姚文藝,肖培青

(黃河水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003)

我國(guó)黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重、土壤侵蝕規(guī)律最復(fù)雜的地區(qū)之一。長(zhǎng)期以來(lái),水土保持、泥沙、生態(tài)、地質(zhì)、地理、地貌、水文等不同領(lǐng)域?qū)S土高原土壤侵蝕規(guī)律開(kāi)展了大量的研究工作[1],為該地區(qū)水土流失治理提供了重要的科技支撐。然而,目前對(duì)黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的研究仍相對(duì)薄弱,遠(yuǎn)不能滿足新時(shí)期黃河治理開(kāi)發(fā)與黃土高原水土保持生態(tài)建設(shè)的科技需求,迫切需要進(jìn)一步加強(qiáng)土壤侵蝕規(guī)律研究。

1 黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究進(jìn)展與存在的問(wèn)題

1.1 研究進(jìn)展

以1942年天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的創(chuàng)建為標(biāo)志,我國(guó)開(kāi)始了黃土高原水土流失規(guī)律的試驗(yàn)觀測(cè)工作。自20世紀(jì)50年代,黃河水利委員會(huì)又先后建立了西峰、綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站。同時(shí),中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與環(huán)境研究所、山西省水土保持科學(xué)研究所等單位,以及內(nèi)蒙古、河南等省(區(qū))也先后在黃土高原建立了土壤侵蝕試驗(yàn)站,進(jìn)行水土流失規(guī)律和水土保持措施作用等方面的觀測(cè)研究。

1953年劉善建[2]根據(jù)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的徑流小區(qū)觀測(cè)資料,首次提出了用于計(jì)算坡耕地年侵蝕量的經(jīng)驗(yàn)方程。同期,席承藩等[3]依據(jù)下切黃土溝的體積和羅來(lái)興等[4]依據(jù)“聚湫”淤積量推算出了無(wú)定河和清澗河流域侵蝕量。1955—1958年,中國(guó)科學(xué)院組織了黃河中游水土保持考察,取得了一批寶貴的基礎(chǔ)資料、圖件和成果。同期,黃秉維[5]采用3級(jí)分區(qū)方案編制了黃河中游土壤侵蝕分區(qū)圖,對(duì)黃土高原水土保持工作起到了重要的指導(dǎo)作用。20世紀(jì)60年代,關(guān)于黃土高原侵蝕產(chǎn)沙來(lái)源的研究取得了突破性進(jìn)展。錢(qián)寧組織黃河水利科學(xué)研究院等有關(guān)單位的專家在研究黃河下游河床演變時(shí)發(fā)現(xiàn),下游河道的淤積物主要是粒徑大于0.05mm的粗顆粒泥沙,由此提出了粗泥沙來(lái)源問(wèn)題[6]。在此基礎(chǔ)上,黃河水利委員會(huì)近年進(jìn)一步研究確定了1.88萬(wàn)km2的粗泥沙集中來(lái)源區(qū)[7]。蔣德麒等[8]對(duì)侵蝕產(chǎn)沙部位和產(chǎn)沙量進(jìn)行研究,認(rèn)為黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)溝谷地產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的2.9%～69.8%,第三副區(qū)占77.0%,黃土高原溝壑區(qū)占93.2%。之后,龔時(shí) 等[9]對(duì)黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)溝道小流域的泥沙來(lái)源做了進(jìn)一步研究。20世紀(jì)五六十年代我國(guó)土壤、地理、地貌等領(lǐng)域的一些專家依據(jù)天水、綏德、西峰等水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的小區(qū)資料,對(duì)土壤侵蝕與降雨、地形地貌因子的關(guān)系及侵蝕規(guī)律做過(guò)系統(tǒng)研究。承繼成[10]在綜合多家觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上認(rèn)為坡地流水作用是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,坡面侵蝕產(chǎn)沙存在著垂直分異規(guī)律。

20世紀(jì)70年代以來(lái),隨著美國(guó)通用土壤流失方程(USLE)的引入,黃土高原土壤侵蝕研究有了更大的進(jìn)展,一些學(xué)者對(duì)模型參數(shù)指標(biāo)開(kāi)展了大量且有成效的研究,對(duì)降雨侵蝕力指標(biāo)、土壤抗蝕性指標(biāo)、地形指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)選定等進(jìn)行了修正[11-15],建立了黃土高原降雨侵蝕力指標(biāo)體系,提出了適合本地區(qū)的侵蝕性暴雨標(biāo)準(zhǔn),先后在黃土高原地區(qū)建立了若干土壤流失預(yù)報(bào)方程。劉寶元[16]以USLE為藍(lán)本,利用黃土丘陵溝壑區(qū)徑流小區(qū)實(shí)測(cè)資料,建立了中國(guó)土壤流失預(yù)報(bào)方程,探索了我國(guó)土壤流失“通用預(yù)報(bào)模型”研究的途徑。同時(shí),我國(guó)還開(kāi)展了USLE在環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[17-18]。在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)黃土高原北部長(zhǎng)城沿線一帶存在著水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)分布的特殊地區(qū),并認(rèn)識(shí)到其土壤侵蝕強(qiáng)度高于水蝕和風(fēng)蝕地區(qū),其后對(duì)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)水土流失規(guī)律及治理開(kāi)展了不少研究[19-21]。

自20世紀(jì)80年代以后,人工模擬降雨技術(shù)、元素示蹤法與中子活化分析技術(shù)在土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)理、土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)和土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程研究中發(fā)揮了重要的作用,包括提出了適合黃土高原雨滴終速計(jì)算公式[22-24];系統(tǒng)研究了坡面細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕的發(fā)生發(fā)展過(guò)程[25-35];提出了淤地壩相對(duì)穩(wěn)定的概念,探討了淤地壩的攔泥減蝕機(jī)理[36-41]。在研究手段方面,一些學(xué)者基于土壤侵蝕過(guò)程的認(rèn)識(shí),對(duì)土壤侵蝕實(shí)體模型模擬理論進(jìn)行了嘗試探討[42-43]。

自20世紀(jì)90年代以來(lái),各類的侵蝕產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型得到了較快發(fā)展[44-56],而且諸如WEPP等國(guó)外模型在黃土高原的應(yīng)用研究也取得不少成果[57],同時(shí)GIS與RS技術(shù)在土壤侵蝕模型中得到廣泛應(yīng)用。值得提及的是,分布式侵蝕產(chǎn)沙模型已成為當(dāng)前土壤侵蝕預(yù)報(bào)研究的主要方向之一。近年來(lái),對(duì)土壤侵蝕機(jī)理的研究不斷深入,在土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制、坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性、侵蝕對(duì)氣候下墊面的響應(yīng)、黃土高原地區(qū)不同空間尺度侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律、土地利用覆蓋變化對(duì)侵蝕過(guò)程調(diào)控機(jī)制、黃土高原土壤侵蝕過(guò)程與調(diào)控、坡面與溝道侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程非線性的疊加效應(yīng)等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[58-74]。對(duì)于黃土高原水土流失綜合治理關(guān)鍵支撐技術(shù)等方面也取得了豐富的研究成果[75-76]。

1.2 存在的問(wèn)題

雖然我國(guó)在黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究方面取得了不少進(jìn)展,但總體來(lái)說(shuō),還有很多規(guī)律并沒(méi)有認(rèn)識(shí),諸如重力侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制、被覆對(duì)產(chǎn)流機(jī)制的脅迫作用、侵蝕尺度轉(zhuǎn)換、侵蝕對(duì)多元環(huán)境因子耦合的響應(yīng)機(jī)制、坡面-溝道侵蝕地貌單元的侵蝕輸沙動(dòng)力學(xué)關(guān)系等基本規(guī)律都是迫切需要研究的。在侵蝕產(chǎn)沙模擬方面,實(shí)體模擬的相似理論基本上停留在概念的探討層面上;在數(shù)學(xué)模擬研究中,國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的機(jī)理模型少,大多是直接移用或照搬國(guó)外的模型。對(duì)國(guó)外模型改進(jìn)的內(nèi)容多是方程參數(shù)的確定,而對(duì)方程結(jié)構(gòu)及方程參數(shù)確定方法的研究還不夠。同時(shí),由于試驗(yàn)觀測(cè)資料的限制,方程參數(shù)的確定也大多是結(jié)合應(yīng)用范圍內(nèi)局部地域的有限資料進(jìn)行的,對(duì)黃土高原重力侵蝕嚴(yán)重、暴雨產(chǎn)沙時(shí)空分布特別集中的特征并未在計(jì)算方法改進(jìn)中得到足夠反映。由于對(duì)國(guó)外模型控制方程的結(jié)構(gòu)及其計(jì)算方法未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的移植修改,因而,修改后的方程難以推廣應(yīng)用于黃土高原暴雨產(chǎn)沙過(guò)程的預(yù)報(bào)。

2 研究需求

2.1 優(yōu)化黃土高原水土流失治理方案

由于黃土高原地形地貌等侵蝕邊界條件具有較強(qiáng)的空間分異性,加之降雨時(shí)空分布極不均勻,因而黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的空間差異性很大。另外,不同類型水土保持措施對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的機(jī)理是不同的,不同類型措施的組合具有不同的減水減沙作用,即使同一類型的措施其布設(shè)區(qū)位不同,減水減沙效益也往往有較大差別。因此,為達(dá)到有效治理水土流失的目的,就必須對(duì)水土保持措施空間布設(shè)及其組合方案進(jìn)行優(yōu)化。為了優(yōu)化方案,就需要了解水土保持措施作用機(jī)理及不同類型措施的組合效應(yīng),以及研究坡面-溝道系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱坡溝系統(tǒng))的泥沙輸移關(guān)系。目前,關(guān)于裸地坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙耦合關(guān)系的試驗(yàn)研究取得了一些成果,但是還缺乏對(duì)不同水土保持措施配置下坡溝系統(tǒng)泥沙輸移關(guān)系及其規(guī)律的研究。另外,為科學(xué)布設(shè)溝道壩系工程布局,必須了解溝道重力侵蝕規(guī)律,而目前卻極其缺乏這方面的試驗(yàn)觀測(cè)研究,難以為溝道壩系設(shè)計(jì)提供科學(xué)的工程技術(shù)指標(biāo)。

2.2 科學(xué)評(píng)估和預(yù)測(cè)水土保持效益

隨著江河治理、流域管理和生態(tài)保護(hù)等生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展的需要,國(guó)內(nèi)外關(guān)于水土流失與水土保持效益評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的研究正逐步得到相關(guān)科技人員和管理者的重視。然而,就國(guó)內(nèi)外水土流失數(shù)學(xué)模型的總體發(fā)展水平來(lái)說(shuō),仍有不少關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究解決。國(guó)外研發(fā)的諸如USLE等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚖EPP等機(jī)理模型基本上只適用于緩坡地的侵蝕環(huán)境,不適應(yīng)于黃土高原陡坡地的情況。目前,我國(guó)已建的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖嗍且云旅嫠亮魇Ｐ秃托×饔虍a(chǎn)沙模型為主,而適用于大空間尺度的流域侵蝕產(chǎn)沙模型較少,加之受建模資料所限,驗(yàn)證區(qū)域和時(shí)域不夠,這些模型推廣應(yīng)用的局限性較大,通用性較差。我國(guó)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理模型的研究起步較晚,基本上處于探索階段。另外,非常缺乏小流域泥沙輸移過(guò)程、溝道水沙動(dòng)力學(xué)過(guò)程、土壤侵蝕時(shí)空分布、坡溝系統(tǒng)泥沙輸移沉積過(guò)程的關(guān)聯(lián)性等方面的試驗(yàn)觀測(cè),導(dǎo)致侵蝕產(chǎn)沙模型的研發(fā)受到眾多基本規(guī)律認(rèn)知瓶頸問(wèn)題的制約。因此,需要盡快研究科學(xué)評(píng)估水土保持效益的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 為制定黃河水沙調(diào)控運(yùn)行方案提供洪水泥沙指標(biāo)體系

水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是造成黃河下游河道嚴(yán)重淤積的主要原因。2002年以來(lái),黃河水利委員會(huì)利用小浪底水庫(kù)進(jìn)行了多次調(diào)水調(diào)沙,營(yíng)造協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系,取得了減少下游河道淤積、處理庫(kù)區(qū)泥沙的明顯效果。為制定科學(xué)合理的水沙調(diào)控運(yùn)行方案,就需要解決調(diào)水調(diào)沙期間洪水泥沙預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的問(wèn)題,需要提供水庫(kù)上游主要入黃支流的洪水流量過(guò)程、含沙量過(guò)程,以及洪水泥沙總量和洪水演進(jìn)等關(guān)鍵參數(shù)。然而,當(dāng)前對(duì)入黃支流洪水泥沙的預(yù)報(bào)還有一定的困難,其主要原因就在于對(duì)黃土高原坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙耦合關(guān)系、溝道泥沙輸移規(guī)律及植被作用機(jī)理了解不夠,難以建立起機(jī)理清晰的次暴雨洪水泥沙預(yù)報(bào)模型。因此,通過(guò)對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙規(guī)律和小流域泥沙輸移規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究,就可以為洪水泥沙過(guò)程參數(shù)的模擬預(yù)報(bào)提供理論支撐,從而實(shí)現(xiàn)估算和預(yù)報(bào)不同區(qū)間入黃洪水泥沙量及其過(guò)程,為制定黃河水沙調(diào)控運(yùn)行方案提供洪水泥沙指標(biāo)體系。

3 未來(lái)的研究方向

根據(jù)黃土高原水土保持生態(tài)建設(shè)和黃河治理開(kāi)發(fā)的重大實(shí)踐需求,針對(duì)我國(guó)關(guān)于黃土高原土壤侵蝕研究的不足,建議今后在研究手段上應(yīng)當(dāng)從非比尺實(shí)體模型試驗(yàn)逐步轉(zhuǎn)向具有嚴(yán)格比尺意義的實(shí)體模型試驗(yàn);在研究方法上,應(yīng)注重與流體動(dòng)力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等力學(xué)學(xué)科方法的結(jié)合;在研究對(duì)象上,應(yīng)從坡面擴(kuò)展至坡溝系統(tǒng);在研究?jī)?nèi)容上,應(yīng)加強(qiáng)以坡溝系統(tǒng)或小流域?yàn)榍治g產(chǎn)沙地貌單元的泥沙輸移規(guī)律及水沙關(guān)系的研究。

建議對(duì)黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方向:

a.重力侵蝕規(guī)律。根據(jù)研究,黃土高原不少地區(qū)小流域重力侵蝕是流域泥沙的主要來(lái)源。由于重力侵蝕類型多且影響因素復(fù)雜,加之重力侵蝕發(fā)生的隨機(jī)性較大,重力侵蝕研究一直是土壤侵蝕研究的薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)通過(guò)野外調(diào)查、觀測(cè)和室內(nèi)模擬試驗(yàn),闡明黃土高原重力侵蝕空間分布特征與分異規(guī)律;分析重力侵蝕發(fā)生的動(dòng)力因素;辨識(shí)重力侵蝕的控制參量、狀態(tài)參量、誘發(fā)參量與時(shí)間因子;揭示重力侵蝕發(fā)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和重力侵蝕發(fā)生的動(dòng)力臨界;研究重力侵蝕的動(dòng)力作用與隨機(jī)過(guò)程的關(guān)聯(lián)機(jī)制,建立重力侵蝕發(fā)生的特征方程與產(chǎn)沙量估算模式,推進(jìn)流域侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难邪l(fā)與應(yīng)用。

b.不同治理措施配置下坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙耦合關(guān)系及泥沙輸移規(guī)律。坡溝系統(tǒng)復(fù)雜的耦合侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系是黃土高原土壤侵蝕的重要特征。目前,對(duì)不同措施配置下坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程試驗(yàn)觀測(cè)研究的缺乏,極大地制約了具有物理成因的侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理模型的進(jìn)展和水土保持治理措施布設(shè)方案優(yōu)化等生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展。應(yīng)通過(guò)分階段研究,闡明坡溝系統(tǒng)在不同水土保持措施配置下的侵蝕產(chǎn)沙耦合作用關(guān)系,揭示不同措施配置對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響程度,揭示不同治理措施下坡溝系統(tǒng)泥沙輸移過(guò)程與規(guī)律,建立定量表述其規(guī)律的數(shù)學(xué)模式,為建立具有物理成因的侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理模型提供所需參數(shù),從而科學(xué)評(píng)估黃土高原坡溝系統(tǒng)在不同措施組合及空間布設(shè)方案下的治理效益,提高規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性,達(dá)到優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)水土保持治理投資的效益最大化。

c.植被措施作用下的水文效應(yīng)和產(chǎn)流機(jī)制。近年來(lái),植被措施的水文效應(yīng)及對(duì)產(chǎn)流機(jī)制的影響作用逐漸引起人們的關(guān)注,這既是認(rèn)識(shí)當(dāng)前黃河水沙變化成因的重要科學(xué)命題,也是評(píng)價(jià)水土保持生態(tài)建設(shè)效果、預(yù)測(cè)黃河水沙變化趨勢(shì)的重要瓶頸問(wèn)題,為此,迫切需要通過(guò)有、無(wú)植被情況下的對(duì)比模擬試驗(yàn),闡明不同被覆度、不同類型的植被對(duì)黃土高原土壤入滲、地表地下產(chǎn)流過(guò)程的影響,研究降雨-產(chǎn)流對(duì)被覆的響應(yīng)關(guān)系,揭示植被對(duì)產(chǎn)流機(jī)制變化的脅迫作用及侵蝕產(chǎn)沙隨被覆率變化的臨界閾。

d.土壤侵蝕產(chǎn)沙發(fā)生發(fā)展過(guò)程尺度轉(zhuǎn)換。土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展過(guò)程、時(shí)空分布、耦合關(guān)系等特性都是尺度依存的,具有時(shí)間、空間抑或時(shí)空尺度特征。因而,只有在連續(xù)尺度序列上對(duì)土壤侵蝕過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和研究,才能準(zhǔn)確把握其內(nèi)在規(guī)律。而目前對(duì)土壤侵蝕的觀測(cè)手段多為坡面微型小區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)小區(qū),僅在離散和單一尺度上進(jìn)行,其觀測(cè)結(jié)果不能反映以坡溝系統(tǒng)為地貌單元組成的流域尺度上的土壤侵蝕規(guī)律,尤其對(duì)于黃土高原地區(qū),由于其侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程具有強(qiáng)烈的時(shí)空分異性,解決其尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題更為重要。為此,需要通過(guò)設(shè)置不同尺度的觀測(cè)樣區(qū),結(jié)合數(shù)學(xué)模擬手段,采用尺度上推的途徑,對(duì)試驗(yàn)小區(qū)尺度的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行聚集或解聚,實(shí)現(xiàn)對(duì)單元流域尺度范圍內(nèi)侵蝕過(guò)程的整體把握。應(yīng)重點(diǎn)研究土壤侵蝕分異性、侵蝕速率隨尺度的變化規(guī)律,不同尺度上的主導(dǎo)侵蝕過(guò)程與類型、侵蝕過(guò)程特性,土壤侵蝕影響因素作用的尺度效應(yīng),以及土壤侵蝕可預(yù)測(cè)性隨尺度變化的效應(yīng)等。

e.黃土高原主要產(chǎn)沙流域水沙劇減成因。近年來(lái),黃土高原不少支流的水沙出現(xiàn)劇減的現(xiàn)象,產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律發(fā)生變化,對(duì)于黃河治理開(kāi)發(fā)的重大決策帶來(lái)極大影響。因此,迫切需要分析水沙系列變化過(guò)程特征并辨識(shí)其突變點(diǎn);分析降雨與下墊面變化特征,開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目等人類活動(dòng)對(duì)侵蝕發(fā)生的激發(fā)機(jī)制和作用,水土保持措施對(duì)洪水的控制作用及對(duì)產(chǎn)流機(jī)制的脅迫作用,以及降雨-洪水-泥沙關(guān)系變化規(guī)律,從而揭示水沙變化對(duì)降雨、下墊面、人類活動(dòng)多元因子耦合作用的響應(yīng)關(guān)系,辨識(shí)多因子對(duì)水沙變化的貢獻(xiàn)率,搞清流域水沙劇減的成因,并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)。

f.黃土高原水土流失模擬理論與技術(shù)。土壤侵蝕模擬包括實(shí)體模型模擬和數(shù)學(xué)模型模擬。在實(shí)體模型模擬方面,目前的試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象多為雨滴特性、坡面徑流侵蝕等,將濺蝕、坡面侵蝕及溝道侵蝕作為一個(gè)整體過(guò)程的模擬試驗(yàn)研究還比較少,而產(chǎn)沙量預(yù)報(bào)的困難也正在于對(duì)從土壤侵蝕到泥沙沉積或產(chǎn)沙過(guò)程的整體了解。同時(shí),國(guó)內(nèi)外所開(kāi)展的土壤侵蝕實(shí)體模型試驗(yàn)基本上均是非嚴(yán)格比尺的。因而,要實(shí)現(xiàn)對(duì)坡溝系統(tǒng)和流域尺度上完整侵蝕過(guò)程的定量模擬,迫切需要研究土壤侵蝕的相似性問(wèn)題,或者說(shuō)具有嚴(yán)格比尺意義的侵蝕試驗(yàn)理論、方法與技術(shù)已成為亟待解決的問(wèn)題,急需研究坡面、坡溝系統(tǒng)和小流域比尺模型幾何相似條件或相似律,以及相似比尺體系。

在數(shù)學(xué)模擬方面,需要建立起復(fù)雜侵蝕環(huán)境下的水土流失評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型,包括建設(shè)基于衛(wèi)星遙感、DEM等信息源的解譯、提取和存儲(chǔ)系統(tǒng);建立評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型系統(tǒng),包括年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、次暴雨洪水泥沙分布式機(jī)理模型、次暴雨降水-產(chǎn)洪-輸沙預(yù)報(bào)耦合模型和次暴雨洪水泥沙作業(yè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng);研究模型系統(tǒng)與GIS雙向緊密耦合技術(shù),提高模型評(píng)價(jià)效率和精度。同時(shí),還需要逐步開(kāi)展土壤侵蝕-面源污染過(guò)程耦合模型、土壤侵蝕-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多元耦合模型的研究。

4 研究方法與途徑

a.建設(shè)黃土高原土壤侵蝕試驗(yàn)觀測(cè)體系。目前,黃土高原土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展過(guò)程的試驗(yàn)觀測(cè)方法、手段和內(nèi)容還很不完善,在溝道重力侵蝕、全坡面侵蝕、坡溝系統(tǒng)侵蝕、流域泥沙輸移過(guò)程及侵蝕產(chǎn)沙水動(dòng)力學(xué)參數(shù)等方面均缺乏試驗(yàn)觀測(cè),使土壤侵蝕研究者只能望“原”興嘆,苦于無(wú)奈。為此,應(yīng)從國(guó)家層面統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè),構(gòu)建能夠滿足建立黃土高原侵蝕產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)和評(píng)價(jià)水土保持措施效益需求的黃土高原土壤侵蝕試驗(yàn)觀測(cè)體系,解決黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究在現(xiàn)象揭示、過(guò)程認(rèn)知和信息采集等方面的制約性問(wèn)題。依托黃土高原土壤侵蝕試驗(yàn)觀測(cè)體系,開(kāi)展黃土高原全坡面侵蝕、溝道侵蝕及坡溝系統(tǒng)侵蝕過(guò)程的原型觀測(cè)和人工模擬試驗(yàn)研究,觀測(cè)侵蝕產(chǎn)沙的空間傳遞過(guò)程、規(guī)律以及水動(dòng)力學(xué)參數(shù),揭示其侵蝕產(chǎn)沙作用機(jī)理。為此,應(yīng)該在黃土高原不同類型區(qū)選擇有代表性的小流域、陡坡坡面、溝道、坡溝系統(tǒng)等布設(shè)水文、氣象和水土保持觀測(cè)設(shè)施,在室內(nèi)建設(shè)坡面、溝道、小流域等侵蝕產(chǎn)沙實(shí)體模型,采集水土流失和水土保持相關(guān)數(shù)據(jù),開(kāi)展侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的精細(xì)觀測(cè),探索不同水土流失區(qū)的水土流失規(guī)律,并積累足夠的觀測(cè)資料,為構(gòu)建相關(guān)侵蝕產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證條件。

b.運(yùn)用土壤侵蝕模型模擬與反演技術(shù)。土壤侵蝕機(jī)理模型可以對(duì)侵蝕過(guò)程及其時(shí)空分布、尺度關(guān)系進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和反演,是認(rèn)識(shí)和揭示土壤侵蝕過(guò)程發(fā)生發(fā)展規(guī)律的有效手段之一。通過(guò)建立機(jī)理模型,賦予不同的下墊面、地形地貌等邊界條件和設(shè)計(jì)降水等初始條件,對(duì)不同空間尺度的土壤侵蝕過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,從而了解植被、降水、水土保持工程和地形地貌等因素對(duì)土壤侵蝕的作用,進(jìn)而揭示在一定邊界條件下土壤侵蝕產(chǎn)沙對(duì)干擾因素的響應(yīng)關(guān)系,以及不同尺度下的主導(dǎo)侵蝕過(guò)程、侵蝕速率和侵蝕特性的變化規(guī)律,認(rèn)識(shí)土壤侵蝕的空間分異性。

c.加強(qiáng)學(xué)科交叉與融合。由于黃土高原自然地理環(huán)境極為復(fù)雜,多種侵蝕類型交互耦合,要深化認(rèn)識(shí)黃土高原土壤侵蝕規(guī)律、完善水土保持減水減沙效益評(píng)價(jià)試驗(yàn)預(yù)測(cè)方法,決非僅靠單一學(xué)科或相同專業(yè)人員就可實(shí)現(xiàn)的,必須打破行業(yè)壁壘,遵循科研規(guī)律,開(kāi)展多學(xué)科交叉和多專業(yè)聯(lián)合攻關(guān),充分吸收國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的理論和經(jīng)驗(yàn),使黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究和侵蝕產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型建設(shè)得到更為廣泛的技術(shù)力量支持,進(jìn)一步提升黃土高原水土流失治理的科技水平。

d.實(shí)現(xiàn)信息共享。以遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)線通訊系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)為技術(shù)支撐,從國(guó)家層面上建立黃土高原水土保持生態(tài)立體監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)觀測(cè)和信息共享網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)建立黃土高原侵蝕產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)要求,從地面、航空、航天 3個(gè)層次,從流域坡面、溝道、流域系統(tǒng)三類地貌單元開(kāi)展黃土高原水土流失相關(guān)參數(shù)的立體、全方位的試驗(yàn)觀測(cè),包括地形、地貌、下墊面、土壤、徑流泥沙、降雨、土壤可蝕性和抗蝕性等參數(shù),將室內(nèi)外的、不同區(qū)域的試驗(yàn)研究站點(diǎn)形成數(shù)據(jù)和信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕與信息共享,為土壤侵蝕規(guī)律研究提供必不可少的、至關(guān)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與信息。

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