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.黃河水利科學研究院水利部黃河泥沙重點實驗室,鄭州450003;3.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室,陜西楊陵712100)

坡面-溝道系統(tǒng)是小流域侵蝕產沙的主要源地,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)化配置提供科學依據,對于恢復和重建生態(tài)環(huán)境也具有重要意義。自20世紀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[1]。一個時期,當強調以治坡為主時,坡面水土保持林草措施受到重視;而另一時期,當強調治溝為主,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。例如,三門峽水庫建設設計中,由于過高估計坡面水保措施的進度及蓄水保土效益,使泥沙在較短時間內的大量淤積,導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,強調溝道壩庫工程的蓄水攔泥作用,而忽視坡面水保措施的建設,造成20世紀70年代溝道大壩被洪水沖毀的嚴重事件,從而使人們對壩庫工程蓄水攔沙的功效產生質疑,認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,又要促進該地區(qū)農業(yè)以及國民經濟建設持續(xù)發(fā)展。黃土高原地區(qū)多年的水土流失治理實踐證明,只有坡面水保措施實施與溝道淤地壩建設同步發(fā)展才是解決黃河危害、促進當地農業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保證[3]。

坡溝關系的爭議常由治理方針的選擇而發(fā)端,但其實質反映了水土流失規(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理的深入研究。黃土高原坡溝系統(tǒng)既是流域侵蝕產沙的主要源地,又是控制水土流失,恢復與重建生態(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)計結果,也提出了坡溝兼治的基本思想?，F(xiàn)有結果已經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)象的本質成因的研究內容還相對較少。坡溝關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,而在于問題的復雜和研究手段的限制,使坡溝系統(tǒng)水土流失過程的本質規(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,加強坡溝同步治理中的一些深層次的科學問題需要具有重要的現(xiàn)實意義。例如,如何實現(xiàn)坡面林草措施的適宜性配置,如何做到溝道淤地壩建設的可持續(xù)利用,在此基礎上,如何處理坡面水保措施實施與淤地壩建設進度的關系,如何進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制的探討和坡溝比尺模型建設的關鍵技術等,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現(xiàn)狀

據中國科學院黃土高原綜合科學考察隊耕地坡度分級數據計算,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%,農作物產量常隨坡度增加而下降,由于坡地比重大,因而水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境惡化[4]。因此,改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境,提高作物產量,建設秀美山川,退耕還林(草)是良化農業(yè)生存環(huán)境的關鍵。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)域內侵蝕模數大于1 000 t/(km2·a)的水土流失面積達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、水土流失十分嚴重的生態(tài)條件下,是難以實現(xiàn)退耕還林還草目標的,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;二是當地農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,農作物產量低而不穩(wěn)定,加之耕作粗放,增產潛力有限。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民的切身利益,特別是涉及到農民的溫飽問題,如果這些問題得不到解決,退耕還林還草不但阻力大,而且也難以進行;三是缺乏資金投入和科技指導,或只種不管護,導致林草生長趨于衰敗。由于資金的限制,實際造林草費用與造林草補助的差額很大,造林整地、苗木質量、撫育管理等技術達不到要求,造林直接經濟效益低,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用先進的科學技術發(fā)展高效農業(yè),以最少的耕地,生產出更多的糧食,滿足山區(qū)的群眾需要,讓出更多的坡耕地種樹種草,進行生態(tài)林建設。目前的科學技術還滯后于退耕還林工程的需要。

1.2 溝道淤地壩建設現(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,溝谷侵蝕產沙量占流域總產沙量的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]。據調查統(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]。目前淤地壩建設成果在壩系規(guī)劃布設、工程建設、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,淤地壩建設與利用過程中仍存在種種問題,主要表現(xiàn)病險壩多,設計標準偏低,易造成壩體破壞或垮壩;尤其是壩體管理水平差,維護粗放,壩地利用率及經濟效益偏低;因而,淤地壩壩系高效持續(xù)利用是當前亟待進一步探討和深化研究的問題。

2 進一步深化研究的內容

坡溝兼治及其同步發(fā)展是一項復雜的系統(tǒng)工程。一要通過建設高質高產的糧食和飼料基地,滿足農民生存與發(fā)展的基本需求,調整土地利用結構,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,在千溝萬壑中修建壩系工程,攔泥淤地造田,發(fā)展高產穩(wěn)產的糧食和飼料基地,滿足農民生產、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)定的社會和物質基礎,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和實施退耕還林還草的工作基礎上需要進一步深化下列研究內容:

2.1 退耕還林還草的適宜性研究

據林業(yè)部調查,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際效果不佳,生態(tài)效益、經濟效益與人們的期望相差甚遠,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,當前迫切需要根據雨水資源環(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遠不夠的,主要應考慮林草能否能正常生長,將來真正能發(fā)揮防護作用,確保退耕還林還草目標的實現(xiàn)。

研究內容如下:根據植被地帶性分布規(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配置;生態(tài)修復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)效益與經濟效益統(tǒng)一兼顧的關系問題。

2.2 淤地壩高效持續(xù)利用研究

淤地壩建成后的運行管理是一項非常重要的工作,直接關系到淤地壩工程效益的發(fā)揮。因此,必須探討適應新形勢的淤地壩運行管理模式。在對現(xiàn)行的租賃、拍賣、獨戶或聯(lián)合承包及30～50 a經營權等相關管理模式不斷完善的基礎上,積極探討“以壩養(yǎng)壩”的運行模式?？傊?淤地壩運行管理應做到保證壩系的安全運行,實現(xiàn)可持續(xù)利用。

研究內容如下:提出壩系長期的減沙和農業(yè)利用的途徑,包括壩地鹽堿化防治,壩地高效節(jié)水農業(yè)技術,壩地防洪設施與安全運行模式等;根據淤地壩監(jiān)測數據,預測流域的來洪量及各壩的淤積庫容變化情況,及時調整壩庫功能,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的關系

淤地壩是水土保持措施重要之一,具有攔泥、增產、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。

研究內容如下:坡面退耕還林還草實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目結束后,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鍵是確定合理的建設時序,對此應引起足夠的重視。但截至目前,淤地壩工程與退耕還林還草孰前孰后,孰輕孰重的配置機制尚未形成完善的理論體系。因此,應加強不同類型區(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制。

研究內容如下:以保障農民的基本農田為前提,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時序,確定小流域林草措施建設密度和壩系的工程規(guī)模;在此基礎上,利用多目標優(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,應用優(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,提出實用的治理決策。

2.5 坡面溝道耦合的侵蝕產沙關系

關于坡面和溝道作為獨立地貌單元的研究較多,而從坡溝系統(tǒng)觀點出發(fā)對坡面、溝道侵蝕產沙過程之間的耦合機制研究較少;隨著小流域治理的生產實踐需要,未來的工作需進一步運用先進的坡溝系統(tǒng)觀測設備和量測技術,探討坡面與溝道系統(tǒng)水沙傳遞過程的定量表達,此研究以期為水土流失治理提供理論支持。

研究內容如下:采用模擬降雨試驗、GIS、攝影測量和稀土元素示蹤技術等研究坡溝水沙傳遞過程的響應關系;表征不同土地利用方式、不同降雨時期坡溝形態(tài)產沙動態(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;同時,進行溝道不同發(fā)育期坡面侵蝕產沙過程定量刻畫。

3 結論

坡面退耕還林還草和溝道淤地壩建設是黃土高原的特有問題,其核心是坡面溝道內在的水土流失規(guī)律,它是合理方針擬定與措施優(yōu)化配置的理論依據。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驗積累,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,關于坡溝治理同步發(fā)展的一些理論基礎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鍵理論問題,并由此指導廣大群眾的實踐活動,才能真正實現(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。

[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].水利水電科技進展,2000,20(3):9-14.

[5] 肖培青,姚文藝,史學建.淤地壩建設回顧及其物理比尺模型研究展望[C]//“模型黃土高原”建設方略縱論.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研報告[R].2002.