建設(shè)模型黃土高原 維持黃河健康生命
來源： 水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)網(wǎng) 上傳日期:2018-07-23 打印本文章 【字體】 大 中 小本站訊 今年，黃委將"模型黃土高原"的建設(shè)作為"三條黃河"建設(shè)的重要內(nèi)容，列入議事日程。項目的各項工作已逐步開展，建設(shè)思路已逐漸明確。
一、模型黃土高原建設(shè)的目標(biāo)與任務(wù)
?。ㄒ唬┠Ｐ忘S土高原的涵義
"模型黃土高原"是為研究黃土高原水土流失規(guī)律、水土保持治理模式和治理效益，借助實體模擬理論和技術(shù)、測控技術(shù)和信息技術(shù)而構(gòu)建的高科技試驗研究模型體系。
模型黃土高原通過原型小流域觀測，實體小流域模型和室內(nèi)比尺模型，全面、系統(tǒng)地反映黃土高原各自然因素及其相互間的關(guān)系，檢驗各種治理措施的水土保持效果，為"數(shù)字黃土高原"工程建設(shè)提供物理參數(shù)，為各項水土保持建設(shè)和運行提供強有力的技術(shù)支撐，為黃土高原治理開發(fā)的重大決策提供科學(xué)依據(jù)。
"模型黃土高原"建設(shè)不但是實現(xiàn)"維持黃河健康生命"終極目標(biāo)的需要，也是強化水土保持基礎(chǔ)研究的需要。對于全面提升黃河水土保持生態(tài)建設(shè)的科技水平，加快黃土高原水土流失治理步伐，加速黃河治理開發(fā)與管理的現(xiàn)代化進程，實現(xiàn)"三條黃河"建設(shè)具有重要意義。
（二）模型黃土高原建設(shè)的目標(biāo)
根據(jù)《"模型黃河"工程規(guī)劃》，"模型黃土高原"建設(shè)總的目標(biāo)是：在黃土高原地區(qū)選擇不同類型區(qū)，構(gòu)建野外和室內(nèi)物理模型，開發(fā)數(shù)學(xué)模型；探索水土流失規(guī)律；提出水土保持治理模式，研究水土保持效益。同時使模型成為治黃減沙的科研基地，成為國家研究土壤侵蝕與水土保持的開放性實驗室和國家級的水土保持高科技示范園。
按照以上目標(biāo)，需要開展以下三個方面的研究：
第一水土流失規(guī)律方面
研究黃土高原不同水土流失類型區(qū)的水土流失規(guī)律和水土保持重大理論問題。近期重點研究水土流失最為嚴(yán)重、對黃河淤積影響最大的多沙粗沙區(qū)，主要包括丘1、丘3和高塬溝壑區(qū)的溝道、坡面侵蝕規(guī)律、產(chǎn)匯流規(guī)律及產(chǎn)輸沙機理等。
第二水土保持治理模式方面
探索黃土高原各個不同水土流失類型區(qū)科學(xué)、合理、高效的水土保持措施配置、綜合治理模式，研究水土保持關(guān)鍵、實用技術(shù)問題。近期重點在淤地壩壩系建設(shè)、生態(tài)修復(fù)、示范區(qū)和生態(tài)園建設(shè)模式研究及植被措施建設(shè)技術(shù)研究等方面開展工作，以期盡快取得較大突破。
第三水土保持三大效益方面
探索全面、系統(tǒng)、科學(xué)的水土保持效益監(jiān)測評價指標(biāo)體系和方法，研究水土保持的生態(tài)、經(jīng)濟和社會三大效益的定量分析和評價。
（三）模型黃土高原建設(shè)內(nèi)容
根據(jù)模型黃土高原建設(shè)的總體目標(biāo)，模型黃土高原建設(shè)主要由野外試驗?zāi)Ｐ秃褪覂?nèi)模型組成。具體包括三方面建設(shè)內(nèi)容：野外原型小流域觀測（簡稱"原型觀測"）、野外實體小流域模型（簡稱"實體模型"）、室內(nèi)比尺模型（簡稱"比尺模型"）。
1、原型觀測
原型觀測是在黃土高原不同類型區(qū)選擇有代表性的小流域，布設(shè)水文、氣象和水土保持觀測設(shè)施，采集天然降雨條件下的水土流失和水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)而建立的野外物理模型。
原型觀測是以小流域為單元，對不同類型區(qū)、不同流域、不同地形地貌的觀測（監(jiān)測）。其主要特點是天然降雨（自然因素）加天然（原始）地形地貌。
原型觀測解決的主要問題是探索不同水土流失區(qū)的水土流失規(guī)律，對水土保持效益進行定量分析。
原型觀測實現(xiàn)的目標(biāo)是通過對不同水土流失類型區(qū)典型區(qū)域的長系列觀測，建立起不同水土流失類型區(qū)的數(shù)學(xué)模型。
原型觀測的優(yōu)點是全面、準(zhǔn)確，能夠較好地反映實際情況。但由于工作涉及的范圍廣、類型區(qū)多，積累觀測資料需要的時間長，出成果慢，需要的人力也相對較多。
2、實體模型
實體模型是在黃土高原不同類型區(qū)選擇有代表性的小流域，布設(shè)水文、水土保持觀測設(shè)施，通過人工降雨試驗，采集水土流失和水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)而建立的野外物理模型。該模型的面積擬選擇0.1-1km2左右。
實體模型由按照一定的要求和地形條件建造的人工模擬降雨系統(tǒng)和天然的、原型的下墊面組成。
實體模型主要是解決原型觀測受天然降雨等自然條件制約的問題，以在較短的時間內(nèi)，通過人工降雨，摸清典型區(qū)域的水土流失、侵蝕規(guī)律，進行水土保持機理、理論的研究，確定合理的水保措施工程布局，建立水土保持效益定量分析指標(biāo)體系等。
實體模型所實現(xiàn)的目標(biāo)是建立起不同水土流失類型區(qū)典型區(qū)域的實地模型及野外水土保持基礎(chǔ)研究和效益監(jiān)測評價平臺。
實體模型的優(yōu)點是能夠在較短的時間內(nèi)探索水土流失規(guī)律，解決水土保持措施配置、工程布局等問題，取得的成果較準(zhǔn)確、具有較高的推廣價值。但模擬的自然條件需進一步論證和研究，建設(shè)實體模型的工程量較大。
3、比尺模型
比尺模型就是室內(nèi)（實驗室）物理模型，也就是將野外某一典型小流域或區(qū)域，按照一定比例縮小，建成物理模型放到實驗室。其特點是人工模擬降雨（人工模擬降雨系統(tǒng)）再加上人工模擬的地形地貌（人工地形模型）。
比尺模型解決的問題主要是通過模型對其原型所反映的自然現(xiàn)象進行反演、預(yù)測、模擬和試驗，從而揭示其原型的水土流失規(guī)律，研究水土保持的理論問題。
比尺模型所實現(xiàn)的目標(biāo)是建立起一定數(shù)量、反映不同水土流失類型的典型物理模型（包括人工模擬的降雨系統(tǒng)和下墊面等）及室內(nèi)水土保持基礎(chǔ)研究基地。
比尺模型的優(yōu)點是建?？欤芯窟^程周期短、直觀，對典型流域（區(qū)域）的研究較全面、系統(tǒng)，且能夠?qū)ζ溲葑冞^程進行反演和預(yù)測。缺點是和實際自然狀況相差大，準(zhǔn)確性較差，且投資較大。
原型觀測、實體模型和比尺模型構(gòu)成"模型黃土高原"的有機整體，三者功能不同，相互聯(lián)系，相互印證，相互補充。同時，將結(jié)合遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）構(gòu)建區(qū)域數(shù)學(xué)模型。
（四）模型黃土高原建設(shè)的技術(shù)路線
黃土高原面積達64萬平方公里，千溝萬壑，包括13個水土流失類型區(qū)，水土流失類型復(fù)雜多樣，涉及多種氣候和植被類型，經(jīng)濟社會條件各地差異巨大。錯綜復(fù)雜的自然條件很難準(zhǔn)確、全面地模擬。不可能將其作為一個整體建立模型，進行研究。為了探索黃土高原的水土流失規(guī)律，研究水土保持治理模式和效益，首先必須在不同類型區(qū)選擇典型，建立模型，研究水土流失和水土保持的機理，然后通過擴大試驗區(qū)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，將模型外延，進而建立黃土高原模型群（體系）。
模型黃土高原建設(shè)的技術(shù)路線是：通過建立野外不同空間尺度的天然降雨原型小流域觀測、建立野外人工降雨實體小流域模型和室內(nèi)人工降雨比尺模型，結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，采用實體模擬理論和技術(shù)、測控技術(shù)和信息技術(shù)，把水土流失和水土保持重大的理論與技術(shù)問題體現(xiàn)在相關(guān)物理模型上，通過對物理模型的試驗（復(fù)演、模擬、試驗）與觀測，研究解決這些問題的理論和方法。
在土壤侵蝕規(guī)律的研究上，首先進行小區(qū)內(nèi)部侵蝕過程的觀測與研究，以揭示侵蝕機理，為小流域侵蝕研究打基礎(chǔ)；其次結(jié)合地理信息系統(tǒng)和數(shù)學(xué)工具，研究小流域的侵蝕機理；第三，通過擴大試驗區(qū)，結(jié)合遙感技術(shù)，在黃土高原各類型區(qū)采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建區(qū)域侵蝕預(yù)報模型。
在水土保持治理模式和治理效益的研究上，主要采取對原型小流域的觀測、監(jiān)測，分析不同治理措施的功能，研究不同措施組合的效益，提出各類型區(qū)適宜的治理模式。
由于小流域土壤侵蝕機理和過程十分復(fù)雜，為了保證模型建設(shè)和試驗研究的順利實施，實體模型建設(shè)將按照"先簡單，后復(fù)雜；先單因子，后多因子；先線性，后非線性；從小到大，循序漸進"的技術(shù)路線逐步實施。具體做法是：將實體模型分解成標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)、全坡面小區(qū)、微集水區(qū)、小流域四步進行建設(shè)。先進行小區(qū)單因子試驗研究，再進行全坡面試驗，然后進行微集水區(qū)（微流域）多因子試驗，最后進行小流域多因子、非線性試驗研究。
對于小流域人工降雨裝置，初步考慮有三種備選方案：一是地面鋪設(shè)式。即將目前采用的下噴式人工降雨裝置在距離地面10m的高度內(nèi)鋪設(shè)。相當(dāng)于現(xiàn)有裝置的機械擴展。該方案優(yōu)點是裝置在技術(shù)上較成熟，不需要再進行率定；缺點是小流域地面高低不平，架設(shè)存在一定難度，同時裝置對地面干擾較大，影響試驗觀測。二是高空懸掛式。在小流域兩側(cè)的山梁上架設(shè)鋼索，將降雨噴頭懸掛其上。該裝置的最小高度要滿足兩側(cè)山梁頂部的降雨要求。該方案的優(yōu)點是將現(xiàn)有裝置機械高移，可以直接建設(shè)，裝置對地面沒有干擾，缺點是架設(shè)難度較大，且高空水分蒸發(fā)損失較大，需要重新率定。三是高空噴射式。在兩側(cè)山梁上架設(shè)不同口徑、不同壓力的高壓噴頭，相對均勻噴灑，實現(xiàn)降雨要求。該方案的優(yōu)點是架設(shè)相對簡單，但裝置沒有先例，需要從頭研制，且高空噴灑水分蒸發(fā)量大。
在模型黃土高原建設(shè)中，野外大尺度人工降雨裝置和技術(shù)與室內(nèi)比尺模型的模擬理論和技術(shù)是模型黃土高原建設(shè)的難點，同時也是創(chuàng)新點。
二、模型黃土高原建設(shè)的工作基礎(chǔ)
水土流失作為一項世界性的問題，一直受到世界各國的重視，長期以來，在水土流失的基礎(chǔ)理論方面開展了大量的研究，在應(yīng)用實踐方面進行了卓有成效的推廣，在相關(guān)技術(shù)方面取得了有益的發(fā)展，這些都為開展模型黃土高原建設(shè)提供了有利條件。
?。ㄒ唬┰谒亮魇У幕A(chǔ)理論方面，土壤侵蝕模型研究是水土保持的一項基礎(chǔ)工作。近一個世紀(jì)以來，各國學(xué)者在土壤侵蝕模型研究方面做了大量卓有成效的工作，通過試驗、觀測、研究，建立了許多形形色色的模型。
國外在模擬理論和模型建設(shè)方面取得了較多成果。1965年美國學(xué)者在對東部地區(qū)30個州、10000多個徑流小區(qū)、近30年的觀測資料進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出了著名的通用土壤流失方程。1997年美國提出著名的WEPP物理成因模型。
國內(nèi)對水土流失規(guī)律研究和模型建設(shè)探索也開展了大量的工作。我國最早的坡面經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪?953年提出來的。20世紀(jì)60年代以后，清華大學(xué)、中科院水利部水土保持研究所、山西水保所等單位進行了侵蝕模型的有益探索，建立了坡面侵蝕、流域產(chǎn)沙與影響因子之間的經(jīng)驗統(tǒng)計模型。
黃委在坡面產(chǎn)流及侵蝕產(chǎn)沙機理研究、水土保持治理措施蓄水減蝕攔泥效益觀測、不同地貌部位、形態(tài)對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響等三個方面做了大量工作，通過這些研究，初步闡明了小流域徑流泥沙來源，探索研究了小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)報模型，取得了一大批有較高理論水平和實用價值的科研成果，獲省部級以上科技成果獎50多項，樹立了一批聞名全國的水土保持治理典型，其中黃委的綏德、西峰、天水三個水土保持科學(xué)試驗站曾被譽為我國水土保持的"三個支柱站"，為模型黃土高原建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
?。ǘ┰趹?yīng)用實踐方面，進行了卓有成效的推廣。
美國的通用土壤流失方程已經(jīng)在世界上的許多國家推廣應(yīng)用。
我國根據(jù)水土流失研究成果，開展了卓有成效的水土保持治理。其中，根據(jù)小流域水沙來源，有針對性地實施了以小流域為單元的山水田林路綜合治理；在黃河中游地區(qū)針對多沙粗沙區(qū)開展了國家重點治理項目、黃河水保生態(tài)工程和淤地壩建設(shè)等一大批治理項目。上個世紀(jì)80年代，西峰水保站研制了計算機控制的野外大型人工降雨裝置，開展了研究土壤侵蝕的人工降雨試驗，建立了國內(nèi)最大、最先進的人工降雨試驗場。經(jīng)過多年的試驗，取得了不少資料與成果，并為甘肅省解決中部干旱地區(qū)人畜飲水提供了可行的研究成果。近年來黃委又開展了水土保持遙感監(jiān)測項目，利用"3S"技術(shù)對水土流失狀況和水土保持成效進行觀測，已經(jīng)在黃河中游的國家能源重化工開發(fā)區(qū)的監(jiān)測中取得了積極的成果。這些項目一方面取得了顯著的治理效益，驗證了水土流失研究的成果，同時又對水土保持科學(xué)研究提出了新的課題。
?。ㄈ┰谙嚓P(guān)技術(shù)和設(shè)備方面，國內(nèi)外科技進步帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。研制開發(fā)了不同類型的自動化人工降雨裝置、小流域和徑流小區(qū)水文泥沙傳感器、數(shù)據(jù)自動化采集與傳輸裝置和軟件，以及適用于水土保持監(jiān)測的遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，進而促進了水土保持科研的發(fā)展。
綜上所述，借鑒國內(nèi)外已有的研究成果，依托黃委科研機構(gòu)，我們已初步具備了建設(shè)模型黃土高原的理論基礎(chǔ)和實踐條件。
三、模型黃土高原近期開展的工作
根據(jù)《"模型黃河"工程規(guī)劃》，開展了模型黃土高原的前期準(zhǔn)備工作和部分建設(shè)工程。
在研究區(qū)域上，模型黃土高原將重點研究水土流失嚴(yán)重、對黃河下游泥沙淤積、防洪安全影響較大的黃土丘陵溝壑一副區(qū)、三副區(qū)和高塬溝壑區(qū)，并依托技術(shù)力量和試驗設(shè)施條件較好的綏德、天水、西峰三個水土保持科學(xué)試驗站，進行"模型黃土高原"野外工程建設(shè)。其中，位于西峰水保站的南小河溝試驗場是模型黃土高原建設(shè)的近期重點。
?。ㄒ唬╅_展了實體模型建設(shè)前期準(zhǔn)備工作
完成了近期重點建設(shè)場地選擇。將模型黃土高原實體模型建設(shè)的近期重點放在西峰水保站的南小河溝實驗場。在該實驗場建設(shè)實體模型有許多有利條件：有顯著的區(qū)域代表性，試驗場所在地為黃土高原水土流失嚴(yán)重的高塬溝壑區(qū)；該試驗場已經(jīng)有半個多世紀(jì)的試驗研究歷史，開展了大量的水土保持試驗研究，取得了顯著的研究成果，獲得的觀測資料和研究成果為黃土高原治理提供了依據(jù)，在這里建設(shè)實體模型，能夠?qū)崿F(xiàn)三個研究目標(biāo)。同時該試驗場有大面積的國有試驗地；有能夠滿足模型黃土高原試驗研究的充足水資源，以及能夠保證模型黃土高原順利實施的道路、電力、通訊、房屋等基礎(chǔ)設(shè)施和有足夠的具有開展人工降雨試驗經(jīng)驗的技術(shù)力量。
進行了試驗區(qū)比選與布設(shè)。經(jīng)過多次對南小河溝流域踏勘，初步確定了實體模型野外試驗區(qū)，并進行了規(guī)劃設(shè)計，確定了標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)布設(shè)點、支毛溝試驗點以及小流域試驗點，該樣區(qū)代表性較強，可以建立水土保持措施機理研究試驗區(qū)、坡面侵蝕規(guī)律研究試驗區(qū)、溝道侵蝕規(guī)律研究試驗區(qū)。為了觀測全坡度的單因子侵蝕變化，建立侵蝕模型，為小流域侵蝕試驗研究提供基礎(chǔ)，經(jīng)過論證分析和規(guī)劃設(shè)計，建設(shè)了50-350坡度的坡面標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)16個和相關(guān)輔助設(shè)施的建設(shè)。
建立了單項人工模擬降雨系統(tǒng)。目前已經(jīng)完成了一個標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的野外固定式人工模擬降雨系統(tǒng)的研制及安裝，完成了該裝置的計算機控制的自動化系統(tǒng)的安裝調(diào)試，進行了降雨裝置的率定。
該模擬降雨系統(tǒng)模擬試驗面積為100m2； 可以進行連續(xù)的雨強變化，實現(xiàn)降雨過程模擬；模擬降雨均勻性≥85％，并具有較高的穩(wěn)定性；生成模擬降雨的雨強范圍為30.0mm～240.0mm/h；模擬降雨裝置的降雨雨滴特性與天然降雨雨滴特性具有較高相似性；降雨系統(tǒng)可全自動控制，且具有較好的系統(tǒng)擴展性，為今后的大面積人工降雨試驗打下了基礎(chǔ)。同時該裝置與黃委水科院室內(nèi)比尺模型采用的人工降雨裝置相同，便于今后試驗數(shù)據(jù)的比較分析。
?。ǘ嵤┝嗽陀^測
初步完善了西峰南小河溝，綏德韭園溝、辛店溝和天水羅玉溝、橋子?xùn)|溝、橋子西溝原型觀測設(shè)施；在南小河溝重新修建了董莊溝小流域徑流測站，完善了楊家溝和十八畝臺測站。培訓(xùn)了原型觀測技術(shù)人員。正在建設(shè)自動化數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。開展了徑流觀測數(shù)據(jù)的整編工作，要求將2004年底前的數(shù)據(jù)全部整編。
初步形成了不同空間尺度的原型觀測體系：<1km2的橋子?xùn)|溝、橋子西溝，1-10km2的楊家溝、董莊溝、辛店溝，10-100km2的羅玉溝、南小河溝、韭園溝，>100km2的硯瓦川。
（三）開展了比尺模型建設(shè)的前期試驗研究
比尺模型目前已經(jīng)開展了三方面的工作。一是初步開展了模型相似性條件和模擬技術(shù)的研究，正分別進行野外人工降雨試驗和室內(nèi)人工降雨試驗的比照試驗分析，通過試驗取得對比觀測數(shù)據(jù)。同時在理論上對比尺模型的相似律及模擬方法展開探討。二是開展了大面積人工降雨系統(tǒng)的研制，已經(jīng)提出了設(shè)計方案。該系統(tǒng)建成后將實現(xiàn)降雨真實過程的自動控制。三是正在開展比尺模型試驗大廳及相關(guān)測控體系等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的前期工作。
經(jīng)過近兩年的工作，模型黃土高原重點工程已初現(xiàn)雛形，初步形成了面積大、內(nèi)容多、代表性強的水土保持綜合試驗場。通過觀測試驗，各項系統(tǒng)運行正常，堅定了我們進一步開展模型黃土高原建設(shè)的信心和決心。
?。ㄋ模┫乱徊揭_展的工作
按照《"模型黃河"工程規(guī)劃》和正在編制的《模型黃土高原建設(shè)可行性研究報告》，下一步工作的主要目標(biāo)是：完成基本建設(shè)立項和科研立項工作，使模型黃土高原建設(shè)納入正式基建和科研實施計劃；完成物理模型建設(shè)；突破試驗裝置和傳感器研制瓶頸，完成數(shù)學(xué)模型建設(shè)。
由于模型黃土高原建設(shè)工作難度大，挑戰(zhàn)性強，為能使項目建設(shè)順利進行，達到預(yù)期目的，采取"三步走"的戰(zhàn)略，邊建設(shè)，邊試驗。
第一步，探索試驗階段：用2年左右的時間，完成"模型黃土高原"建設(shè)論證和規(guī)劃設(shè)計工作，確定合理的試驗研究技術(shù)路線，完成模型黃土高原野外物理模型群建設(shè)和相關(guān)設(shè)備、儀器的研制與安裝，完成部分比尺模型建設(shè)項目，開展前期研究工作。
1、初步建成模型黃土高原的野外物理模型群，包括：大型人工降雨徑流小區(qū)試驗場和楊家溝、董莊溝、辛店溝、南小河溝、韭園溝、羅玉溝、硯瓦川等不同空間尺度的原型觀測流域。
2、研制野外大型人工降雨裝置和傳感器。計劃將7個不同坡度的14個小區(qū)，總面積約1400m2全部安裝降雨裝置。同時，研制徑流泥沙傳感器，使之能夠?qū)崟r測量坡面微小水流的狀態(tài)。要求傳感器測量范圍寬，能測量高含沙水流；有較高的測量精度；微型化、自動化、可靠性高。與人工降雨裝置相配套，建設(shè)人工降雨中心控制室。
3、完成部分比尺模型建設(shè)項目。建成比尺模型廳，安裝室內(nèi)大型人工降雨裝置和測控系統(tǒng)，建設(shè)土壤侵蝕土槽，研究室內(nèi)試驗規(guī)律與原型觀測資料分析結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，進一步探討有關(guān)相似律及模擬技術(shù)。
第二步，全面實施階段：用3年左右的時間，全面完成物理模型建設(shè)，進一步完善提高原型觀測的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)淖詣踊潭取Ｍ瓿蓪嶓w模型的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)試驗，開展全坡面小區(qū)的多因子試驗研究。完成比尺模型的輔助研究。同時開展全面的試驗，結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，初步完成侵蝕規(guī)律數(shù)學(xué)模型的建模研究。
第三步，正常試驗階段：用5年左右的時間，在已經(jīng)建成的物理模型上全面開展水土流失規(guī)律及效益試驗研究；進一步擴大試驗研究范圍，在黃土高原不同地區(qū)布設(shè)試驗點，采集有關(guān)數(shù)據(jù)，建成黃土高原地區(qū)土壤侵蝕模型群。
四、急需探索的關(guān)鍵技術(shù)問題
雖然已經(jīng)有了一定的工作基礎(chǔ)，但要實現(xiàn)模型黃土高原建設(shè)的目標(biāo)，仍然存在很大的難度。
一是自然條件模擬難。黃河流域黃土高原面積達64萬平方公里，涉及多種氣候和植被類型，包括13個水土流失類型區(qū)。黃土高原千溝萬壑，水土流失類型復(fù)雜多樣，氣候、降雨、植被等條件千差萬別，影響試驗結(jié)果與實際情況的相似性和相關(guān)性，這是模型黃土高原建設(shè)的最大難題。
二是建模模擬技術(shù)難。"模型黃土高原"不僅具有三維空間屬性，而且還有時間屬性。由于影響建模的因素很多，沒有已成的經(jīng)驗可借鑒，基礎(chǔ)資料缺乏、技術(shù)設(shè)備落后、沒有成套的大型人工降雨裝置和相應(yīng)的傳感器，對黃土高原室內(nèi)比尺模型模擬理論和技術(shù)的系統(tǒng)研究不足等，都對"模型黃土高原"的建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重制約。
三是資金難。模型黃土高原需要大量的資金支撐。其中，實體模型建設(shè)中的人工降雨裝置和室內(nèi)比尺模型是需要資金量最多的部分。同時，模型黃土高原的試驗研究也需要大量的運行經(jīng)費。
必須借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段，采取正確的技術(shù)路線，解決存在的技術(shù)難題；依靠國家的支持解決資金問題，確保"模型黃土高原"建設(shè)目標(biāo)的實現(xiàn)。
當(dāng)前急需探索的關(guān)鍵技術(shù)問題有：
1、小流域人工降雨裝置的設(shè)計問題。對于徑流小區(qū)，可以采用一般的人工降雨裝置，但是模擬大范圍的人工降雨應(yīng)當(dāng)采用什么類型的裝置，目前國內(nèi)外均沒有先例。
2、下墊面的選擇與布設(shè)問題。為了建立客觀性較強，相關(guān)性較高的數(shù)學(xué)模型，需要探索和解決模型小流域下墊面代表性和相似性問題。
3、徑流泥沙傳感器的研制問題。模型黃土高原需要傳感器能夠?qū)崟r測量坡面微小水流的狀態(tài)；測量范圍寬，并能測量高含沙水流；具有較高的測量精度；微型化、自動化、可靠性高。然而適合水土保持（微小水流）觀測，特別是對徑流小區(qū)觀測的水文傳感器定型產(chǎn)品較少。對于測量徑流小區(qū)內(nèi)部的坡面流的傳感器基本沒有定型產(chǎn)品，許多是研究單位結(jié)合試驗自己研制的非標(biāo)準(zhǔn)化、非商品化的儀器。因此需要加快解決這一問題，以使研究工作順利開展。
4、比尺模型的模擬理論與技術(shù)問題。把野外一個具體的小流域縮小，建設(shè)在室內(nèi)，存在許多物理量的比尺問題，有的難以解決，需要開展大量的理論和技術(shù)前期研究。
模型黃土高原建設(shè)是一項前無古人的事業(yè)，同時也是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。模型黃土高原建設(shè)對于21世紀(jì)黃河治理具有重要意義。黃河上中游管理局有信心，有決心完成模型黃土高原工程建設(shè)任務(wù)，為"維持黃河健康生命"而努力奮斗。（黃河上中游管理局）
在水土保持治理模式和治理效益的研究上，主要采取對原型小流域的觀測、監(jiān)測，分析不同治理措施的功能，研究不同措施組合的效益，提出各類型區(qū)適宜的治理模式。
由于小流域土壤侵蝕機理和過程十分復(fù)雜，為了保證模型建設(shè)和試驗研究的順利實施，實體模型建設(shè)將按照"先簡單，后復(fù)雜；先單因子，后多因子；先線性，后非線性；從小到大，循序漸進"的技術(shù)路線逐步實施。具體做法是：將實體模型分解成標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)、全坡面小區(qū)、微集水區(qū)、小流域四步進行建設(shè)。先進行小區(qū)單因子試驗研究，再進行全坡面試驗，然后進行微集水區(qū)（微流域）多因子試驗，最后進行小流域多因子、非線性試驗研究。
對于小流域人工降雨裝置，初步考慮有三種備選方案：一是地面鋪設(shè)式。即將目前采用的下噴式人工降雨裝置在距離地面10m的高度內(nèi)鋪設(shè)。相當(dāng)于現(xiàn)有裝置的機械擴展。該方案優(yōu)點是裝置在技術(shù)上較成熟，不需要再進行率定；缺點是小流域地面高低不平，架設(shè)存在一定難度，同時裝置對地面干擾較大，影響試驗觀測。二是高空懸掛式。在小流域兩側(cè)的山梁上架設(shè)鋼索，將降雨噴頭懸掛其上。該裝置的最小高度要滿足兩側(cè)山梁頂部的降雨要求。該方案的優(yōu)點是將現(xiàn)有裝置機械高移，可以直接建設(shè)，裝置對地面沒有干擾，缺點是架設(shè)難度較大，且高空水分蒸發(fā)損失較大，需要重新率定。三是高空噴射式。在兩側(cè)山梁上架設(shè)不同口徑、不同壓力的高壓噴頭，相對均勻噴灑，實現(xiàn)降雨要求。該方案的優(yōu)點是架設(shè)相對簡單，但裝置沒有先例，需要從頭研制，且高空噴灑水分蒸發(fā)量大。
在模型黃土高原建設(shè)中，野外大尺度人工降雨裝置和技術(shù)與室內(nèi)比尺模型的模擬理論和技術(shù)是模型黃土高原建設(shè)的難點，同時也是創(chuàng)新點。
二、模型黃土高原建設(shè)的工作基礎(chǔ)
水土流失作為一項世界性的問題，一直受到世界各國的重視，長期以來，在水土流失的基礎(chǔ)理論方面開展了大量的研究，在應(yīng)用實踐方面進行了卓有成效的推廣，在相關(guān)技術(shù)方面取得了有益的發(fā)展，這些都為開展模型黃土高原建設(shè)提供了有利條件。
?。ㄒ唬┰谒亮魇У幕A(chǔ)理論方面，土壤侵蝕模型研究是水土保持的一項基礎(chǔ)工作。近一個世紀(jì)以來，各國學(xué)者在土壤侵蝕模型研究方面做了大量卓有成效的工作，通過試驗、觀測、研究，建立了許多形形色色的模型。
國外在模擬理論和模型建設(shè)方面取得了較多成果。1965年美國學(xué)者在對東部地區(qū)30個州、10000多個徑流小區(qū)、近30年的觀測資料進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出了著名的通用土壤流失方程。1997年美國提出著名的WEPP物理成因模型。
國內(nèi)對水土流失規(guī)律研究和模型建設(shè)探索也開展了大量的工作。我國最早的坡面經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪?953年提出來的。20世紀(jì)60年代以后，清華大學(xué)、中科院水利部水土保持研究所、山西水保所等單位進行了侵蝕模型的有益探索，建立了坡面侵蝕、流域產(chǎn)沙與影響因子之間的經(jīng)驗統(tǒng)計模型。
黃委在坡面產(chǎn)流及侵蝕產(chǎn)沙機理研究、水土保持治理措施蓄水減蝕攔泥效益觀測、不同地貌部位、形態(tài)對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響等三個方面做了大量工作，通過這些研究，初步闡明了小流域徑流泥沙來源，探索研究了小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)報模型，取得了一大批有較高理論水平和實用價值的科研成果，獲省部級以上科技成果獎50多項，樹立了一批聞名全國的水土保持治理典型，其中黃委的綏德、西峰、天水三個水土保持科學(xué)試驗站曾被譽為我國水土保持的"三個支柱站"，為模型黃土高原建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
?。ǘ┰趹?yīng)用實踐方面，進行了卓有成效的推廣。
美國的通用土壤流失方程已經(jīng)在世界上的許多國家推廣應(yīng)用。
我國根據(jù)水土流失研究成果，開展了卓有成效的水土保持治理。其中，根據(jù)小流域水沙來源，有針對性地實施了以小流域為單元的山水田林路綜合治理；在黃河中游地區(qū)針對多沙粗沙區(qū)開展了國家重點治理項目、黃河水保生態(tài)工程和淤地壩建設(shè)等一大批治理項目。上個世紀(jì)80年代，西峰水保站研制了計算機控制的野外大型人工降雨裝置，開展了研究土壤侵蝕的人工降雨試驗，建立了國內(nèi)最大、最先進的人工降雨試驗場。經(jīng)過多年的試驗，取得了不少資料與成果，并為甘肅省解決中部干旱地區(qū)人畜飲水提供了可行的研究成果。近年來黃委又開展了水土保持遙感監(jiān)測項目，利用"3S"技術(shù)對水土流失狀況和水土保持成效進行觀測，已經(jīng)在黃河中游的國家能源重化工開發(fā)區(qū)的監(jiān)測中取得了積極的成果。這些項目一方面取得了顯著的治理效益，驗證了水土流失研究的成果，同時又對水土保持科學(xué)研究提出了新的課題。
?。ㄈ┰谙嚓P(guān)技術(shù)和設(shè)備方面，國內(nèi)外科技進步帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。研制開發(fā)了不同類型的自動化人工降雨裝置、小流域和徑流小區(qū)水文泥沙傳感器、數(shù)據(jù)自動化采集與傳輸裝置和軟件，以及適用于水土保持監(jiān)測的遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，進而促進了水土保持科研的發(fā)展。
綜上所述，借鑒國內(nèi)外已有的研究成果，依托黃委科研機構(gòu)，我們已初步具備了建設(shè)模型黃土高原的理論基礎(chǔ)和實踐條件。
三、模型黃土高原近期開展的工作
根據(jù)《"模型黃河"工程規(guī)劃》，開展了模型黃土高原的前期準(zhǔn)備工作和部分建設(shè)工程。
在研究區(qū)域上，模型黃土高原將重點研究水土流失嚴(yán)重、對黃河下游泥沙淤積、防洪安全影響較大的黃土丘陵溝壑一副區(qū)、三副區(qū)和高塬溝壑區(qū)，并依托技術(shù)力量和試驗設(shè)施條件較好的綏德、天水、西峰三個水土保持科學(xué)試驗站，進行"模型黃土高原"野外工程建設(shè)。其中，位于西峰水保站的南小河溝試驗場是模型黃土高原建設(shè)的近期重點。
?。ㄒ唬╅_展了實體模型建設(shè)前期準(zhǔn)備工作
完成了近期重點建設(shè)場地選擇。將模型黃土高原實體模型建設(shè)的近期重點放在西峰水保站的南小河溝實驗場。在該實驗場建設(shè)實體模型有許多有利條件：有顯著的區(qū)域代表性，試驗場所在地為黃土高原水土流失嚴(yán)重的高塬溝壑區(qū)；該試驗場已經(jīng)有半個多世紀(jì)的試驗研究歷史，開展了大量的水土保持試驗研究，取得了顯著的研究成果，獲得的觀測資料和研究成果為黃土高原治理提供了依據(jù)，在這里建設(shè)實體模型，能夠?qū)崿F(xiàn)三個研究目標(biāo)。同時該試驗場有大面積的國有試驗地；有能夠滿足模型黃土高原試驗研究的充足水資源，以及能夠保證模型黃土高原順利實施的道路、電力、通訊、房屋等基礎(chǔ)設(shè)施和有足夠的具有開展人工降雨試驗經(jīng)驗的技術(shù)力量。
進行了試驗區(qū)比選與布設(shè)。經(jīng)過多次對南小河溝流域踏勘，初步確定了實體模型野外試驗區(qū)，并進行了規(guī)劃設(shè)計，確定了標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)布設(shè)點、支毛溝試驗點以及小流域試驗點，該樣區(qū)代表性較強，可以建立水土保持措施機理研究試驗區(qū)、坡面侵蝕規(guī)律研究試驗區(qū)、溝道侵蝕規(guī)律研究試驗區(qū)。為了觀測全坡度的單因子侵蝕變化，建立侵蝕模型，為小流域侵蝕試驗研究提供基礎(chǔ)，經(jīng)過論證分析和規(guī)劃設(shè)計，建設(shè)了50-350坡度的坡面標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)16個和相關(guān)輔助設(shè)施的建設(shè)。
建立了單項人工模擬降雨系統(tǒng)。目前已經(jīng)完成了一個標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的野外固定式人工模擬降雨系統(tǒng)的研制及安裝，完成了該裝置的計算機控制的自動化系統(tǒng)的安裝調(diào)試，進行了降雨裝置的率定。
該模擬降雨系統(tǒng)模擬試驗面積為100m2； 可以進行連續(xù)的雨強變化，實現(xiàn)降雨過程模擬；模擬降雨均勻性≥85％，并具有較高的穩(wěn)定性；生成模擬降雨的雨強范圍為30.0mm～240.0mm/h；模擬降雨裝置的降雨雨滴特性與天然降雨雨滴特性具有較高相似性；降雨系統(tǒng)可全自動控制，且具有較好的系統(tǒng)擴展性，為今后的大面積人工降雨試驗打下了基礎(chǔ)。同時該裝置與黃委水科院室內(nèi)比尺模型采用的人工降雨裝置相同，便于今后試驗數(shù)據(jù)的比較分析。
?。ǘ嵤┝嗽陀^測
初步完善了西峰南小河溝，綏德韭園溝、辛店溝和天水羅玉溝、橋子?xùn)|溝、橋子西溝原型觀測設(shè)施；在南小河溝重新修建了董莊溝小流域徑流測站，完善了楊家溝和十八畝臺測站。培訓(xùn)了原型觀測技術(shù)人員。正在建設(shè)自動化數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。開展了徑流觀測數(shù)據(jù)的整編工作，要求將2004年底前的數(shù)據(jù)全部整編。
初步形成了不同空間尺度的原型觀測體系：<1km2的橋子?xùn)|溝、橋子西溝，1-10km2的楊家溝、董莊溝、辛店溝，10-100km2的羅玉溝、南小河溝、韭園溝，>100km2的硯瓦川。
（三）開展了比尺模型建設(shè)的前期試驗研究
比尺模型目前已經(jīng)開展了三方面的工作。一是初步開展了模型相似性條件和模擬技術(shù)的研究，正分別進行野外人工降雨試驗和室內(nèi)人工降雨試驗的比照試驗分析，通過試驗取得對比觀測數(shù)據(jù)。同時在理論上對比尺模型的相似律及模擬方法展開探討。二是開展了大面積人工降雨系統(tǒng)的研制，已經(jīng)提出了設(shè)計方案。該系統(tǒng)建成后將實現(xiàn)降雨真實過程的自動控制。三是正在開展比尺模型試驗大廳及相關(guān)測控體系等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的前期工作。
經(jīng)過近兩年的工作，模型黃土高原重點工程已初現(xiàn)雛形，初步形成了面積大、內(nèi)容多、代表性強的水土保持綜合試驗場。通過觀測試驗，各項系統(tǒng)運行正常，堅定了我們進一步開展模型黃土高原建設(shè)的信心和決心。
?。ㄋ模┫乱徊揭_展的工作
按照《"模型黃河"工程規(guī)劃》和正在編制的《模型黃土高原建設(shè)可行性研究報告》，下一步工作的主要目標(biāo)是：完成基本建設(shè)立項和科研立項工作，使模型黃土高原建設(shè)納入正式基建和科研實施計劃；完成物理模型建設(shè)；突破試驗裝置和傳感器研制瓶頸，完成數(shù)學(xué)模型建設(shè)。
由于模型黃土高原建設(shè)工作難度大，挑戰(zhàn)性強，為能使項目建設(shè)順利進行，達到預(yù)期目的，采取"三步走"的戰(zhàn)略，邊建設(shè)，邊試驗。
第一步，探索試驗階段：用2年左右的時間，完成"模型黃土高原"建設(shè)論證和規(guī)劃設(shè)計工作，確定合理的試驗研究技術(shù)路線，完成模型黃土高原野外物理模型群建設(shè)和相關(guān)設(shè)備、儀器的研制與安裝，完成部分比尺模型建設(shè)項目，開展前期研究工作。
1、初步建成模型黃土高原的野外物理模型群，包括：大型人工降雨徑流小區(qū)試驗場和楊家溝、董莊溝、辛店溝、南小河溝、韭園溝、羅玉溝、硯瓦川等不同空間尺度的原型觀測流域。
2、研制野外大型人工降雨裝置和傳感器。計劃將7個不同坡度的14個小區(qū)，總面積約1400m2全部安裝降雨裝置。同時，研制徑流泥沙傳感器，使之能夠?qū)崟r測量坡面微小水流的狀態(tài)。要求傳感器測量范圍寬，能測量高含沙水流；有較高的測量精度；微型化、自動化、可靠性高。與人工降雨裝置相配套，建設(shè)人工降雨中心控制室。
3、完成部分比尺模型建設(shè)項目。建成比尺模型廳，安裝室內(nèi)大型人工降雨裝置和測控系統(tǒng)，建設(shè)土壤侵蝕土槽，研究室內(nèi)試驗規(guī)律與原型觀測資料分析結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，進一步探討有關(guān)相似律及模擬技術(shù)。
第二步，全面實施階段：用3年左右的時間，全面完成物理模型建設(shè)，進一步完善提高原型觀測的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)淖詣踊潭取Ｍ瓿蓪嶓w模型的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)試驗，開展全坡面小區(qū)的多因子試驗研究。完成比尺模型的輔助研究。同時開展全面的試驗，結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，初步完成侵蝕規(guī)律數(shù)學(xué)模型的建模研究。
第三步，正常試驗階段：用5年左右的時間，在已經(jīng)建成的物理模型上全面開展水土流失規(guī)律及效益試驗研究；進一步擴大試驗研究范圍，在黃土高原不同地區(qū)布設(shè)試驗點，采集有關(guān)數(shù)據(jù)，建成黃土高原地區(qū)土壤侵蝕模型群。
四、急需探索的關(guān)鍵技術(shù)問題
雖然已經(jīng)有了一定的工作基礎(chǔ)，但要實現(xiàn)模型黃土高原建設(shè)的目標(biāo)，仍然存在很大的難度。
一是自然條件模擬難。黃河流域黃土高原面積達64萬平方公里，涉及多種氣候和植被類型，包括13個水土流失類型區(qū)。黃土高原千溝萬壑，水土流失類型復(fù)雜多樣，氣候、降雨、植被等條件千差萬別，影響試驗結(jié)果與實際情況的相似性和相關(guān)性，這是模型黃土高原建設(shè)的最大難題。
二是建模模擬技術(shù)難。"模型黃土高原"不僅具有三維空間屬性，而且還有時間屬性。由于影響建模的因素很多，沒有已成的經(jīng)驗可借鑒，基礎(chǔ)資料缺乏、技術(shù)設(shè)備落后、沒有成套的大型人工降雨裝置和相應(yīng)的傳感器，對黃土高原室內(nèi)比尺模型模擬理論和技術(shù)的系統(tǒng)研究不足等，都對"模型黃土高原"的建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重制約。
三是資金難。模型黃土高原需要大量的資金支撐。其中，實體模型建設(shè)中的人工降雨裝置和室內(nèi)比尺模型是需要資金量最多的部分。同時，模型黃土高原的試驗研究也需要大量的運行經(jīng)費。
必須借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段，采取正確的技術(shù)路線，解決存在的技術(shù)難題；依靠國家的支持解決資金問題，確保"模型黃土高原"建設(shè)目標(biāo)的實現(xiàn)。
當(dāng)前急需探索的關(guān)鍵技術(shù)問題有：
1、小流域人工降雨裝置的設(shè)計問題。對于徑流小區(qū)，可以采用一般的人工降雨裝置，但是模擬大范圍的人工降雨應(yīng)當(dāng)采用什么類型的裝置，目前國內(nèi)外均沒有先例。
2、下墊面的選擇與布設(shè)問題。為了建立客觀性較強，相關(guān)性較高的數(shù)學(xué)模型，需要探索和解決模型小流域下墊面代表性和相似性問題。
3、徑流泥沙傳感器的研制問題。模型黃土高原需要傳感器能夠?qū)崟r測量坡面微小水流的狀態(tài)；測量范圍寬，并能測量高含沙水流；具有較高的測量精度；微型化、自動化、可靠性高。然而適合水土保持（微小水流）觀測，特別是對徑流小區(qū)觀測的水文傳感器定型產(chǎn)品較少。對于測量徑流小區(qū)內(nèi)部的坡面流的傳感器基本沒有定型產(chǎn)品，許多是研究單位結(jié)合試驗自己研制的非標(biāo)準(zhǔn)化、非商品化的儀器。因此需要加快解決這一問題，以使研究工作順利開展。
4、比尺模型的模擬理論與技術(shù)問題。把野外一個具體的小流域縮小，建設(shè)在室內(nèi)，存在許多物理量的比尺問題，有的難以解決，需要開展大量的理論和技術(shù)前期研究。
模型黃土高原建設(shè)是一項前無古人的事業(yè)，同時也是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。模型黃土高原建設(shè)對于21世紀(jì)黃河治理具有重要意義。黃河上中游管理局有信心，有決心完成模型黃土高原工程建設(shè)任務(wù)，為"維持黃河健康生命"而努力奮斗。（黃河上中游管理局）
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