引言
黄河是中华民族的母亲河,孕育了灿烂的中华文明。然而,特殊的自然条件和频繁的人类活动,使得黄土高原成为世界上水土流失面积最广、侵蚀强度最大的地区。黄土高原地区严重的水土流失导致生态环境脆弱、生态系统退化,直接影响了黄河安澜,加剧了荒漠化发展和伴生灾害发生,严重制约了黄河生态安全保护屏障和生态建设的发展。黄土高原地区特殊的自然环境决定了其水土流失类型多样、成因复杂,治理难度非常大。新中国成立以来,我国不断加强黄河流域水土保持科学试验和研究工作,取得了丰硕的成果,为黄土高原水土流失治理和黄河流域综合治理开发提供了技术支撑。本研究对黄河流域水土保持科研的进展和成效进行了回顾,以期为新时期黄土高原水土流失治理提供参考[1]。
1黄河流域水土保持科研进展
1.1水土保持基本理论研究
水土流失规律研究。天水水土保持科学试验站的创建,标志着我国开始了黄土高原水土流失规律研究的试验观测工作,之后野外观测工作蓬勃发展,相继建立了黄河水利委员会绥德、西峰水土保持科学试验站,以及离石、安塞、长武、嵩县等多个水土保持野外试验站[2]。试验站多采用标准小区试验的方法,研究土壤侵蚀与降雨、坡度、坡长、耕作方式等因素的定量关系,确定坡耕地退耕的临界坡度,探讨坡耕地侵蚀方式及其侵蚀产沙过程,在黄土坡面径流水力特性及侵蚀动力机制、侵蚀过程对植被空间布局的响应、坡面－沟道耦合系统侵蚀产沙关系、河道系统演化过程对水土保持治理措施配置模式的响应等方面取得了大量研究成果,促进了我国侵蚀动力学研究的发展。坝系相对稳定的概念最初是受天然聚湫的启发而提出的[3]。
1.2水土流失治理技术研究
新中国成立以来,黄土高原地区的水土流失治理在实践中不断创新,治理模式逐渐由单一治理转为工程、生物和耕作措施相结合,由分散治理转为集中连片规模治理、突出沟道坝系建设,由单一效益转为生态、社会和经济综合效益。科研人员开展了水土保持工程措施、植物措施、耕作措施等多项专题措施研究,包括水坠法筑坝、定向爆破筑坝、机修梯田、飞播造林种草等。砒砂岩区抗蚀促生治理技术[4]。
1.3水土保持科研平台建设
2011年,“水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室”获水利部认定批复。实验室成立以来,建成了世界上规模最大的人工模拟降雨试验大厅,在野外建成了天水大型人工模拟降雨试验基地、十大孔兑生态水文观测基地、鄂尔多斯高原砒砂岩区复合侵蚀准格尔旗观测站等一批野外观测站点,为基础观测数据的积累起到了重要的助推作用[5]。
2黄河流域主要科研成果
2.1黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型及工程应用研究
黄科院联合国内相关高校从20世纪90年代后期开始,开展了黄土高原土壤流失模型、支持系统和应用黄河流域水土保持科研进展及成效研究,揭示了黄土高原土壤在陡坡环境下的侵蚀机理和规律,建立了沟道重力侵蚀、流域次洪水泥沙输移比模式;创建了具有自主知识产权的复杂侵蚀环境下的栅格型分布式土壤流失模型,实现了侵蚀产沙过程的参数化分析、空间解集与聚集、无资料地区土壤流失模拟的匹配。
2.2粗泥沙集中来源区界定与水沙变化
由科技部、水利部和治黄专项等科技项目资助,黄科院、黄河水利委员会水文局等单位集成创新,提出了沉积旋回层物理探测、水文泥沙均衡分析、河床演变模拟反演的粗泥沙集中来源区识别技术与界定指标体系,界定了粗泥沙集中来源区面积1.88万km2,确定了黄土高原水土保持措施类型、质量与时空格局,创建了基于下垫面抗蚀力的人类活动对产沙影响的评价模型、蓄满产流与超渗产流相耦合的产流机制自适应模拟技术,形成了评估气候变化及人类活动综合影响下水沙响应趋势的技术体系,定量评估了粗泥沙集中来源区治理效果、人类活动与自然因素多因子对黄河水沙变化的贡献率。
2.3黄河流域砒砂岩区辨识与抗蚀促生关键技术及应用
形成于2.5亿年前,由砂岩、砂页岩、泥质砂岩组成的砒砂岩,无水坚如石、遇水烂如泥,林草难以生长,被国内外称为“地球生态癌症”,治理极其困难。针对这一世纪难题,黄科院联合相关高校和科研单位,在国家“十二五”国家科技支撑计划和省部级多项科技计划项目资助下,派出科研人员行程5万余km,通过多元数据采集、数百组/次机理试验和多维信息分析与评价技术集成,精准界定了砒砂岩分布区,研发了砒砂岩改性技术,研发出了砒砂岩改性筑坝材料,实现了阻控砒砂岩结构遇水溃散与破坏的目标,实现了阻控侵蚀与恢复植被的功能一体化,减少侵蚀量90%以上。
3黄河流域水土保持科研成效
3.1构建了黄河流域多尺度土壤流失模型系统。
目前黄科院已在陕西省延安市和榆林市等地举办了推广应用培训班5期,共培训相关技术和管理人员200人。该系统已经在陕西、山西、河南等省的流域治理规划、生态工程可行性研究与设计等生产实践中得到广泛应用,为不同时期治黄决策提供了重要基础支撑。
3.2支撑了上游重大水利工程建设。
黄河沙漠宽谷河道水沙变化驱动机理及调控技术成果已在十大孔兑等水土保持规划和生态建设实践、黄河黑山峡工程论证等治黄实践与重大科研工作中得到应用。黄河宁蒙河段干流水沙输移与灌区水循环双过程耦合数学模型已在《全国灌溉试验站网建设规划》、宁夏引黄灌区和内蒙古河套灌区引黄水资源的配置和科学管理中得到应用。
3.3研发了生态脆弱区抗蚀促生关键技术。
流域砒砂岩区辨识与抗蚀促生关键技术研究成果已在砒砂岩区淤地坝工程建设、鄂尔多斯水土保持科技示范园区建设、重点江河堤防边坡水土流失防治、库布齐荒漠化治理等工程中成功应用,辐射内蒙古、甘肃、河南等多省(区)。砒砂岩抗蚀促生关键技术的突破奠定了我国荒漠化治理的国际领先地位。
4结语
水土保持具有充分考虑自然、社会等各种因素,统筹协调各方力量,科学综合各项措施,实现生态－经济－社会协同发展的基本特质。因此,在黄河流域生态保护和高质量发展的重大国家战略实施中,水土保持的深入发展是促进该地区生态保护与治理、保障黄河长治久安、打赢该地区脱贫攻坚战进而实现高质量发展战略目标的必然要求。面对新时代我国水土保持生态建设的新目标、新任务,黄河水土保持科研将以国家生态文明建设战略需求为牵引,以水利部提出的新时期水土保持工作要求为遵循,聚焦黄土高原水土流失治理与黄河治理开发等重大国家战略需求的基础性、关键性科学问题,提升科研水平,为黄土高原生态安全做出重要贡献。
参考文献：
[1] 姚文艺,李勉．黄土高原土壤侵蚀及综合治理研究评述[J]. 中国水土保持,2005(4):15－17．
[2] 李永红,高照良．黄土高原地区水土流失的特点、危害及治理[J]. 生态经济,2011(8):148－153．
[3] 王玲玲,姚文艺,王文龙,等．黄土丘陵沟壑区多尺度地貌单元输沙能力及水沙关系[J]. 农业工程学报,2015,31(24):120－126．
[4] 肖培青,郑粉莉,姚文艺．坡沟产沙关系及其侵蚀机理研究进展[J]. 水土保持研究,2004,11(4):101－104．
[5] 杨吉山,姚文艺,郑明国,等．岔巴沟淤地坝小流域重力侵蚀产沙量分析[J]. 水利学报,2017,48(2):241－245．
