問題：１）不同類型區人工植被提質增效關鍵技術；２）復合侵蝕區山水林田湖草沙多維梯級協同治理關鍵技術；３）不同生態修復空間泥沙阻控關鍵技術；４） 多位一體近自然生態修復技術體系與模式。

２．２ 技術路線

采用“天空地”一體化監測分析手段，開展十大孔兌生態要素時空分布特征及水土流失過程、規律研究，采用多學科交叉研究途徑，識別水力侵蝕機理與多維梯度調控原理，運用水文生態系統水熱通量監測網、水情預報軟件平臺等，獲取水文及生態環境數據，分析辨識風水復合水土流失過程，開展水沙合理處置的空間區劃，在數字流域平臺上集成水土－泥沙－植被耦合模塊，構建山水林田湖草沙多維生態系統協同治理生態模型，利用高性能計算機集群開展大時空尺度多元多相多要素耦合并行計算，評價治理效果。以問題和目標為導向，結合現有區域溝道水土保持與泥沙阻控技術體系，開展工程建設與維護關鍵技術研究。為克服調研、數模與模型試驗等手段的局限性，需通過系統開展典型示范工程提升最終成果。

３ 需要開展研究的重點內容

本項目緊扣十大孔兌區位地理地貌特征和水資源稟賦條件，在“以水定綠”的生態治理理念指導下，開展如下６ 個方面的研究（相應分成６ 個課題，由不同單位的專家團隊主持完成，各課題之間的邏輯關系見圖２）。

３．１ 風水復合水土流失過程辨識及水沙合理處置的生態修復空間區劃

該課題（主持單位為黃科院）分為如下５ 個專題（下文專題名稱后標注主持完成單位）。

３．１．１ 風水復合侵蝕時空分異特征（大連理工大學）

分析十大孔兌風水復合侵蝕區地形地貌、植被、土壤、氣候等多元多相環境要素特征及其空間分異性，辨識影響十大孔兌風水復合侵蝕的主導因子，闡明風水復合侵蝕對主導因子的時空響應關系，揭示風水復合侵蝕時空分異特征，提出復合侵蝕類型及其空間劃分。

３．１．２ 多元多相復合侵蝕過程及驅動機制（北京師范大學）

研究不同侵蝕類型區坡頂、坡面、溝坡、溝道等地貌單元水沙傳輸過程特征；研究地形、降水、植被、土壤等因子對泥沙產輸及雨洪水過程的影響，明晰風沙入黃路徑及高含沙洪水來源區域；揭示不同侵蝕類型區水土流失過程對多元多相驅動力的響應機制。

３．１．３ 風水復合洪沙產輸過程模擬（黃科院）

建立多元多相復合侵蝕區坡面、溝坡、溝道等地貌單元洪沙產輸過程定量數學表達式，構建基于水文響應單元的水蝕－風蝕耦合過程模型；優化水文響應單元空間離散方法，模擬不同組合水文響應單元流域洪水泥沙產輸過程，識別最優的水文響應單元洪沙產輸過程。

３．１．４ 生態功能空間分異規律（黃科院）

闡明不同侵蝕類型區自然植被類型、結構、群落及空間分布；分析孔兌流域自然植被空間格局分布成因；構建孔兌不同侵蝕類型區生態功能空間分異評價指標體系，明晰不同侵蝕類型區生態功能空間分布規律。

３．１．５ 基于水沙合理處置的生態修復空間區劃（黃科院）

辨識十大孔兌風沙、水沙、復合水土流失及雨洪水產區空間分布及其與黃河干流的傳輸補給關系；闡明十大孔兌泥沙阻控、雨洪有效補給黃河干流區劃目標權衡與協同格局；建立生態修復空間區劃指標，構建復合侵蝕分區－生態功能空間分異－地形地貌差異－水沙合理處置的生態修復空間區劃體系，提出十大孔兌生態修復空間區劃方案。

３．２ 基于不同生態修復空間布局和鄉土植物優化配置的泥沙有效阻控技術研發

該課題（主持單位為西農大）分為如下４ 個專題。

３．２．１ 丘陵溝壑區鄉土植物優化配置（西農大）

調查研究丘陵溝壑區不同立地條件下土地利用方式、不同鄉土植被群落配置對溝坡不同形式土壤侵蝕強度的影響與作用，篩選和培育耐旱、固土的鄉土草樹種，研發基于生態修復空間布局的鄉土植被減蝕技術和實施方式，分析優化配置效果。

３．２．２ 風沙區鄉土植物空間優化布置及防風阻沙技術（北京師范大學）

采用基于光滑粒子流體動力學的風沙數值模型及侵蝕驅動因子識別技術，量化不同植被對風沙運動及阻沙的影響，優化喬木－灌木－草本植物空間格局，研發沙漠鎖邊和沙障林草長效固沙技術，集成垂直空間立體覆蓋的防風阻沙帶布置模式。

３．２．３ 平原區植被格局及作物種植結構與輪作休耕制度優化（西農大）

調查分析平原區植被分布格局對泥沙阻控的影響與作用，優化植被分布格局；解析作物不同生育期對土壤侵蝕的影響機制，針對風蝕嚴重的現狀改變耕作方式和開展免耕播種機具研發，構建最佳的輪作休耕制度及作物種植結構。

３．２．４ 復合侵蝕區多級協同措施阻沙技術（清華大學）

運用山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術，綜合工程布控、封育保護和退化植被重建等防蝕措施，研究植物措施與工程措施協同的防控技術，通過描述植被與工程減蝕的力學圖形，揭示不同阻沙措施空間布局對侵蝕產沙的影響機理，構建多級聯動、協同發力的復合侵蝕區泥沙阻控技術體系。

３．３ 復合侵蝕區山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術研發

該課題（主持單位為中國水科院），分為如下４ 個專題。

３．３．１ 生態要素時空分布特征與演化規律（西農大）

基于多源遙感數據及水文氣象資料，解析復合侵蝕區生態要素的時空變異特征，分析多沙源供沙、多營力產沙、多形式侵蝕、多動因驅動輸沙等機理；研究氣候變化和治理措施驅動下流域復合侵蝕的演化規律，量化典型流域生態環境變化對流域復合侵蝕過程的調控效應。

３．３．２ 多維生態系統協同治理模型構建（延安大學）

基于“３Ｓ”技術與生態要素演化規律，開展不同治理模式下流域水沙與生態要素耦合關系研究，探索水土－泥沙－植被互動機制，在理論創新基礎上，構建復合侵蝕區山水林田湖草沙多維生態系統協同治理模型，并進行水沙預測計算。

３．３．３ 協同治理模型參數率定及技術研發（中國水科院）

開展典型生態系統不同地帶小流域降雨侵蝕模型試驗和協同治理過程模擬，結合實地觀測數據，率定多維生態系統協同治理模型參數；通過實體模型模擬與野外觀測試驗，研發復合侵蝕區山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術體系。

３．３．４ 多維梯級協同治理效果評價體系構建（中國水科院）

利用復合侵蝕區山水林田湖草沙多維生態系統協同治理模型，計算不同時空格局配置方案的侵蝕產沙量；基于云模型理論，建立山水林田湖草沙多維梯級治理效果評價體系，評價十大孔兌山水林田湖草沙不同時空格局配置方案的治理效果。

３．４ 基于水資源剛性約束的人工退化植被穩定性維持與提質增效技術研發

該課題（主持單位為西農大）分為如下４ 個專題。

３．４．１ 廣義水資源時空分布與人工植被演化規律（西農大）

分析十大孔兌廣義水資源來源、分布、水質和儲量，闡明降水、地表水、地下水以及疏干水的動態及時空分異規律；研究不同生態修復區人工植被種類構成、分布與演化，評價人工植被的受損類型和退化程度，揭示廣義水資源時空分布狀況下人工植被演化過程與規律。

３．４．２ 廣義水資源承載力及其閾值確定（西農大）

基于“以水定綠”原則，探究不同生態修復區喬－灌－草人工植被的水分利用效率和蒸騰耗水規律，結合植物需水和區域水資源情況，分析生態修復效果與水資源的定量關系，分區確定水資源剛性約束條件下的人工植被水資源承載力及其閾值。

３．４．３ 人工退化植被穩定性維持技術（西農大）

基于對不同類型生態修復區人工退化植被的識別和評估，開展不同立地條件下喬－灌－草植被種類優選，尋求人工退化植被穩定性維持路徑，構建不同空間配置模式，通過野外試驗觀測，研發人工退化植被結構與功能穩定性維持技術，提升人工植被穩定性維持能力。

３．４．４ 人工退化植被提質增效技術（中國水科院）

針對不同土壤侵蝕類型生態修復區，從水資源高效利用、土壤改良、退化植被恢復與質量提升等角度，在水資源剛性約束條件下，增強典型人工植被生態高效服務功能，研發人工退化植被穩定性維持和提質增效技術。

３．５ 不同生態修復空間多位一體的近自然生態修復技術體系與模式構建

該課題（主持單位為內蒙古水科院）分為如下５個專題。

３．５．１ 丘陵溝壑水蝕區近自然侵蝕源阻斷與阻沙技術體系構建（內蒙古水科院，清華大學）

針對丘陵溝壑區水力侵蝕模數大、生態環境脆弱等問題，利用鄉土植物適生優勢與溝坡治理工程攔沙優勢，構建工程措施和草樹種覆被技術、封育保護相結合的多級聯動、協同發力的近自然侵蝕源阻斷及阻沙技術體系。

３．５．２ 上中游復合侵蝕區近自然防風滯水防蝕技術體系構建（內蒙古水科院）

針對上中游復合侵蝕區水力和風力侵蝕時間交錯、空間疊加的特點，運用山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術，綜合工程布控、封育保護和退化植被重建等防蝕措施，構建多維梯級協同發力的近自然防風滯水防蝕技術體系。

３．５．３ 中下游風沙區近自然防風阻沙技術體系構建（內蒙古水科院）

針對中下游風沙區裸露沙地風力侵蝕嚴重、防風固沙難度大效果差的特點，應用沙漠鎖邊固沙和沙障林草固沙等技術，優化喬－灌－草植物空間格局，構建多元聯防、垂直空間立體覆蓋的防風阻沙帶布置近自然技術體系。

３．５．４ 下游平原區溝道泥沙處置和雨洪水補給黃河技術體系構建（內蒙古水科院）

針對下游平原區植被空間分布差異大、耕作措施不合理的狀況，應用基于水資源剛性約束的人工退化植被穩定性維持與提質增效技術，優化輪作休耕制度和作物種植結構，構建溝道泥沙處置和雨洪水有效補給黃河干流的技術體系，進一步探索攔沙換水制度。

３．５．５ 十大孔兌泥沙阻控對黃河內蒙古段沖淤影響預測（中國水科院）

研究十大孔兌水沙輸移及入黃過程，構建黃河內蒙古河段水沙數學模型，研究不同泥沙阻控技術對孔兌下游水沙輸移和黃河內蒙古段沖淤演變的影響，評估不同泥沙阻控方案的效果。

３．６ 十大孔兌泥沙阻控與近自然生態修復技術示范

本項目負責人兼首席科學家近些年主持完成“十三五”國家重點研發計劃專項“黃河下游與灘區治理研究”的經驗表明，野外示范工程建設是圓滿完成大型科技創新項目任務的關鍵環節。為此，本項目專門設置了技術應用治理示范研究課題，該課題（主持單位為清華大學）分為如下５ 個專題。

３．６．１ 罕臺川丘陵溝壑區新型筑壩工藝及周邊侵蝕溝坡綜合治理技術示范（ 清華大學，內蒙古水科院）

土壤嚴重侵蝕區建設淤地壩能抬高侵蝕基準面、增強坡溝系統的水沙調控作用和穩定性，從而成為攔減入黃泥沙最為顯著的工程措施。但傳統淤地壩潰決風險高，為滿足均質筑壩要求毀壞了大量坡耕地與林草地，對生態環境破壞嚴重，限制了當地干群對修建淤地壩的積極性。本專題采用清華大學與中國水科院聯合研發的鋼混預制管板樁組合法修建淤地壩新技術，通過在罕臺川一級支溝郝家渠選擇淤地壩壩址，開展測量、勘察與工程設計，明確新技術的實施要點，充分體現出淤地壩新技術工程基礎深、防洪能力強、施工進度快、攔沙滯洪庫容大、造價低、管護壓力小等優點，能明顯減小淤地壩建設占用坡耕地或林草地的面積，對生態環境影響較小，有利于病險老舊淤地壩的提質增效，確保工程安全和持續攔沙。此外，由鋼混板樁組合而成的排水建筑物、溢洪道，可有針對性地克服傳統工程的缺陷。為改善生態環境，壩上游溝底挖出緩滯池，率先接納初期洪水，使靠近上游壩坡的洪水勢頭大為減弱，有效緩解洪水對于壩體的直接沖擊，并擴大淤地壩的攔沙庫容，降低單位攔沙投資；而在壩下游溝中挖成的出流池有利于溢洪道泄流后水流的自然調整。再結合周邊侵蝕溝坡協同治理技術研發、侵蝕溝道治理與雨洪利用試驗，開展丘陵溝壑區綜合治理技術示范研究，體現出攔沙工程水沙調控功能、改善生態－經濟系統配置格局，從而能夠統籌山水林田湖草沙系統治理的效果，對于黃河流域水沙－生態－經濟系統協同發展具有示范性。此外，內蒙古水科院還在此利用原狀土改性技術進行預制塊護坡示范研究。

３．６．２ 復合侵蝕區山水林田湖草沙多維阻沙梯級協同治理技術示范（清華大學，中國水科院）

哈什拉川大納林段右岸紅山崖形成綿延數千米的巖墻峭壁，溝坡垂直，為鄂爾多斯高原系洪積形成的活標本，內含較多遠古動物化石，保護價值巨大，行政隸屬風水梁鎮大納林村。山崖頂部保塬排水不得不進入哈什拉川，導致右岸山崖侵蝕尤其是重力侵蝕非常嚴重，處于“越沖越陡，越陡越沖”“越沖集水面積越大、水量越多、侵蝕越嚴重”的惡性循環之中，紅山崖遭到破壞的同時，給孔兌入黃提供了沙源，亟須采取保護與治理措施。本專題選擇馬三廟等４ 條支溝及相關侵蝕區域，通過修建溝頭防護、壩系布局、溝口防護、澇池納流、攔洪減蝕、阻流防蝕埂、雨洪利用等形式多樣的工程（必要時將“澇池”高標準修建成“湖”，以便構建山水林田湖草沙一體化保護和系統治理、綜合治理模式），研究溝頭、坡面、溝岸水沙風沙土壤侵蝕防治的效果，構建山水林田湖草沙全要素阻沙梯級協同治理模式與展示平臺，體現山水林田湖草沙一體化保護和系統治理、綜合治理理念，探索水土保持工程提質增效之路，實現系統修復生態目標及坡溝岸水沙有效控制，最終目標是實現治溝保塬和有效減少入黃泥沙。

３．６．３ 達拉特旗“三北” 工程治理區草樹種優化配置近自然生態修復技術示范（ 內蒙古水科院，內蒙古林草種苗總站，達拉特旗白土梁林場）

在十大孔兌“三北”工程治理區選擇“丘陵溝壑－沙地－川灘”流域相關區域，在鄉土植物挖潛和水土保持工程措施耦合的近自然生態泥沙阻控技術研發基礎上，基于不同生態修復空間布局和鄉土植物優化配置的泥沙阻控技術，著重在十大孔兌下游選取大面積平原地塊，明晰植被分布格局對泥沙阻控的影響，優化植被分布格局，增加生態治理內生動力。通過試驗探索和技術研發，搞好作物布局，進行合理耕作：改變傳統播種技術，減少風蝕，增強土壤保墑能力，實行部分免耕、局部深耕相結合的工藝，進行保護性耕作，減少耕層土壤擾動，增加地表覆蓋；對旱地作物進行淺中耕，切斷土壤表層毛細管，抑制土壤水分蒸騰，增強抗旱能力；關注天氣變化情況，雨前及時進行深中耕，提高土壤保墑能力，以土蓄水，增強土壤吸收水分能力，構建侵蝕最小的輪作休耕制度及作物種植結構。通過實測資料分析，判斷利用近自然高效植被措施的可持續性，以及是否需要其他工程保證措施，尋求提升生態系統碳匯能力的新途徑，開展近自然生態修復技術體系集成研究及示范。

３．６．４ 哈什拉川風水梁林場林草和工程措施協同治理示范（清華大學，內蒙古水科院）

在哈什拉川右岸侵蝕類型與溝道形態多樣的風水梁林場區域，構建符合觀測要求的試驗平臺，科學設置溝頭防護工程與控制性工程，其間采用綠色技術與新工藝，因地制宜實施生物谷坊等阻沙工程和新式壩體結構（如組裝式混凝土壩），在保證治理效果的同時，提高同周邊自然環境的和諧性，開展林草和工程措施協同治理侵蝕溝道示范研究，觀測對侵蝕溝松散物質的攔擋和固定作用。針對生物谷坊的布設區立地條件、樹種選擇和典型設計進行研究，對其阻沙防治效果進行評價，以提高治理工程的綠色設計、綠色施工水平。此外，調研發現鄂爾多斯乃至我國大部分地區公路兩側侵蝕溝密度明顯大于自然狀況，主要原因是路面產流經排水溝下泄一定長度后，因流量沿程增大而溢流到坡面形成沖溝。為減少排水溢流影響，常將雨水引至旁邊，致使侵蝕破壞嚴重，幾年即形成寬而深的侵蝕溝。為此，本專題還在德敖線公路排水導致大納林林場侵蝕而成的多條溝道內，開展公路排水侵蝕溝道治理示范研究，通過研發防治措施找出解決途徑，遏制排水對路旁林草措施治理區不斷侵蝕發展的勢頭；再結合哈什拉川上游其他典型侵蝕溝道治理試驗，完成哈什拉川典型流域林草和水土保持工程措施協同治理示范研究。

３．６．５ 黑賴溝恩格貝生態建設防風固沙技術示范（內蒙古水科院，清華大學，達拉特旗白土梁林場）

基于相關課題研究成果，選擇恩格貝典型區域進行示范研究。在現場治理試驗基礎上，觀測不同植被及治理措施對風沙運動及阻沙的影響，量化風沙區防沙治沙措施的阻沙效果，找出各類沙障治沙與灌草及喬灌草阻沙技術存在的問題。

根據孔兌風沙區河段沙源主要為左右岸風積沙的現狀，以及左右岸風積沙向孔兌輸移特征、風沙入溝路徑和輸沙量，研究孔兌左右岸沙漠鎖邊和沙障林草長效固沙技術、基于水資源約束的植被結構與功能穩定性維持技術，集成中游風沙區多元聯防近自然防風阻沙技術體系。

３．６．６ 西柳溝及溝口治理等其他示范內容

為確保本課題研究成果解決問題的能力，對上述５ 個專題以外的應用示范研究也應重視。例如，對于土壤侵蝕最典型的西柳溝，不僅在龍頭拐等區域進行坡－溝－岸風沙水沙阻控技術研發，利用新材料、新工藝、新技術開展治理示范，研究溝頭、坡面、溝岸風沙水沙土壤侵蝕防治的效果，而且著重開展孔兌洪水入黃后新型險工控導技術示范，即在丘陵溝壑區布設溝頭防護工程、谷坊，在風沙區研發新型防風固沙技術，在下游區尤其是孔兌入黃口右側柳林圪旦上段下延壩垛工程尾部續建新科技險工，對西柳溝入黃后應急穩定河勢、保護堤防、遏制灘地農田坍塌發揮作用，減少對黃河局部淤積和行洪通道的影響。通過施工、觀測和資料分析，完成示范研究。目前，初步建立的治理示范工程已初具規模。水利部及水利部水土保持司領導曾經到示范工程現場，觀看了項目組修建的溝頭防護、壩系布局、溝口防護、攔洪減蝕、跌坎治理、排水消力、柔性滯洪、壩系控制、挑流防沖、阻流防蝕埂、澇池納流、雨洪利用等形式多樣的工程４０ 多座（套），提出了進一步創新的指導性意見。

此外，為擴大應用示范的范圍，在鄂爾多斯市政府支持下，清華大學擬在恩格貝生態示范區開展３Ｄ 打印淤地壩技術和聲波增雨技術推廣應用示范研究。前者３Ｄ 打印智能建造技術具有諸多優勢，可減少人工作業、提高施工效率，提高壩體的整體性、穩定性和耐久性，能根據需要進行黃土基打印材料的性能優化，提高力學性能和抗沖性，最終多措并舉提高淤地壩的安全性，擬在當地周邊中小型淤地壩開展示范建設，就地利用達拉特旗秸稈纖維；后者原理是在云層條件滿足要求的前提下，利用對空發射的強聲波增加降水量，擬在黃河“幾字彎”攻堅戰和鄂爾多斯市地下水超采治理中應用。相關新技術將在黃河流域山東、寧夏等省（區）推廣應用，為豐富項目研究內容創造了條件。

４ 結束語

本文分析認為，在黃河流域產輸沙量大為減少的條件下，黃河上游近１０～２０ ａ 來沙量相對于黃河中游進入下游的沙量占比提高２ 倍以上，個別年份占比高達８５％，表明重視黃河上游尤其是十大孔兌治理，對于遏制內蒙古河段河床持續抬高、減輕黃河下游防洪壓力、保護兩岸經濟社會發展和人民生命財產安全十分必要，也十分迫切。為此，擬開展以大規模室內試驗及現場示范工程觀測資料、研發技術和探索認識為基礎，依托十大孔兌流域風水復合侵蝕區地表多元多相復合水土流失過程辨識及水沙合理處置的生態修復空間區劃等課題研究，以破解復合侵蝕及流域產輸沙的驅動機制等關鍵科學問題為突破口，整合不同類型土壤侵蝕有效阻控技術、山水林田湖草沙多維梯級協同治理技術研發成果，對以水資源剛性約束為核心的人工退化植被穩定性維持與提質增效技術體系進行分析與檢驗，借助典型實測資料率定需水閾值等指標參數，對構建的不同生態修復空間多位一體近自然生態修復等技術體系與模式加以修正和完善，完成系統技術集成與示范研究。其預期成果可為區域山水林田湖草沙多維梯度協同治理體系構建提供核心技術，構建水資源剛性約束下十大孔兌溝道阻沙工程體系和工程措施水土保持效益評估方法，為進一步推廣區域水土保持與泥沙阻控工程措施體系提供支撐，同時為促進黃河流域泥沙阻控與近自然生態修復以及高質量發展提供技術參考。

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【責任編輯 許立新】

基金項目：內蒙古自治區科技重大專項（２０２４ＪＢＧＳ００１６）；鄂爾多斯市水利科技重點基金資助項目（２０２３２００００９０）