吳 釗,李戈亮,孫怡萍

(西安市水利規(guī)劃勘測設(shè)計院,西安 710054)

0 前 言

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略指出黃河中游的問題是水土流失與污染治理。新中國成立70多年來，黃土高原水土保持工作依次經(jīng)歷了因害設(shè)防階段(1949—1980年)、綜合治理階段(1980一2000年)和生態(tài)修復階段(2000年以后)，取得了顯著的成效[1]。近年來，黃土高原大部分為植被所覆蓋，生態(tài)環(huán)境明顯向好，輸入黃河的泥沙銳減，泥沙含量一般低于10 kg/m3,接近史前黃河泥沙含量，河道萎縮態(tài)勢初步遏制，水土保持工作在泥沙攔截方面成效突出，遏制了地上懸河發(fā)展，確保了黃河下游安全。

黃土高原水資源調(diào)控機理研究及生態(tài)環(huán)境保護是支撐蓄水保土目標實現(xiàn)的核心，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的必要舉措。眾多學者在此方面進行了大量研究，并取得了豐富的成果和認識。目前，黃土高原水土保持成果顯著，區(qū)內(nèi)植被凈初級生產(chǎn)力已經(jīng)接近該區(qū)水資源承載力閾值，進一步擴大該區(qū)植被建設(shè)面積將不可避免地加劇水資源短缺、不平衡分配、水文環(huán)境效應(yīng)等問題。水資源調(diào)控和生態(tài)保護面臨著新的挑戰(zhàn)。

因此，在新時期黃土高原水資源的形成、轉(zhuǎn)化和利用的研究中，考慮保證河流生態(tài)需水的前提下，留住降水、攔截洪水、用好地下水，做好降水-地表水-地下水等水資源優(yōu)化配置，是支撐黃土高原生態(tài)系統(tǒng)修復和保護的關(guān)鍵。為此，本文綜述了黃土高原水資源利用、調(diào)控與生態(tài)保護的最新進展，分析了存在的問題，進而提出了下一步應(yīng)加強極端環(huán)境下黃土高原坡面徑流優(yōu)化調(diào)控、土壤有效水分及基流量的調(diào)控、以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控研究，加深對黃土高原水資源調(diào)控和生態(tài)系統(tǒng)恢復與保護的認識，為黃土高原生態(tài)環(huán)境保護與高質(zhì)量發(fā)展提供服務(wù)。

1 黃土高原水資源形成與調(diào)控機制研究進展

1.1 黃土高原水資源形成機制

在氣候變化、植被蒸騰作用、水土保持措施共同驅(qū)動下，黃土高原植被蒸散耗水量增加顯著，加劇了區(qū)域水資源供需矛盾，榆林地區(qū)降雨量和實測徑流量的線性相關(guān)關(guān)系已嚴重惡化，降雨徑流關(guān)系異常[2]。在新形勢下降雨徑流關(guān)系異常復雜，不能用常態(tài)化的平衡關(guān)系去衡量，需要建立黃土高原降雨徑流新型關(guān)系機制。

黃土高原降雨徑流過程形成機理較為復雜，目前，經(jīng)常用到的方法主要有：解析法，數(shù)理統(tǒng)計、水文模型法、水文地球化學方法、智能化方法。也有一部分專家采用室內(nèi)降雨試驗[3]、同位素技術(shù)[4]對黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征進行研究。黃新會[5]構(gòu)建了基于天然變雨強降雨條件及侵蝕形態(tài)的黃土地區(qū)坡面水文模型。傳統(tǒng)的解析法和數(shù)理統(tǒng)計方法，主要是依據(jù)降雨雨徑流資料，建立經(jīng)驗統(tǒng)計模型，忽視了下墊面的條件。傳統(tǒng)的水文模型大多屬集總式的水文模型，不能很好反映水文要素在空間上的變化，分布式水文模型在理論上的深化與應(yīng)用上的廣闊前景，顯示了其優(yōu)越性[6]。例如SWAT[7-8]，VIC[9]，SHE，MIKE-SHE，TOPMODEL模型等，能充分反映降雨和下墊面時空尺度變化對徑流的影響，部分已用于黃土高原的小流域[10]。

1.2 黃土高原坡面降雨-徑流-土壤有效水分調(diào)節(jié)技術(shù)

黃土高原生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵在于水的調(diào)控?？茖W的降雨、徑流和土壤水調(diào)控體系改變坡面徑流過程，延長產(chǎn)流時間，削弱徑流量及其流速，減輕水土流失，同時又可以對降水在時空上進行人工調(diào)節(jié)，使寶貴的降水資源得到充分和有效的利用，是新時期黃土高原高質(zhì)量發(fā)展的一項重點支撐工作。

(1) 在降雨徑流調(diào)控機理方面，大多數(shù)專家從水循環(huán)與水平衡過程、水文聯(lián)通性、生態(tài)水文過程來進行調(diào)控。通過研究流域和地壩系的水分富集和輸移通道的水文連通特征，減少地表徑流，存貯大量水資源進行調(diào)控[11]。另外，陽輝[12]等人從林草地水文生態(tài)效應(yīng)角度，探討山地生態(tài)水文過程、降水資源調(diào)控技術(shù)措施和山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控的相關(guān)關(guān)系。為充分利用水資源，應(yīng)對黃土高原水土流失和干旱缺水問題，引入分布式水文模擬技術(shù)，建立了分布式雨水資源化潛力評估模型，評估雨水資源化潛力，提高了雨水資源化利用率，保障生態(tài)經(jīng)濟協(xié)同可持續(xù)發(fā)展[13]。

(2) 在土壤水調(diào)節(jié)機理研究方面，土壤水作為陸地水循環(huán)和水量平衡的一個重要組成部分，在土壤-植被-大氣連續(xù)體物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化中起著重要的作用，成為陸面過程研究匯總的重要參量[14]。黃土高原的土壤水庫經(jīng)常處于有庫無水的狀態(tài)，延遲產(chǎn)流時間與提高土壤水分入滲是水資源調(diào)控的重要技術(shù)手段。王健系統(tǒng)分析了土壤水庫的補給、消耗和動態(tài)特征，借助線形擾動理論，對土壤水庫進行了動態(tài)模擬和探索[15]。鄭飛龍等人從林冠層的截留能力、枯枝落葉層的截持能力和林地土壤的持水能力3個方面，對黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林截留和攔蓄降雨研究進行綜合分析，雖發(fā)現(xiàn)目前涵養(yǎng)林攔蓄降雨的定性研究較多，但定量研究不夠深入，土壤水分的量化指標不夠全面,動態(tài)平衡也需要繼續(xù)研究[16]。

1.3 黃土高原水資源高效利用技術(shù)

在黃土高原將本來就短缺的間歇性和離散型特征的降水、徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邢鄬Τ掷m(xù)供水能力的穩(wěn)定系統(tǒng)，來彌補地區(qū)生產(chǎn)、生活供水不足，實現(xiàn)水資源高效利用顯得非常重要[11]。在黃土高原降雨徑流高效利用工程方面，經(jīng)過諸多工程實踐，目前還是比較成熟。一般來說，水資源高效利用工程體系分為徑流截流分流工程、徑流聚集工程和徑流駐用工程。徑流截留分流工程主要包括：坡面截流分流工程、梯田截流分流工程、截流引流工程、溝道引流工程等，具體措施有植被措施，坡改梯工程。徑流聚集工程主要包括坡面徑流聚集工程、水土保持植物聚流分流和水土保持耕作聚流分流，具體措施有壩地、引洪漫地、造林整地工程、澇池、水窖等。徑流駐用工程：駐留池、水窖和溝道駐留工程。

1.4 水資源優(yōu)化配置理論方法

資源優(yōu)化配置是一個復雜的大系統(tǒng)多目標決策問題，由于近期水土保持等人類活動的影響，黃土高原水資源優(yōu)化配置較為復雜，需考慮約束條件涉及到生態(tài)效益、經(jīng)濟效益、水資源承載能力等一系列內(nèi)容。目前，大多數(shù)水資源優(yōu)化配置已經(jīng)從單目標向復雜系統(tǒng)多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)變，水資源的綜合價值和不同行業(yè)間用水的公平開始被用于指導水資源調(diào)配[17-18]。王煜等人[19]基于社會福利學原理構(gòu)建了統(tǒng)籌用水效率與公平的水資源均衡調(diào)控函數(shù)，通過水資源均衡調(diào)控函數(shù)引導水資源配置，綜合水資源經(jīng)濟價值、社會價值和生態(tài)價值，建立了用水效率表征指標；統(tǒng)籌地區(qū)公平和行業(yè)協(xié)調(diào)，建立了用水公平表征指標。目前，缺水流域水資源配置理論和方法方面的研究已取得一定成果，對水資源大系統(tǒng)多目標配置、區(qū)域和行業(yè)公平性與效率的統(tǒng)籌等方面均取得了一定的成果。

2 存在的問題

2.1 缺少適合黃土高原地區(qū)科學合理的水文模型

水文模型模型相對復雜，由于其離散方法和基本假設(shè)不同，涉及降雨和下墊面數(shù)據(jù)資料參數(shù)較多，以往流域水文模型在模擬坡面水文過程時，要么采用集總性概念模型，要么將坡面作為均勻面來處理，均沒有考慮黃土高原溝谷侵蝕和水保措施的空間分布，不能反映水土保持水文效應(yīng)的空間差異性，以致在建立水文模型中難以使用，這是制約發(fā)展黃土高原流域水文模型的一個重要問題。

2.2 變化環(huán)境下降雨-徑流-土壤水再分配機理尚不明確

以往研究主要集中在地表徑流攔蓄、疏導、存儲、調(diào)控和利用技術(shù)方面，黃土高原溝谷破碎、生態(tài)保持工程的實施等多種變化環(huán)境下降雨徑流運行規(guī)律、土壤有效水、雨洪水資源化潛力評價、降雨徑流調(diào)控及環(huán)境效應(yīng)等相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究還相對薄弱，仍缺乏理論依據(jù)。

2.3 有效土壤水分的適宜承載力和調(diào)節(jié)機制研究較為薄弱

在降水量少、植物蒸騰量大、人為擾動劇烈等因素的長期共同作用下，黃土高原土壤水分負平衡現(xiàn)象發(fā)生頻繁，土壤干燥化日趨嚴重，嚴重影響植被生長狀況，土壤干層的發(fā)生過程和規(guī)律以及調(diào)控機制是以后的研究趨勢[20]。增加黃土高原土壤水庫庫容和適宜承載力，緩解嚴重缺水現(xiàn)狀，避免土壤干層的產(chǎn)生，為大規(guī)模植被建設(shè)提供有效水源，同步實現(xiàn)水土資源的安全高效利用。

2.4 水土保持措施的水文環(huán)境效應(yīng)綜合評價不夠全面

在不明確變化環(huán)境水資源轉(zhuǎn)化機制、植被恢復蒸騰耗水機制前提下，因大面積植被建設(shè)，耗水量大于降水量，且地下水埋藏深，土壤水分循環(huán)處于負平衡所致的生態(tài)問題。眾多學者所建立的模型仍屬于沒有具體物理含義的模型，僅能對水土保持資源化環(huán)境效應(yīng)作出簡單的優(yōu)劣判斷，綜合性定量評價指標和評價方法較為缺乏，有待進一步深入探討。

2.5 水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復和調(diào)蓄作用被忽視

黃土高原地區(qū)水土資源的調(diào)控技術(shù)側(cè)重于點尺度上的水土保持及水利工程等調(diào)控措施，如動力攔截技術(shù)、就地入滲技術(shù)、徑流蓄存技術(shù)以及集蓄灌溉技術(shù)等，大多數(shù)以點(淤地壩、集雨工程)、線(河道、渠系)連接為核心的傳統(tǒng)工程控水模式為主，忽視工程的次生災(zāi)害環(huán)境影響；未能統(tǒng)籌考慮植被-土壤對減緩水問題的功能，忽視水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復和調(diào)蓄作用。

3 研究趨勢

3.1 極端環(huán)境下黃土高原坡面徑流優(yōu)化調(diào)控

(1) 黃土高原坡面生態(tài)水文過程模擬

以黃土高原水的保持為切入點，科學調(diào)控降水、徑流、溝道水，確保水資源安全高效利用、減少坡溝侵蝕、生態(tài)植被健康可持續(xù)生長，從而為實現(xiàn)黃土高原綠水青山以及金山銀山提供最基礎(chǔ)的水資源保障。借鑒分布式水文模型和3S技術(shù)，考慮下墊面空間變異性與非均勻性，通過空間分析、屬性提取與尺度轉(zhuǎn)換，構(gòu)建不同立地情況(坡度、地貌類型：梁峁、坡面、溝谷；土地利用類型：耕地、林地、草地)典型極端暴雨情況下降雨-徑流分布式水文模型，揭示黃土高原典型流域產(chǎn)流、集流過程；揭示生態(tài)恢復水文演變過程，預(yù)測社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)建設(shè)工程情景下水循環(huán)和水平衡動態(tài)趨勢，充分挖掘降雨地表徑流資源利用潛力，提高水資源的利用效率，為科學調(diào)控降雨徑流提供理論依據(jù)。

(2) 基于微地形和植被格局的雨洪水資源利用

黃土高原全年降水主要集中在夏、秋季節(jié)，往往以暴雨形式降落，地表徑流多以暴漲暴落的山坡洪水形式流失。因此，開展不同降雨強度和歷時情況下基于微地形和植被格局的洪水資源利用研究，提升流域"水彈性"，豐水期既可以削減洪峰，減少小流域的土壤流失和水災(zāi)，又能夠加大攔蓄，減輕周邊和下游洪水威脅；枯水年份既可以基本維持小流域田糧果蔬等基本生產(chǎn)生活，又能夠為下游輸水，為大流域生態(tài)維護供水。

3.2 土壤有效水分及基流量的調(diào)控機理研究

(1) 土壤水庫的調(diào)蓄深度和利用強度提升技術(shù)

土壤干層造成土壤水庫調(diào)蓄能力降低，直接影響著林木發(fā)育，黃土高原的“小老頭樹”就是典型的土壤儲水量不足的典型寫照，研究不同生態(tài)建設(shè)措施下流域土壤水時空分布特征、時間穩(wěn)定性特征，揭示不同生態(tài)建設(shè)措施對土壤水的消耗與補償作用，提高土壤水庫的調(diào)節(jié)深度和強度，合理的土壤儲水調(diào)蓄成為黃土高原生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展的核心問題。劉丙霞研究檸條灌木和苜蓿草地土壤干層的形成發(fā)育過程及其動態(tài)變化規(guī)律[21]，為黃土高原灌草植被管理和土壤干層調(diào)控提供科學依據(jù)。在以后的研究工作中，對于土壤水庫的調(diào)蓄深度、利用強度的研究決定水土保持閾值以及生態(tài)建設(shè)成效的關(guān)鍵。

(2) 基于景觀斑塊布局的基流量調(diào)節(jié)

基流是干旱區(qū)最重要的枯季水文特征之一，在維持河川徑流和維護流域生態(tài)安全等方面具有重要意義。目前，基流與景觀格局之間相互作用關(guān)系深入研究相對較少。景觀斑塊格局破碎程度、復雜程度都會影響基流量。土地利用景觀格局與徑流量相關(guān)性不是很強，但與基流量和基流指數(shù)相關(guān)性顯著，景觀格局對基流具有很強的調(diào)控作用。在生態(tài)建設(shè)中，不僅要注重景觀類型的均一化程度，還要重視景觀格局對水文過程的響應(yīng)，應(yīng)尋求合理的景觀格局配置，進而提高流域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[22]。

3.3 以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的黃土高原生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控

(1) 基于現(xiàn)有蓄水保土工程的生態(tài)系統(tǒng)自然恢復體系構(gòu)建

遵循水循環(huán)自然規(guī)律，按植被生態(tài)系統(tǒng)自身規(guī)律演替，系統(tǒng)布置和建設(shè)人工林草，結(jié)合黃土高原已有蓄水保土工程，充分發(fā)揮現(xiàn)有的自然要素對水循環(huán)多過程的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)坡面-河道、地表-土壤-地下、常態(tài)與極值過程間的協(xié)調(diào)多過程間，由工程控水為主向富自然調(diào)蓄水轉(zhuǎn)變自然調(diào)蓄，讓水和沙去其應(yīng)該去的地方[23]。目前，水土保持工程設(shè)施要科學合理布局坡耕地、旱田、壟溝及微地貌特征，提高降水的有效性，充分依靠構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)自然恢復，使人工林草的建設(shè)，充分遵循土地的適宜性、生物的多樣性和水資源的承載力，在改善生態(tài)的同時，防治防止過度生態(tài)建設(shè)。

(2) 以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的水資源仿真模擬與調(diào)控

水資源短缺和生態(tài)環(huán)境脆弱是黃土高原面臨的亟待解決的關(guān)鍵科學問題，以水資源荷載平衡和生態(tài)系統(tǒng)健康為約束，以降雨徑流調(diào)控技術(shù)、水土保持措施進行方案組合，建立水資源仿真模擬模型，采用多目標模型以及智能計算技術(shù)，提出黃土高原水資源優(yōu)化配置格局和配置方案，探索蓄水保土新的協(xié)調(diào)關(guān)系，提高水資源、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與其他經(jīng)濟社會要素的匹配性，促進區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境以及社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.4 黃土高原水土資源協(xié)同利用的智能化技術(shù)

為提高快速獲取和處理水資源、土地利用信息能力，需要發(fā)展空天地一體化探測觀測技術(shù)，提升創(chuàng)新水土資源利用的監(jiān)測與信息化理論技術(shù)。以遙感影像監(jiān)測、無人機監(jiān)測、移動監(jiān)測等手段為依據(jù)，天、空、地相互協(xié)調(diào)和補充，從不同尺度、不同角度實現(xiàn)水土資源動態(tài)監(jiān)測，并結(jié)合大數(shù)據(jù)智能計算方法進行評估、預(yù)測和管理。

4 結(jié) 語

目前，黃土高原水土保持工作取得了有效的成果，但水資源調(diào)控機理研究及生態(tài)環(huán)境保護是支撐蓄水保土目標實現(xiàn)的關(guān)鍵，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的必要舉措。在黃土高原水資源調(diào)控及生態(tài)保護過程中，應(yīng)進一步加強極端環(huán)境下黃土高原坡面徑流優(yōu)化調(diào)控、土壤有效水分及基流量的調(diào)控機理、以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的黃土高原生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控、黃土高原水土資源協(xié)同利用的智能化技術(shù)等領(lǐng)域的研究，為黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學研判。