杜亞娟,肖培青,楊春霞

(1.黃水利委員會水土保持局,鄭州450003;2.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州450003;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊陵712100)

坡面-溝道系統(tǒng)是小流域侵蝕產(chǎn)沙的主要源地,對其侵蝕現(xiàn)象與規(guī)律的探究,可以為坡溝水土保持措施優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù),對于恢復(fù)和重建生態(tài)環(huán)境也具有重要意義。自20世紀(jì)50年代,黃土高原小流域是以治坡為主,還是以治溝為主一直是水土流失治理爭論的焦點(diǎn)[1]。一個時期,當(dāng)強(qiáng)調(diào)以治坡為主時,坡面水土保持林草措施受到重視;而另一時期,當(dāng)強(qiáng)調(diào)治溝為主,溝谷的壩庫工程便受到重視。這兩方面在黃土高原水土流失治理中均有成功的范例,更有失敗的教訓(xùn)。例如,三門峽水庫建設(shè)設(shè)計中,由于過高估計坡面水保措施的進(jìn)度及蓄水保土效益,使泥沙在較短時間內(nèi)的大量淤積,導(dǎo)致三門峽水庫的改建。再如,韭園溝小流域水土流失治理過程中,強(qiáng)調(diào)溝道壩庫工程的蓄水?dāng)r泥作用,而忽視坡面水保措施的建設(shè),造成20世紀(jì)70年代溝道大壩被洪水沖毀的嚴(yán)重事件,從而使人們對壩庫工程蓄水?dāng)r沙的功效產(chǎn)生質(zhì)疑,認(rèn)為壩庫工程攔泥作用表現(xiàn)為“零存整取”[2]。治黃的目的是既要減少黃河泥沙、減輕下游危機(jī),又要促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)業(yè)以及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)發(fā)展。黃土高原地區(qū)多年的水土流失治理實(shí)踐證明,只有坡面水保措施實(shí)施與溝道淤地壩建設(shè)同步發(fā)展才是解決黃河危害、促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保證[3]。

坡溝關(guān)系的爭議常由治理方針的選擇而發(fā)端,但其實(shí)質(zhì)反映了水土流失規(guī)律研究的薄弱,坡溝治理問題的解決依賴于對坡溝侵蝕過程及機(jī)理的深入研究。黃土高原坡溝系統(tǒng)既是流域侵蝕產(chǎn)沙的主要源地,又是控制水土流失,恢復(fù)與重建生態(tài)環(huán)境的基本治理單元,其空間尺度介于坡面和流域之間,并通過坡面和溝道的水沙傳遞將坡面和流域聯(lián)系起來,成為連接坡面和流域的紐帶。以往的研究揭示了坡溝空間侵蝕形態(tài)的垂直分局,給出了坡面和溝道泥沙量分布的統(tǒng)計結(jié)果,也提出了坡溝兼治的基本思想?，F(xiàn)有結(jié)果已經(jīng)表明坡面來水來沙對溝道和整個坡面的加劇作用,但揭示這種現(xiàn)象的本質(zhì)成因的研究內(nèi)容還相對較少。坡溝關(guān)系治理存在異議的根本原因并不在于人們不能接收坡溝兼治的思想,而在于問題的復(fù)雜和研究手段的限制,使坡溝系統(tǒng)水土流失過程的本質(zhì)規(guī)律還沒有得到充分揭示,從而影響了坡溝治理方針即措施配置的最終決策。因而,加強(qiáng)坡溝同步治理中的一些深層次的科學(xué)問題需要具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。例如,如何實(shí)現(xiàn)坡面林草措施的適宜性配置,如何做到溝道淤地壩建設(shè)的可持續(xù)利用,在此基礎(chǔ)上,如何處理坡面水保措施實(shí)施與淤地壩建設(shè)進(jìn)度的關(guān)系,如何進(jìn)行退耕還林還草和淤地壩布局合理配置,以及坡面溝道耦合侵蝕機(jī)制的探討和坡溝比尺模型建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)等,這都是需要深化研究的坡溝治理可持續(xù)利用的發(fā)展問題。

1 坡溝主要治理措施現(xiàn)狀分析

1.1 坡面退耕還林還草的建設(shè)現(xiàn)狀

據(jù)中國科學(xué)院黃土高原綜合科學(xué)考察隊耕地坡度分級數(shù)據(jù)計算,全區(qū)耕地中平地(地面坡度＜3°的耕地)和平坡地(地面坡度為3°～7°的耕地)占全區(qū)耕地總面積的50.76%,主要分布在黃土臺塬區(qū),占近88.34%;緩坡地(地面坡度為 7°～15°的耕地)占全區(qū)21.42%,斜坡地(地面坡度為15°～25°的耕地)占全區(qū)20.06%,陡坡地(地面坡度超過25°的耕地)占全區(qū)7.76%,這些耕地主要分布在黃土丘陵區(qū),分別占全區(qū) 62.76%、67.41%和 74.61%,農(nóng)作物產(chǎn)量常隨坡度增加而下降,由于坡地比重大,因而水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境惡化[4]。因此,改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,提高作物產(chǎn)量,建設(shè)秀美山川,退耕還林(草)是良化農(nóng)業(yè)生存環(huán)境的關(guān)鍵。自50年代以來,黃土高原的林草植被在不斷遭破壞的同時,自上而下曾多次組織大規(guī)模的植樹造林和種草,但林草保存率低,收效甚微。造成現(xiàn)象的原因主要有三方面:一是黃土高原地區(qū)是典型的水資源貧乏區(qū),區(qū)域內(nèi)侵蝕模數(shù)大于1 000 t/(km2·a)的水土流失面積達(dá)45.4萬km2,干旱和水土流失是制約林草生長的主要因素。在氣候異常干旱、水土流失十分嚴(yán)重的生態(tài)條件下,是難以實(shí)現(xiàn)退耕還林還草目標(biāo)的,如果不考慮和解決水的問題,即使退下來了,種上去了,也難以成活,或成活而不能正常生長,起不到改善生態(tài)環(huán)境的目的;二是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民糧食問題沒有解決,退耕還林草與糧食作物有爭地矛盾,使得退耕還林草工作舉步維艱,成效甚微。由于人均耕地面積很小,農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)定,加之耕作粗放,增產(chǎn)潛力有限。另外,坡耕地面積大,分布廣,幾乎所有的山區(qū)都有坡耕地,退耕還林勢必牽涉到廣大農(nóng)民的切身利益,特別是涉及到農(nóng)民的溫飽問題,如果這些問題得不到解決,退耕還林還草不但阻力大,而且也難以進(jìn)行;三是缺乏資金投入和科技指導(dǎo),或只種不管護(hù),導(dǎo)致林草生長趨于衰敗。由于資金的限制,實(shí)際造林草費(fèi)用與造林草補(bǔ)助的差額很大,造林整地、苗木質(zhì)量、撫育管理等技術(shù)達(dá)不到要求,造林直接經(jīng)濟(jì)效益低,挫傷群眾退耕還林的積極性。另外,我們目前還不能很好地運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展高效農(nóng)業(yè),以最少的耕地,生產(chǎn)出更多的糧食,滿足山區(qū)的群眾需要,讓出更多的坡耕地種樹種草,進(jìn)行生態(tài)林建設(shè)。目前的科學(xué)技術(shù)還滯后于退耕還林工程的需要。

1.2 溝道淤地壩建設(shè)現(xiàn)有成果

黃河中游多沙粗沙區(qū)地形破碎、坡陡溝深、土質(zhì)疏松、植被稀少、暴雨集中,洪水造成溝床下切、溝頭延伸,溝谷侵蝕產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的50%～70%。淤地壩是一種行之有效的既能攔截泥沙、保持水土,又能淤地造田、增產(chǎn)糧食的水土保持工程措施。黃土高原地區(qū)溝壑眾多,全區(qū)大于0.5 km的大小溝道約30萬條,具有筑壩淤地的天然條件和優(yōu)勢。布局合理的小流域壩系對暴雨洪水有較強(qiáng)的抵御能力。例如,王茂溝流域從1953-1986年,淤地壩攔沙總量為1 665萬t,年均攔沙5.05萬t。流域輸沙模數(shù)由治理前的18 000 t/km2降低到治理后期的504 t/km2,減少了97%,基本上實(shí)現(xiàn)了對泥沙的完全控制。1970-1989年,無定河流域淤地壩平均每年攔沙4 716萬t,淤地壩攔沙量占水保措施總攔沙量的64%[5]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,黃土高原區(qū)11萬多座淤地壩,淤成壩地30多萬公頃,可攔蓄泥沙210億m3,對黃河的安瀾起到了重要作用[6]。目前淤地壩建設(shè)成果在壩系規(guī)劃布設(shè)、工程建設(shè)、攔沙減蝕效益以及小流域壩系相對穩(wěn)定研究等方面作了大量的工作。淤地壩建設(shè)從單純攔泥淤地向流域壩系綜合高效利用,從單壩控制向壩系綜合控制方向發(fā)展。但是,淤地壩建設(shè)與利用過程中仍存在種種問題,主要表現(xiàn)病險壩多,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低,易造成壩體破壞或垮壩;尤其是壩體管理水平差,維護(hù)粗放,壩地利用率及經(jīng)濟(jì)效益偏低;因而,淤地壩壩系高效持續(xù)利用是當(dāng)前亟待進(jìn)一步探討和深化研究的問題。

2 進(jìn)一步深化研究的內(nèi)容

坡溝兼治及其同步發(fā)展是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。一要通過建設(shè)高質(zhì)高產(chǎn)的糧食和飼料基地,滿足農(nóng)民生存與發(fā)展的基本需求,調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),保證坡耕地能“退”得下來,鞏固得住。二要針對黃土高原地區(qū)侵蝕環(huán)境特點(diǎn),在千溝萬壑中修建壩系工程,攔泥淤地造田,發(fā)展高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的糧食和飼料基地,滿足農(nóng)民生產(chǎn)、生活和持續(xù)發(fā)展的需要,使得退耕還林還草有一個長期穩(wěn)定的社會和物質(zhì)基礎(chǔ),在騰出的坡耕地上造林種草,即“以建促退”。因此,在以往研究壩系建設(shè)和實(shí)施退耕還林還草的工作基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步深化下列研究內(nèi)容:

2.1 退耕還林還草的適宜性研究

據(jù)林業(yè)部調(diào)查,黃土高原地區(qū)植樹造林多年保存率僅為15%左右。目前在水土保持綜合治理中,存在的主要問題是林草措施的實(shí)際效果不佳,生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益與人們的期望相差甚遠(yuǎn),挫傷了群眾植樹造林的積極性。黃土高原植樹造林的限制因子是水分條件,當(dāng)前迫切需要根據(jù)雨水資源環(huán)境容量分析,劃分出適宜植樹造林的范圍,并確定具體樹種。在選擇樹種時,單純考慮林草成活率和保存率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,主要應(yīng)考慮林草能否能正常生長,將來真正能發(fā)揮防護(hù)作用,確保退耕還林還草目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

研究內(nèi)容如下:根據(jù)植被地帶性分布規(guī)律和水資源的承載力,林草的合理選育;不同植被類型和喬、灌、草的合理布局與科學(xué)配置;生態(tài)修復(fù)的自我承載能力在退耕還林還草工程中的示范性推廣研究;在退耕還林還草工程中,生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一兼顧的關(guān)系問題。

2.2 淤地壩高效持續(xù)利用研究

淤地壩建成后的運(yùn)行管理是一項(xiàng)非常重要的工作,直接關(guān)系到淤地壩工程效益的發(fā)揮。因此,必須探討適應(yīng)新形勢的淤地壩運(yùn)行管理模式。在對現(xiàn)行的租賃、拍賣、獨(dú)戶或聯(lián)合承包及30～50 a經(jīng)營權(quán)等相關(guān)管理模式不斷完善的基礎(chǔ)上,積極探討“以壩養(yǎng)壩”的運(yùn)行模式。總之,淤地壩運(yùn)行管理應(yīng)做到保證壩系的安全運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用。

研究內(nèi)容如下:提出壩系長期的減沙和農(nóng)業(yè)利用的途徑,包括壩地鹽堿化防治,壩地高效節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù),壩地防洪設(shè)施與安全運(yùn)行模式等;根據(jù)淤地壩監(jiān)測數(shù)據(jù),預(yù)測流域的來洪量及各壩的淤積庫容變化情況,及時調(diào)整壩庫功能,提出壩系蓄水優(yōu)化分配的方案。

2.3 坡面退耕還林還草與淤地壩建設(shè)的關(guān)系

淤地壩是水土保持措施重要之一,具有攔泥、增產(chǎn)、固定溝床以及減輕重力侵蝕的明顯效益。但是,只有把淤地壩和植被措施共同納入水土保持措施體系,才能充分發(fā)揮巨大的攔沙和改善區(qū)域環(huán)境的作用。

研究內(nèi)容如下:坡面退耕還林還草實(shí)施對與淤地壩工程泥沙淤積的影響;坡面退耕還林還草措施與淤地壩工程減沙效益綜合分析;坡面退耕還林還草項(xiàng)目結(jié)束后,坡面水保措施動態(tài)變化對淤地壩持續(xù)發(fā)展的影響等。

2.4 退耕還林還草與淤地壩工程的配置研究

淤地壩工程與退耕還林還草的關(guān)鍵是確定合理的建設(shè)時序,對此應(yīng)引起足夠的重視。但截至目前,淤地壩工程與退耕還林還草孰前孰后,孰輕孰重的配置機(jī)制尚未形成完善的理論體系。因此,應(yīng)加強(qiáng)不同類型區(qū)的水土保持措施合理配置體系理論的研究,探討坡面溝道治理達(dá)到最大水土保持效益臨界值的時空特征,提出合理的坡溝治理決策機(jī)制。

研究內(nèi)容如下:以保障農(nóng)民的基本農(nóng)田為前提,分析黃土地貌坡面和溝道的發(fā)育規(guī)律,研究林草措施和壩系的建設(shè)時序,確定小流域林草措施建設(shè)密度和壩系的工程規(guī)模;在此基礎(chǔ)上,利用多目標(biāo)優(yōu)化的分析和決策方法,以水保措施綜合水保效益最優(yōu)為目標(biāo),應(yīng)用優(yōu)化理論和系統(tǒng)控制論探索典型流域減沙作用最大的坡溝水土保持措施最佳配置模式,建立林草措施面積和淤地壩規(guī)模組合的優(yōu)化理論,提出實(shí)用的治理決策。

2.5 坡面溝道耦合的侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系

關(guān)于坡面和溝道作為獨(dú)立地貌單元的研究較多,而從坡溝系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)對坡面、溝道侵蝕產(chǎn)沙過程之間的耦合機(jī)制研究較少;隨著小流域治理的生產(chǎn)實(shí)踐需要,未來的工作需進(jìn)一步運(yùn)用先進(jìn)的坡溝系統(tǒng)觀測設(shè)備和量測技術(shù),探討坡面與溝道系統(tǒng)水沙傳遞過程的定量表達(dá),此研究以期為水土流失治理提供理論支持。

研究內(nèi)容如下:采用模擬降雨試驗(yàn)、GIS、攝影測量和稀土元素示蹤技術(shù)等研究坡溝水沙傳遞過程的響應(yīng)關(guān)系;表征不同土地利用方式、不同降雨時期坡溝形態(tài)產(chǎn)沙動態(tài)變化過程;探討坡面來水來沙作用下的溝道侵蝕泥沙輸移過程定量表達(dá);同時,進(jìn)行溝道不同發(fā)育期坡面侵蝕產(chǎn)沙過程定量刻畫。

3 結(jié)論

坡面退耕還林還草和溝道淤地壩建設(shè)是黃土高原的特有問題,其核心是坡面溝道內(nèi)在的水土流失規(guī)律,它是合理方針擬定與措施優(yōu)化配置的理論依據(jù)。隨著坡溝系統(tǒng)水土流失規(guī)律研究的逐漸深入,以及小流域治理的經(jīng)驗(yàn)積累,越來越多的人開始接受坡溝兼治的思想。但是,迄今為止,坡面溝道水土保持治理的孰先孰后的矛盾仍然存在,故此,關(guān)于坡溝治理同步發(fā)展的一些理論基礎(chǔ)問題需要探討和深化研究。只有解決了坡溝同步性治理中的一系列關(guān)鍵理論問題,并由此指導(dǎo)廣大群眾的實(shí)踐活動,才能真正實(shí)現(xiàn)減少入黃泥沙和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)的終極目標(biāo)。

[1] 雷阿林,唐克麗.坡溝系統(tǒng)上壤侵蝕研究回顧與展望[J].水土保持通報,1997,17(3):37-43.

[2] 鄭粉莉,肖培青.黃土高原淤地壩建設(shè)中幾個問題的思考[J].水土保持研究,2003,10(5):42-43,114.

[3] 周佩華,吳普特.治黃之本在于水土保持[J].中國水土保持,1994(2):49-52.

[4] 彭珂珊.黃土高原水土流失區(qū)退耕還林(草)的基本思路[J].水利水電科技進(jìn)展,2000,20(3):9-14.

[5] 肖培青,姚文藝,史學(xué)建.淤地壩建設(shè)回顧及其物理比尺模型研究展望[C]//“模型黃土高原”建設(shè)方略縱論.鄭州:黃河水利出版社,2005:116-121.

[6] 水利部水土保持司.黃土高原淤地壩專題調(diào)研報告[R].2002.