畢慈芬，王富貴，李學勇

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.黃河水利委員會 天水水土保持科學試驗站，甘肅 天水 741000)

1 問題提出

黃河的癥結是泥沙問題，特別是粒徑大于0.05 mm的河床質泥沙[1]。砒砂巖區(qū)是黃土高原粗泥沙來源的核心區(qū)域，地形破碎，坡陡流急，呈光山禿嶺、千溝萬壑之貌，被喻為“世界水土流失之最”“地球癌癥”“地球上的月球”和“死亡之谷”。砒砂巖自下而上有古生代二疊紀地層、中生代三疊紀地層、侏羅紀地層和白堊紀地層，其上層覆蓋了第三紀紅土和第四紀黃土。砒砂巖的特點是：無水干硬如石，遇水則軟如泥，遇凍融則膨脹疏松，遇風則風化剝蝕。由于植被生長困難，當?shù)厝罕娦稳葸@種巖石毒如砒霜，故稱砒砂巖，其實是各種泥質砂巖。

砒砂巖區(qū)主要分布于黃河一級支流皇甫川、窟野河和清水川流域，系基巖產(chǎn)沙區(qū)的核心，總面積約11 683 km2，其中完全裸露面積6 265 km2，蓋沙砒砂巖2 623 km2，蓋土砒砂巖2 795 km2[2]。砒砂巖區(qū)總面積占河龍區(qū)間總面積的12%，占黃河多沙粗沙區(qū)總面積的13%；僅皇甫川和窟野河的產(chǎn)沙量就有1.08億t，占河龍區(qū)間總沙量的33%，占基巖產(chǎn)沙區(qū)粗沙總量的47%。為此，首先要弄清楚砒砂巖區(qū)的土壤侵蝕規(guī)律，才能尋找到有針對性的防止土壤侵蝕的新技術。

黃土高原土壤侵蝕以溝蝕為主。實踐證明，淤地壩適用于中下游溝床比降小于1%的溝道攔截泥沙。而對正處于侵蝕發(fā)育階段，溝道比降大于1%，溝長小于1 000 m，表現(xiàn)為溝頭前進、溝岸擴張、溝底下切的支毛溝，淤地壩在此類區(qū)域很難穩(wěn)定存在。如內蒙古準格爾旗西召溝東一支溝，若遇30 mm以上的次降雨量，小型淤地壩就會被水流沖垮。因此，對產(chǎn)沙集中的支毛溝溝頭一直缺乏有效的防治技術，這就是我們提出沙棘植物柔性壩攔沙試驗研究的主要緣由。

“砒砂巖區(qū)沙棘植物柔性壩試驗研究”課題在水利部和黃河水利委員會(以下簡稱“黃委”)的大力支持和幫助下，于1995年11月23日獲得批準，在黃委黃河上中游管理局正式立項，試驗期5年。該課題2004年6月12日通過鑒定，結論是：沙棘植物柔性壩試驗抓住了黃河治理的一項關鍵技術，是利用沙棘生物特性在砒砂巖地區(qū)治理水土流失的一項技術創(chuàng)新。

2 砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的基本規(guī)律研究

砒砂巖區(qū)產(chǎn)沙量大且集中在溝壑，大多數(shù)泥沙來自支毛溝溝頭的溝谷坡面非徑流產(chǎn)沙，為了弄清楚非徑流產(chǎn)沙和暴雨徑流產(chǎn)沙的數(shù)量、部位、時序、方式，以及產(chǎn)流產(chǎn)沙和匯流過程中各自的特征、作用和相互影響，布設了非徑流產(chǎn)沙小區(qū)進行觀測，研究凍融侵蝕和非徑流坡裙堆積物發(fā)生規(guī)律。

2.1 非徑流土壤侵蝕觀測

據(jù)資料，每年10月至次年5月是砒砂巖區(qū)凍融風化產(chǎn)沙的集中時段，即非徑流土壤侵蝕產(chǎn)沙時段。

2.1.1 凍融侵蝕厚度觀測

(1)西召溝東一支溝平均凍融風化侵蝕厚度為5.2 cm，按砒砂巖顏色排列為：藍色砂泥巖7 cm，紫色砂泥巖6 cm，白色砂泥巖5 cm，黃色砂泥巖2 cm。

(2)西召溝溝頭東三支溝、東五支溝、東六支溝平均凍融風化侵蝕厚度為7.6 cm，其中東三支溝、東五支溝分別為7.03、8.37 cm，東六支溝為7.35 cm(陰谷坡)和7.85 cm(陽谷坡)。

(3)2001年12月5日，東五支溝2號小區(qū)出現(xiàn)最大凍融侵蝕厚度9.57 cm；1999年11月11日，東六支溝4號小區(qū)出現(xiàn)最小凍融侵蝕厚度6.45 cm。

(4)以上觀測值與金爭平1988—1989年在皇甫川流域布設小區(qū)觀測到的溝坡表層風化厚度5～10 cm的結果完全一致。

2.1.2 溝谷坡非徑流產(chǎn)沙量測定

溝谷坡非徑流產(chǎn)沙量指溝谷坡凍融風化侵蝕量，具體指裸露砒砂巖區(qū)小流域支毛溝溝頭從溝谷坡面灑落在溝谷坡腳的坡裙堆積物，涵蓋黃河3級以上全部支毛溝。據(jù)筆者對溝道產(chǎn)沙的大量調查得知，對一條20 km2的小流域支毛溝溝頭的溝谷坡來講，其侵蝕多為重力侵蝕、凍融侵蝕和風蝕，產(chǎn)沙絕大部分集中于支毛溝溝頭的溝谷坡。

(1)1#骨干壩以上的東五支溝、東六支溝、東八支溝的溝谷坡平均面積分別占峁坡、溝谷坡和溝床三部分總面積的75%，峁坡占22%，溝床占3%?？梢姕瞎绕旅娣e在支毛溝溝頭占絕對優(yōu)勢。

(2)根據(jù)實測資料分析得到經(jīng)驗關系式。

1)溝谷坡面積與凍融風化侵蝕量(非徑流侵蝕量)的經(jīng)驗關系式為

A谷坡=25 500+75G2

(1)

式中：A谷坡為支溝谷坡面積，m2；G2為凍融風化侵蝕量，m3。

2)溝谷坡凍融風化侵蝕量可用線性模量即溝沿線長度和溝谷坡腳線長度的算術平均值表示。砒砂巖區(qū)在同一緯度的溝壑切割深度變化不大，用線性模量計算溝谷坡凍融侵蝕量便于在地理信息判讀中取得，便于估算凍融風化侵蝕量。根據(jù)實測資料得到的關系式為

(2)

(3)凍融風化侵蝕量在支溝上、中、下游分配比例不同，其分配比例為76.1%、17.5%、6.4%。這一比例充分說明小流域產(chǎn)沙集中在支毛溝溝頭，同時這一分配比例可作為小流域上、中、下游非徑流土壤侵蝕的分布標準或分配模式。

2.2 砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的基本規(guī)律

根據(jù)上述測量分析結果得出如下規(guī)律：砒砂巖區(qū)峁坡侵蝕量小，以溝谷坡侵蝕量為主，且以凍融風化侵蝕為主，溝谷坡是產(chǎn)沙量最集中的部位。溝床侵蝕是有先決條件的，即暴雨徑流從峁坡起搬運，接著搬運溝谷坡面和坡裙堆積物，也即從分水嶺至溝谷坡腳進入主溝道時，水流有富余的力量引發(fā)溝床下切和溝谷坡腳淘刷。風力侵蝕是在水力沖刷前的非徑流侵蝕期加劇溝谷坡面剝蝕的外營力，以吹蝕灑落的坡裙堆積物。

2.3 砒砂巖區(qū)土壤侵蝕分類系統(tǒng)圖

在上述產(chǎn)流產(chǎn)沙研究的基礎上，按照系統(tǒng)理論研究原理，對砒砂巖區(qū)土壤侵蝕進行綜合研究，得出了土壤侵蝕分類系統(tǒng)圖(圖1)，概括了砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的全貌。

圖1 砒砂巖區(qū)土壤侵蝕分類系統(tǒng)

2.4 砒砂巖區(qū)輸沙機理

砒砂巖區(qū)產(chǎn)沙是以非徑流凍融風化侵蝕為主形成的，而輸沙是以暴雨徑流為主形成的，暴雨徑流是輸送大量非徑流物質的唯一動力。輸沙機理是溝壑中暴雨股流的作用，其輸送量的大小取決于暴雨徑流單寬功率的大小，可用單寬功率與溝道泥沙輸移比比較作為判別式。即

(3)

2.5 砒砂巖區(qū)小流域產(chǎn)沙量計算

為了計算小流域總產(chǎn)沙量，按照不同地貌單元，將小流域分為峁坡、溝谷坡面和溝谷坡腳。一般砒砂巖區(qū)3、4、5、6級支毛溝溝床比降變化在1/100～1/10，是黃河下游1.2/10 000平均比降的83～833倍，加之γs很大，支毛溝溝頭的溝道窄，因此單寬流量很大，即股流大，這就是其輸沙量大的原因。為此，峁坡、溝緣和溝谷坡只要形成股流，就會產(chǎn)生沖刷。

G=G1+G2+G3

(4)

式中：G為小流域總產(chǎn)沙量，m3；G1為峁坡產(chǎn)沙量，m3；G2為溝谷坡面產(chǎn)沙量，m3；G3為溝谷坡腳坡裙堆積沙量，m3。

G=G1+G2+G3+G4+G5

(5)

式中：G4為溝床沖刷量，m3；G5為溝谷坡淘刷量，m3；其余字母意義同上。

(6)

式中：Δws為溝床淤積量，m3；其余字母意義同上。

3 沙棘植物柔性壩野外試驗研究

3.1 沙棘植物柔性壩野外試驗

沙棘植物柔性壩野外試驗，主要包括支毛溝溝頭單壩技術、縱向壩系技術、立體壩系系統(tǒng)工程技術和溝道自上而下防止土壤侵蝕剛柔配置的綜合技術。

3.1.1 試驗地點選擇

試驗地點選擇在內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗西召溝小流域內1.67 km2的東一支溝內進行。

3.1.2 預備試驗

1993年秋在西召溝右岸選了2條一級支溝和主溝道部分出口，按沙棘植物柔性壩的思路在垂直水流方向用一年生沙棘苗構筑2道沙棘植物柔性壩。2條支溝的溝道比降為5.3%，沿水流方向壩長度為40 m左右，寬6～7 m。植株按“品”字形種植，行距2 m，株距0.3 m。當年沙棘苗木成活率在80%以上，經(jīng)1994年第一場洪水試驗后，所有成活的沙棘全部被洪水沖走，預備試驗以失敗告終。1995年正式立項后，重新考慮在多大溝道比降的支毛溝溝頭選用怎樣的苗木種植不會被水沖走，還能成活攔沙。最后確定選用4～5年生苗木進行試驗，在西召溝東一支溝試驗區(qū)內布設9座沙棘植物柔性壩。

3.1.3 沙棘植物柔性壩單壩設計原則

(1)柔性壩長度指沿水流方向的種植長度，主要取決于溝道比降的大小和沿程暴雨洪水股流量的大小。

(2)柔性壩寬度指垂直水流方向溝壑的寬度，隨壩長和溝道形狀變化。

(3)柔性壩壩高指露出溝床面以上植株的高度，壩高與時俱增，依據(jù)植物的生命年限，決定其極限壩高。

(4)植株高度主要取決于樹齡，分為地下和地上兩部分，其埋深按攔沙規(guī)范設計原則控制。一般從抗水流沖拔力出發(fā)，植株設計埋深不小于0.5 m，露出地面的植株高度不低于一般洪水深度，在支毛溝道大約為0.5 m。為保險起見，要求施工時植株高度不低于0.8 m。

(5)柔性壩株距和行距按溝道過流量和溝床比降而定。

3.1.4 沙棘植物柔性壩縱向壩系規(guī)劃設計原則

砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭比降大，溝道形態(tài)千差萬別，在一條溝道中布設單壩不能有效削峰攔沙緩洪，必須按照溝道具體情況，參照溝道淤地壩布設模式，采取階梯式沙棘植物柔性壩壩系工程，以此作為編制控制溝蝕和分滯洪水泥沙規(guī)劃的基本原則，才能實現(xiàn)溝道河床從沖刷到淤積，即從不平衡輸沙向平衡輸沙和區(qū)間淤積轉變。

(1)根據(jù)溝道比降布設柔性壩數(shù)量和壩系工程密度，使溝道不發(fā)生沖刷，只發(fā)生淤積。砒砂巖區(qū)暴雨產(chǎn)生的高含沙洪水，相當于稀性泥石流，因此參照泥石流攔沙剛性壩壩系經(jīng)驗，確定兩壩的間距，公式為

l=H/J

(7)

式中：H為沙棘植物柔性壩壩高，m；J為溝床比降，%；l為壩間距，具體指相鄰兩個柔性壩上壩最下游一排沙棘距下壩最上游一排沙棘的距離，m。

(2)溝頭出現(xiàn)跌水或陡坎，或溝道比降大于1/4時，不宜布設柔性壩，可按跌水或陡坎水流形式在其下游相應溝床布設沙棘柔性圈。

(3)沙棘植物柔性壩適應性極強，在任何形態(tài)的溝床均能布設，但最好選擇在平面形態(tài)阻力最大的溝段，如“S”形彎道、喇叭形出口段、大肚溝段、兩支溝交匯處“Y”形溝段等，以有利于泥沙沉積的溝段為佳。

(4)沙棘植物柔性壩壩系單壩數(shù)量的確定。柔性壩的數(shù)量根據(jù)公式(7)和不計算跌水落差的原則確定，其計算式為

m=(∑H-∑ΔH)/H

(8)

式中：m為沙棘植物柔性壩數(shù)量，座；∑H為溝壑總落差，m；∑ΔH為跌水和陡坡段落差，m；H為沙棘植物柔性壩壩高，m。

3.1.5 沙棘植物柔性壩壩系試驗成果

(1)1996—1998年東一支溝沙棘植物柔性壩壩系的斷面累計淤積厚度。截至1998年11月，測段最大累積淤積厚度為0.8 m，出現(xiàn)在最下游的0#柔性壩；最小厚度為0.19 m，出現(xiàn)在最上游的6+1#柔性壩。觀察發(fā)現(xiàn)，除柔性壩壩體中間普遍淤積外，壩體上游壅水段內也普遍發(fā)生淤積，其淤積規(guī)律也是自下而上遞減，溝道下游段淤積最厚。其中，左岸支溝淤積最厚，主溝次之，右岸最薄，其淤積厚度與溝谷坡面面積大小有關。

(2)1995—2000年沙棘植物柔性壩壩系總攔沙量為2 463.75 m3，年平均淤積量為410.6 m3，是黃土高塬溝壑區(qū)南小河溝小流域內的楊家溝69座柳谷坊1954—1963年年平均淤積量155.7 m3的2倍多。

(3)溝道比降比布設柔性壩試驗前略微變小，1995年布設前分別為4.4%、6.8%、5.8%，布設后至1999年分別為3.7%、6.5%、4.6%。

(4)柔性壩以攔粗沙為主。實測資料表明，柔性壩天然地把泥沙進行了分選，粗沙淤積在0#柔性壩以上，細沙淤積在下游1#谷坊內。大于0.05 mm的粗泥沙在0#柔性壩內占76%，在1#谷坊回水末端占37%，在1#谷坊壩前占11%。1997—1999年柔性壩壩系攔截大于0.05 mm的粗泥沙765.60 m3，占該時段柔性壩壩系總攔沙量的78%。

(5)溝道含水量觀測初步成果。溝道含水量觀測點布置在溝底柔性壩長度中心線和對應的溝谷坡中部和頂部。溝谷坡頂、中、底部含水量變化規(guī)律與砒砂巖陡坡實測含水量進行比較，結果表明，溝谷坡自頂部至底部含水量遞增，除8月份外，其余時間各壩淤積體各層含水量均大于陡坡含水量。其中4—7月正值植物生長季節(jié)，溝底含水量大于砒砂巖陡坡值，很有利于植物生長。8月份因蒸發(fā)量大，溝谷坡底各層含水量偏低。初步證明溝底含水量最高。

(6)沙棘植物柔性壩壩系內的植物群落演變。自沙棘植物柔性壩壩系運行第三年起，在兩壩之間的淤積體上，長出北京楊、旱柳、烏柳、沙柳、沙蒿等，特別是在垂直水流方向上長出的一排排沙棘，猶如新建的沙棘植物柔性壩，這些沙棘是沙棘籽繁殖的，可稱為沙棘“自繁性柔性壩”，這就為沙棘平茬做好了準備。同時，柔性壩區(qū)出現(xiàn)了雉雞、野兔等動物。

(7)沙棘植物柔性壩對水資源的調節(jié)作用。西召溝小流域1997—2000年遇到了連續(xù)4年的大旱，群眾吃水相當困難，當?shù)氐木黄毡橄陆?～5 m，鄂爾多斯西召溝小流域觀測房旁的井已干枯。東一支溝東面的賀家溝，井比東一支溝的深，原來井水旺盛，賀氏兄弟4家共17口人住在附近，但從1998年起就無水可吃。他們在東一支溝0#柔性壩下游挖了兩口2 m×2 m的土井，才解決了17口人將近4年的人畜吃水問題。由于沒有菜吃，兄弟四人把1#谷坊至0#柔性壩間的0.26 hm2壩地，分為4塊作為菜地，解決了吃菜問題。他們還在1#谷坊壩前和下游溝床種植了玉米等。經(jīng)調查，1#谷坊內種玉米0.087 hm2，產(chǎn)量100 kg(大部分被水淹)；甜菜0.067 hm2，產(chǎn)量1 400 kg；卷心菜0.027 hm2，產(chǎn)量500 kg；另外還種有豆角、油菜、西紅柿、白菜、芹菜、蘿卜等。1#谷坊下游種玉米0.1 hm2，產(chǎn)量500 kg。這是由于溝道沙棘植物柔性壩分散了暴雨形成的股流，降低了徑流行進速度，延長了徑流的入滲時間，同時壩與壩間淤積的粗沙增加了水流的入滲量，形成了溝道“地下水庫”，恢復的植被也減少了地面蒸發(fā)，因此即使是在最干旱的1999年，東一支溝也有水吃。

3.1.6 經(jīng)驗關系式的建立

根據(jù)原型沙棘植物柔性壩試驗實測資料統(tǒng)計分析得到如下經(jīng)驗關系式。

(1)沙棘植物柔性壩壩系布設總長度與溝道原始比降和溝道長度的乘積成正比，其經(jīng)驗關系式為

L壩總長=5.353L0J0-21.253 6

(9)

式中：L0為溝道原始長度，m；J0為溝道原始比降，%；L壩總長為壩系布設總長度，m。

(2)為了建立溝道植物阻滯作用和溝道產(chǎn)沙量與累積淤積厚度的關系，我們引入了兩個系數(shù)，一個是產(chǎn)沙系數(shù)A*，另一個是植物分流阻滯系數(shù)B*。沙棘植物柔性壩的累積淤積厚度，應與這兩個數(shù)值的乘積成正比。用統(tǒng)計分析的方法得到線性經(jīng)驗關系式為

∑+ΔZ=6.201 4×10-5A*B*+0.301 6

(10)

式中：A*為產(chǎn)沙系數(shù)，與溝谷坡面積、凍融風化層厚度、匯流條件、砒砂巖性質有關，當溝谷坡面積、凍融風化層厚度、匯流條件不變時，來沙主要取決于砒砂巖性質，而砒砂巖性質可從其顏色辨別，其中紫色砂泥巖和藍色砂泥巖產(chǎn)沙量最大，假設取其值為1，則可與其他顏色相比，分別求出黃色砂泥巖、白色砂泥巖、灰色砂泥巖、紅色砂泥巖、粉紅色砂泥巖的比例系數(shù)；B*為植物分流阻滯系數(shù)，以平均株高、平均冠幅、株距、行距的乘積表征；∑+ΔZ為1997—1999年累積淤積厚度。

(3)為了尋找累積淤積量與植物分流阻滯系數(shù)的關系，點繪各壩實測資料并進行統(tǒng)計分析，得到累積淤積量與植物分流阻滯系數(shù)呈指數(shù)關系，關系式為

(11)

式中：∑+ΔWs為累積淤積量，m3。

總之，沙棘是砒砂巖區(qū)人工生態(tài)恢復、改善惡劣環(huán)境、把泥沙就地攔截在千溝萬壑中的綠色攔沙工程和調節(jié)水資源短缺的綠色水庫的先鋒樹種和主要建壩框架材料，是這一地區(qū)根治水土流失和調節(jié)水資源的無價法寶。

3.2 砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭沙棘植物柔性壩壩系系統(tǒng)工程技術研究成果

砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭正處在發(fā)育階段，千溝萬壑，形態(tài)各異，自上而下沒有相同的溝道，僅用縱向柔性壩壩系工程無法全方位覆蓋控制。為了徹底控制溝頭前進，必須研究出全方位立體覆蓋，從溝沿線至溝谷坡腳適應任何一種形態(tài)的工程結構，構成一個壩系系統(tǒng)工程，涵蓋支毛溝溝頭峁坡面、溝谷坡面和溝床全面的防治技術。該技術包括：①溝底沙棘植物柔性壩壩系；②柔性壩壩體兩岸溝谷坡面沙棘防護網(wǎng)；③柔性壩上游沿兩岸溝谷坡腳導流屏；④溝頭或溝中跌水處沙棘柔性圈；⑤全溝沿線沙棘分流防護帶；⑥“V”形溝頭毛溝沿溝底兩岸擋沙墻；⑦替代平茬“自繁性柔性壩”；⑧主溝上游段溝道“人造灘地”；⑨主溝上游第一座骨干壩回水末端壩體外加高柔性壩。

上述沙棘植物柔性壩壩系系統(tǒng)工程是一條支溝溝頭第一座骨干壩以上防止各種土壤侵蝕的全部技術。

西召溝1號骨干壩上、下游共19條支毛溝道，總面積2.451 km2，總溝長10 011 m，平均溝寬85.4 m，平均溝深23.1 m，平均溝道比降12.2%，平均溝谷坡度24°。我們在其中的16條支溝中布設了81座沙棘植物柔性壩，布設溝道總面積2.269 km2，總溝長9 129 m，平均溝寬113.1 m，平均溝深23.7 m，平均溝道比降11.97%，平均溝谷坡度23.7°。該處已經(jīng)成為黃土高原第一個用沙棘植物柔性壩壩系和壩系系統(tǒng)工程全方位治理土壤侵蝕的示范區(qū)，是利用黃土高原植被地貌和植物柔性工程學建立的一個原型試驗基地，為國內外研究工作者提供了試驗平臺。

3.3 防止砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的水土保持綜合技術研究成果

幾十年的實踐證明，任何單一的水土保持技術都不可能使砒砂巖區(qū)小流域土壤侵蝕得到控制，必須根據(jù)其土壤侵蝕特點，采用剛柔工程多種技術形成綜合工程體系，才能取得好的成效。針對砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭的溝谷坡面非徑流產(chǎn)沙面廣、歷時長、量大和暴雨徑流集中及溝壑輸沙特點，采取一一對應的蓋被子技術限制其產(chǎn)沙，保護上中下游淤地壩和溝口微型蓄水工程，達到溝、坡、水、土、沙資源全面控制的目的。

根據(jù)西召溝20 km2小流域內試驗實測資料分析研究，防止砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的綜合技術模式如下：

(1)基本模式為Fd+Wd+Kd+Vd，其中：Fd為針對黃河干流4級與5級支毛溝的沙棘植物柔性壩壩系；Wd為針對黃河干流4級與5級支溝的中小型淤地壩；Kd為針對黃河3級支溝的骨干壩；Vd為3級支溝溝口的微型水庫。

(2)擴展模式為Fd+Wd上+Wd下+Kd+Kd上+Kd下+Vd，其中：Wd上為黃河4級支溝中上游中小型淤地壩，攔截粗沙，視上游控制面積大小，同時布設溢洪道；Wd下為4級支溝下游中小型淤地壩，攔截區(qū)間未控區(qū)泥沙和徑流；Kd上為黃河3級支溝上游骨干壩，攔截區(qū)間未控泥沙和主溝道徑流；Kd下為黃河3級支溝中下游骨干壩，攔截主溝道區(qū)間徑流和未控區(qū)泥沙，淤地造田。

(3)根據(jù)西召溝剛柔工程配置推算出20 km2小流域剛柔工程配置比例為Vd∶Kd∶Wd∶Fd=1∶3∶9∶117。這一配置比例體現(xiàn)了支毛溝溝頭柔性壩的主體功能，即依靠柔性壩恢復溝頭生態(tài)，攔截溝頭產(chǎn)生的粗泥沙，協(xié)調溝道縱向工程自上而下剛柔并濟的合理配置。同時，也是溝道縱向時序效應的體現(xiàn)。

上述砒砂巖區(qū)防止土壤侵蝕的模式給砒砂巖區(qū)乃至基巖產(chǎn)沙區(qū)的治理提出了一套完整系統(tǒng)的治理模式，可供小流域水土流失治理區(qū)進行規(guī)劃設計時應用。該模式的好處是能把粗細泥沙在源頭進行天然分選，不僅從根本上防止土壤侵蝕，消除粗沙對黃河干流中下游河道的危害，而且用優(yōu)質溝底基本農(nóng)田取代坡耕地，促進退耕還林還草，最終形成土壤水庫攔蓄徑流，為該區(qū)可持續(xù)發(fā)展打下良好的基礎。

4 沙棘在砒砂巖區(qū)水土資源可持續(xù)利用中的協(xié)調功能

1985年11月16日水電部部長錢正英提出“以開發(fā)沙棘資源作為加速黃土高原治理的一個突破口”的科學建議[3]，這是黃土高原人工沙棘資源建設的里程碑。沙棘植物柔性壩壩系在砒砂巖區(qū)治理中具有特殊功能，其對沙土水的協(xié)調作用、與剛性淤地壩工程的合理配置、沙棘自身全方位開發(fā)的生態(tài)經(jīng)濟價值等被錢正英一語道破，這足以說明該建議的科學性和正確性。誰也沒料到，泥沙研究工作者幾十年來尋找的集攔沙、分選粗泥沙、泄流、溢洪于一體的武器竟是鮮為人知的小灌木——沙棘。

筆者深入研究了沙棘植物柔性壩壩系協(xié)調溝道沙、土、水資源的關系，協(xié)調溝坡關系，協(xié)調農(nóng)牧關系，協(xié)調生態(tài)經(jīng)濟關系，協(xié)調經(jīng)濟社會關系，給出了砒砂巖區(qū)20 km2小流域沙棘植物柔性壩壩系協(xié)調關系圖(圖2)，這是一個宏觀框架圖，在協(xié)調方面應包括若干子系統(tǒng)。

圖2 沙棘植物柔性壩壩系協(xié)調關系

5 結 語

(1)本文給出了砒砂巖區(qū)土壤侵蝕分類系統(tǒng)圖(圖1)，分析得出該區(qū)以溝蝕為主且產(chǎn)沙部位集中在支毛溝溝頭的溝谷坡面，即以溝谷坡非徑流產(chǎn)沙和暴雨徑流產(chǎn)沙輸沙為主的特點，為沙棘植物柔性壩各種技術提供了控制的目標。

(2)綜合利用沙棘植物的根、稈、枝、葉，進行科學設計，形成一種天然的柔性壩新技術，達到控制千溝萬壑、形態(tài)各異的砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭土壤侵蝕，最大限度地加大溝壑糙度，把暴雨形成的強勁股流用其枝稈連續(xù)分散、平化為漫流，在其稈后形成連續(xù)的各個方位的渦旋，使水流穿過密集的枝葉后受到各個方向的連續(xù)擾動，行進的阻力急劇增加，流速小于對溝床表面的沖刷流速和對溝谷坡腳的淘刷流速；削減水流的剪切應力，并保持水流的行進流速小于泥沙的沉降速度，使泥沙輸移比小于1并趨于0，達到以柔克剛和以柔消能的目的，起到緩洪、削峰、防沖、促淤、就近攔截泥沙的效果。經(jīng)過對砒砂巖區(qū)植物柔性壩長達10多年的野外試驗研究，結果證明了上述植物攔沙機理的正確性。

(3)總結出了沙棘植物柔性壩壩系技術和支毛溝溝頭沙棘植物柔性壩壩系系統(tǒng)工程技術，與20世紀80年代以來成功的溝道骨干壩工程技術和溝口微型水庫攔沙調水相結合，使黃土高原基巖產(chǎn)沙區(qū)水土保持溝道治理技術趨于完善。

(4)沙棘可作為植物柔性壩可靠的壩工材料。針對正在發(fā)育、集中產(chǎn)沙的支毛溝溝頭，野外原型攔沙試驗成果給錢正英的科學建議找到了確定的證據(jù)。

(5)期望有關部門在黃土高原基巖產(chǎn)沙區(qū)建設淤地壩工程時，也能配套相應的沙棘植物柔性壩建設資金，以加速黃土高原多沙粗沙區(qū)治理進度。