[关键词] 径流泥沙  综合治理  侵蚀  黄河水沙变化研究  黄土高原沟壑区


        [摘要] 本文对黄委会西峰水土保持科学试验站成立50余年来在水土流失规律方面的研究成就进行了系统概括和总结。内容包括黄土高原沟壑区的径流泥沙来源研究、“三道防线”和“四个生态经济带”的综合治理模式、水土保持小区径流泥沙资料观测研究、黄土高原沟壑区原面土壤侵蚀研究、森林对径流泥沙的影响研究、水土保持措施对小流域地表径流的影响研究、铯-137土壤侵蚀研究和黄河中游水沙变化研究等8个方面。根据“三条黄河”建设的现代治黄理念，提出今后黄土高原沟壑区水土流失规律研究要加强原型观测，完善水土流失测验体系；要优化小流域水土保持径流泥沙测验站网布局，深化水土流失规律研究，建立“数字小流域”；要有针对性地开展水土保持科学研究。




        黄委会西峰水土保持科学试验站自1951年建站至今，已有51年的光荣历史，是闻名全国的水土保持科学研究“三大支柱站”（即黄委会西峰、天水、绥德水土保持科学试验站）之一。自1954年开始，在黄土高原沟壑区的南小河沟流域开展水土流失规律研究，至今已达48年；1956年～1962年进行了子午岭林区（合水川和党家川）森林对径流泥沙的影响研究；自1988年开始参加黄河中游水沙变化研究，至今已逾14年。在以上研究中均取得了重大研究成果，为黄河流域水土保持工作和黄土高原水土流失治理及黄河水沙变化研究做出了重大贡献。兹综述如下。


1 黄土高原沟壑区的径流泥沙来源研究
         
        自1954年开始，在黄土高原沟壑区的南小河沟流域（流域面积36.3 km2），选定治理的杨家沟（流域面积0.87 km2）和非治理的董庄沟（流域面积1.15 km2）作为对比，进行水土流失规律研究。近50年的潜心研究表明：黄土高原沟壑区（其地貌类型分为塬、坡、沟三种）67.4%的径流来自塬面，86.3%的泥沙来自沟谷；塬水下沟和沟谷重力侵蚀是这一地区水土流失的主要特征；南小河沟流域沟谷地单位面积侵蚀量是沟间地的9.4倍，如果沟间地的径流和泥沙就地拦蓄，则沟谷地的侵蚀量比沟间地仅大1.26～1.49倍。南小河沟流域重力侵蚀面积占流域总面积的9.1%，重力侵蚀产沙量占流域总产沙量的57.5%。
        对南小河沟流域淤地坝减轻沟蚀作用进行的观测研究结果表明：由于局部沟段坝地的的固沟作用，使小流域的沟蚀量减轻了16.2%。研究发现，水土保持坡面治理措施实施后也有明显减轻沟蚀的作用。经对南小河沟流域内的杨家沟、董庄沟两条支沟对比观测，塬面水不下沟比水下沟减轻沟蚀30%～70%。
        黄委会西峰水土保持科学试验站李倬高级工程师通过对南小河沟流域杨家沟沟谷林木的减沙机理和林木固沟减蚀作用的研究，发现因林地面积占流域面积的40%，且主要集中于沟谷，因而其减沙效益高达92.6%，而且在特大暴雨中同样能发挥显著而稳定的减沙作用；根据杨家沟和董庄沟各自的输沙率～流量关系对比分析，杨家沟林木固沟减蚀量占总减沙量的27%；1958～1965年因杨家沟减洪效益45.9%可以实现减沙效益63%。据此提出在黄土高原沟壑区小流域综合治理工作中，不必遵循自上而下的塬、坡、沟治理顺序，可以先治沟——以林木固沟为重点和先行，适地适树，营造密植速生林，快速减沙。
        李倬关于黄土高原地区林木固沟减蚀作用研究的论文——《论林木的固沟减蚀作用》影响较大。曾刊于国家cn级核心学术期刊《泥沙研究》1993年第1期之首；1992年被编入国际水文科学协会论文集；先后被西班牙亚速尔大学、葡萄牙阿里肯特大学、智利南方大学、伊朗德黑兰大学等多次出版。


2 “三道防线”和“四个生态经济带”的综合治理模式
        
        针对黄土高原沟壑区径流泥沙来源的自然规律，提出了“保塬固沟”的治理方针，并在实践中总结提出了 “三道防线”和“四个生态经济带”的综合治理模式，在黄土高原沟壑区得到了广泛推广应用。
        “三道防线”综合治理模式即“塬面修建条田和沟头防护工程；沟坡整地造林，发展果园，种植牧草；沟道修建拦蓄工程，营造防冲林”；“四个生态经济带”即“塬面农业生态经济带，塬边林果生态经济带，沟坡草灌生态经济带，沟底水利生态经济带”。该治理模式在泾河流域推广后，取得了显著的蓄水保土效益。采取“三道防线”治理模式所建立的南小河沟流域综合治理典型，根据1955～1974年的观测资料对比分析，治理程度达58%，多年平均拦蓄径流效益55.6%，拦蓄泥沙效益97.2%，其中土坝和土谷坊等工程措施拦沙量占总拦沙量的82.3%；粮食产量提高了两倍，木材蓄积量达12400m3。流域内的杨家沟是以林草措施为主综合治理支毛沟的典型，林草覆盖率在80%以上，拦蓄径流效益57.9%，拦蓄泥沙效益81.3%。这一典型已在甘肃省庆阳地区140多条小流域和部分大、中流域中推广，面积达8400 km2。


3 水土保持小区径流泥沙资料观测研究
        
        黄委会西峰水土保持科学试验站在长期以来所开展的水土保持小区径流泥沙资料观测研究中，积累了大量宝贵的科研资料，具有进行水土流失规律研究的丰富经验，所辖南小河沟流域（集水面积30.6 km2）和砚瓦川流域（集水面积329km2）的小区资料观测系列长达48年（1954～2002年），位居全国前列。
        50年来，黄委会西峰水土保持科学试验站先后在南小河沟流域布设测站8个；布设农地、林地、人工草地、天然荒坡、庄院和道路径流场76个；积累径流场资料368场年；积累降水资料1000余站年。1956～1961年在甘肃省庆阳、平凉两个地区内先后在不同水土流失类型区增设测站17个，取得了220站年的资料。1954～1980年的各种水土保持小区径流泥沙观测资料已整编刊印，1981~2000年的所有小区资料已用微机整编完毕。这些资料在流域水土保持区划、综合治理规划、单项措施布设与综合措施配置、水土流失规律研究、水土保持措施蓄水减沙指标确定和黄河中游大面积水土保持措施蓄水减沙效益研究以及交通运输、城市建设等生产实践中得到了广泛的应用，对促进当地乃至黄河流域的社会经济发展起到了重要的作用。
        1983年10月，我站编印的《黄河中游水土保持径流泥沙测验资料》（1954～1980年）“红本”正式发行。1990年，中国科学院水利部西北水土保持研究所江忠善研究员等根据我站资料分析，得到黄土地区无植被农闲地单位面积产沙量ws（kg/m2）与降雨侵蚀力r（kg.m/m2.mm.min）、地面坡度s（度）之间的关系式为：
        ws＝3.27×10-5r1.57. s1.06


4 黄土高原沟壑区原面土壤侵蚀研究

        在黄土高原沟壑区进行原面土壤侵蚀研究，建立土壤侵蚀的数学模型，单靠观测天然降雨造成的水土流失，周期太长，尤其是对稀有频率暴雨很难观测到，必须借助人工模拟降雨试验的方法，以快速获得相关资料。黄委会西峰水土保持科学试验站于1984年开始进行人工模拟降雨的设备研制工作，历时6年，经过上万次的试验，一种全国乃至世界上规模最大的人工模拟降雨装置试验成功，受到了国内外许多知名专家的赞赏。十几个国家的四十多名专家慕名前来参观，国内参观者更是络绎不绝。在黄土高原沟壑区原面土壤侵蚀研究（历时9年）中，共布设各种因子小区40个。首先进行了南小河沟流域天然降雨特性分析、土壤入渗试验、土壤含水量～雨强～侵蚀量关系研究和土壤理化特性的研究；其次进行了植被、地形、土壤可蚀性、土壤含水量及允许流失量的研究。取得了一批相当有价值的阶段性研究成果。


5 森林对径流泥沙的影响研究

        在森林对径流泥沙的影响研究方面，黄委会西峰水土保持科学试验站1956～1962年选定子午岭林区的合水川（流域面积836 km2，其中板桥水文站以上控制面积807 km2）和党家川（流域面积30km2），对子午岭林区森林植被的拦洪减沙效益进行了深入研究。结果表明：森林拦蓄暴雨径流平均达到70%，最高达90%；削减洪峰流量在60%以上，拦泥效益达99%～100%。无林流域（主要是人类破坏所致）与有林流域相比，其多年平均含沙量和测点最大含沙量前者是后者的440倍和34倍。


6 水土保持措施对小流域地表径流的影响研究

        在水土保持对小流域地表径流的影响研究方面，黄委会西峰水土保持科学试验站和中国科学院、水利部水土保持研究所穆兴民研究员等人的联合研究结果是：根据南小河沟流域杨家沟和董庄沟多年的观测资料分析，水土保持措施能使黄土高原沟壑区的小流域产洪次数减少，地表径流模数和径流系数减小；使小流域地表径流模数的年际变率增大；在洪水产流过程中，水土保持措施使流域产流起始时间滞后，径流持续时间缩短，瞬时流量及洪峰流量降低以至消失。南小河沟流域塬面道路径流模数是天然荒坡的8～32倍。


7 铯-137土壤侵蚀研究

        自20世纪60年代初menze研究土壤侵蚀和放射性核素沉降运移的关系以来，核分析技术在土壤侵蚀中的应用蓬勃发展。铯-137应用于土壤侵蚀研究在我国已有近20年的时间。黄委会西峰水土保持科学试验站李倬、吴永红等人从1990年开始和中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所张信宝研究员等人合作，对南小河沟流域不同土地利用类型的137cs含量进行了测定，计算了南小河沟梯田、刺槐林、草地的土壤侵蚀量，取得了一定的成果。主要体现在以下几个方面：
        ①黄土高原沟壑区谷坡农地侵蚀及产沙的137cs法研究：坡耕地的侵蚀并不是简单地随坡长的增加而增强，微地貌形态的差异在其中起很大作用。整个坡面存在侵蚀和堆积两种现象；在老谷坡农地内土壤侵蚀量很大，但其输移率却很低，真正流失量较小，存在大量地内堆积。根据梯田和坡耕地各剖面137cs总量的平均值和农耕地土壤侵蚀量计算公式，求得梯田和坡耕地的年均侵蚀模数分别为91.3t/km2和2664t/km2，梯田较坡耕地拦沙效益高出96.6%。
        ②陇东黄土高原沟壑区土壤侵蚀的137cs法研究：在各产沙部位中，裸露的红土泻溜坡侵蚀量最大，是沟谷治理的重点；封育荒草坡的减沙作用与裸坡相比十分明显，但林地的减沙效益受林木郁闭度低及林下枯枝落叶层薄的影响，并不如人们想象的那么巨大；塬面土壤侵蚀量不容忽视。黄土高原沟壑区今后治理的方向应该是：在加强沟谷治理的同时加强塬面治理；塬面治理的目标应由原来的“水不下沟”改为“水不出田”。
        介绍我站南小河沟流域137cs土壤侵蚀研究成果的著名论文——《应用铯—137技术研究中国黄土高原甘肃西峰附近谷坡的土壤侵蚀问题》，系张信宝研究员、英国奎因教授、沃林教授与我站李倬高级工程师的合作研究论文，1994年由瑞典《地理学年刊》以17个页面的较长篇幅发表，影响较大。另有其他有关本项研究的论文多篇刊发。


8 黄河中游水沙变化研究

        黄委会西峰水土保持科学试验站自1988年开始参加黄河水沙变化研究工作以来，先后代表黄委会黄河上中游管理局并三次作为项目总负责人或项目第一完成人单位，率领黄委会天水、绥德水土保持科学试验站，主持并承担了“八五”国家重点科技攻关项目——“多沙粗沙区水沙变化原因分析及发展趋势预测”（85-926-03-01）、水利部第二期黄河水沙变化研究基金项目——“河龙区间水土保持措施减水减沙效益分析”以及“泾河、北洛河、渭河流域水土保持措施减水减沙作用分析”、黄河流域第一期水土保持科研基金第四攻关课题子题——“泾河流域水利水土保持减水减沙效益及水沙变化趋势预测研究”、黄委会黄河上中游管理局“八五”重点课题——“黄河中游河口镇至龙门区间水土保持措施减洪减沙效益研究”等重大科研项目的研究任务。研究涉及面积24.85万km2。以上项目先后荣获陕西省科技进步二等奖、水利部科技进步三等奖、黄委会科技进步一等奖、二等奖、黄委会黄河水利科学研究院科技进步一等奖及黄委会黄河上中游管理局科技进步一等奖；出版及合作出版专著3部；在国家cn级核心学术期刊及国际学术刊物上公开发表论文70余篇；参加国际、国内大型学术交流会25次，入选论文20余篇。其研究成果在黄河中游水沙变化研究和黄河中游水土保持生态工程建设规划中发挥了重要作用，具有很大影响。通过以上历时14年的潜心研究，为黄河上中游管理局及我站培养了一支政治强、业务精、作风正、纪律严的黄河水沙变化研究队伍，在我站及黄河上中游管理局科研业务工作中树起了一面旗帜，有口皆碑。我站及黄河上中游管理局由此跻身于黄河水沙变化研究的前列，成为黄河水沙变化研究的一支重要力量，声誉鹊起。取得的主要研究成果是：
        （1）在黄河中游水沙变化研究中，对黄河中游水土保持坡面措施减洪减沙效益计算方法进行了重大改进和实践，首次提出了坡面措施减洪减沙效益计算的“同频率分析法”和“以洪算沙”新方法，使计算精度明显提高；对淤地坝减洪减沙效益计算方法也有重大改进。
        （2）首次系统地提出了对黄河中游地区降雨资料的系列化处理和插补展延的方法，概括为两点：①查缺补漏----形象称之为“补窟窿”；②系列化处理----形象称之为“齐步走”。
        以上具有创新研究的新方法在黄河水沙变化研究中得到成功应用，受到水利部黄河水沙变化研究基金会和中国工程院院士徐乾清，清华大学教授张仁，国际泥沙研究培训中心教授徐明权、戴定忠、汪岗，中国水利水电科学研究院教授杨小庆，黄委会黄河水利科学研究院教授钱意颖、赵业安、张胜利、赵文林、焦恩泽、戴明英等人的高度评价。
        （3）出版或合作出版有关黄河水沙变化研究的专著3部，这3部专著是：
        ①《黄河中游河口镇至龙门区间水土保持与水沙变化》（专著）；黄河水利出版社，2000年5月第1版
        ②《黄河中游多沙粗沙区水沙变化原因及发展趋势》（合著）；黄河水利出版社，1998年4月第1版
        ③《黄河水沙变化研究》（合著）；黄河水利出版社，2002年9月第1版（系水利部黄河水沙变化研究基金会出版的黄河水沙变化研究系列专著第二卷）
        （4）以上研究成果先后被多部专著应用，有代表性的几部专著是：
        ①《黄河水沙变化对河流系统的影响》。王玲、孙东坡、缑元有等著；黄河水利出版社，1998年10月第1版。
        ②《水利水保工程对黄河中游多沙粗沙区径流泥沙影响研究》。徐建华、牛玉国编著；黄河水利出版社，2000年7月第1版。
        ③《黄土高原生态水文研究》。穆兴民、徐学选、陈霁巍等著；中国林业出版社，2001年7月第1版。
        ④《黄土高原水土保持减沙效益预测》。王万忠、焦菊英著；黄河水利出版社，2002年8月第1版。
        此外，黄委会西峰水土保持科学试验站还于2000～2001年参与完成了《黄河中游多沙粗沙区水土保持生态工程建设规划》、《皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河及内蒙古十大孔兑水土保持生态工程建设项目建议书》及《黄河中游水土保持生态工程建设水资源开发利用规划》等重大项目规划的编制任务；1999年曾参加全国政协副主席钱正英院士主持的《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》重大项目研究，合作出版《中国生态环境建设与水资源保护利用》专著1部（中国水利水电出版社，2001年7月第1版；系中国工程院重大咨询项目《中国可持续发展水资源战略研究》报告集第7卷，温家宝副总理作序）；2001～2002年参与完成了黄河中游多沙粗沙区11条重点支流的水土保持生态工程建设规划编制和16个项目区水土保持生态工程建设规划的可行性论证报告。2003年春参加了水利部下达的《黄河流域黄土高原地区水土保持淤地坝建设规划》的编制工作并在其中承担重要任务，此系水利部2003年三大“亮点”工程之一。现正在进行泾河流域和宁夏清水河流域水土保持生态工程建设规划的编制工作。在以上规划的编制和研究工作中，都广泛应用了我站在黄土高原沟壑区水土流失规律研究和黄河水沙变化研究中取得的重要成果。
        值得一提的是，黄委会西峰水土保持科学试验站宋尚智、涂兴文高级工程师等于1979年进行了马莲河流域人类活动对水土保持拦泥效益影响的调查，1980年初写成了“马莲河流域人类活动对水土保持拦泥效益影响的调查”一文。调查按黄土高原沟壑区、残原丘陵区、残林丘陵区、干旱粗沙丘陵区选点进行，发现上报的水土保持工作量与实际数字出入很大，实际数字只相当于上报数字的38%。经认真调查分析，发现自1949～1979年的30年间，马莲河流域搞了大量的水土保持工作，实际综合拦泥效益达15%，但由于人类不合理的利用水土资源，造成了新的水土流失，增加了14%的泥沙量，二者相抵销，水土保持拦泥效益仅剩下1%。该文分析研究后正确指出：水土保持综合治理仍然是治黄的根本所在；在进行水土保持综合治理的同时，必须坚决制止人为新增水土流失。


9 今后研究方向

        2001年7月，为实现黄河的长治久安，根据水利部新时期的治水思路，黄委会主任李国英提出了建设“三条黄河”（即“原型黄河”、“数字黄河”和“模型黄河”）的现代治黄理念；2002年8月3日，李国英主任在视察黄委会天水水土保持科学试验站时作了重要讲话，又一次提出了黄委会“三站”的科研职能和加强原型观测、为黄土高原水土保持作出更大贡献的问题，对黄土高原的水土流失规律研究提出了新的更高要求，也为“三站”今后的科研工作指明了方向。拜读后如沐春风，倍受鼓舞。在今后黄土高原沟壑区的水土流失规律研究中，要加强原型观测，完善水土流失测验体系；要优化径流小区和小流域水土保持径流泥沙测验站网布局，深化水土流失规律研究，建立“数字小流域”；继续进行人工模拟降雨试验研究，最终建立起黄土高原沟壑区降雨产流模型和降雨产沙模型。要加强水土保持科学研究，有针对性地开展不同暴雨频率下水土保持措施蓄水拦沙效益、径流小区——坡面——流域不同空间尺度蓄水减沙指标转换关系、小流域产汇流规律、标准径流小区与自然坡长产流产沙模数关系、塬水不下沟和坡面径流不下沟对减轻沟蚀的作用、沟道重力侵蚀定位观测及沟道冲淤变化等试验研究，为“模型黄河”建设服务。身居一线的黄委会西峰水土保持科学试验站，过去是先锋，今天仍是主力军，开展以上研究义不容辞。

        后记：本文在写作过程中参考查阅了大量文献和资料；黄委会西峰水土保持科学试验站站长毛效嗣同志曾给予关心和指导；宋京全、刘平乐工程师提供了部分资料，在此一并表示感谢！