黃委三站在模型黃土高原建設中的作用與地位
來源： 水土保持生態(tài)環(huán)境建設網 上傳日期:2018-07-24 打印本文章 【字體】 大 中 小 從20世紀40、50年代開始，綏德、天水、西峰三個水土保持科學試驗站（簡稱”三站”）分別在黃土丘陵溝壑區(qū)（簡稱黃丘區(qū)）第一副區(qū)、第三副區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)選擇典型小流域，布設因子觀測小區(qū)，進行徑流泥沙、水土流失規(guī)律、水土保持措施作用機理、措施優(yōu)化配置及治理效益等方面的野外觀測和研究工作，積累了豐富的第一手資料，取得了大量顯赫的包括各種類型土壤侵蝕數學模型在內的科研成果。這些觀測資料和研究成果，為指導黃土高原水土流失治理提供了理論根據。
一、三站水文氣象觀測設施建設
黃委在黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)設立的綏德水土保持科學試驗站從1954年開始在韭園溝設站，現(xiàn)有測流斷面1個，雨量站14個，平均5.0km2/站，到2003年底已累計有46年的水文觀測資料。
辛店溝流域內設立雨量站2處，林地徑流小區(qū)5個，現(xiàn)累計有25年的水文觀測資料，徑流、泥沙測驗項目齊全，是進一步進行水土流失治理研究和治理后侵蝕產沙演化研究的場地。
橋溝小流域溝口觀測斷面控制面積0.45km2，全流域布設徑流觀測站3個，有自記雨量站4個，按自然地貌布設大型徑流場8個。設一、二號支溝流量站觀測研究不同侵蝕形態(tài)水土流失規(guī)律。通過2個溝對比，結合大型徑流場分析，研究其峁坡地、溝谷地徑流泥沙來源，并結合溝口站分析溝道輸移比，現(xiàn)累計有18年觀測資料。
(2) 黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)
黃委天水水土保持科學試驗站設于黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。1943年以來，天水站先后在大柳樹溝、呂二溝、羅玉溝、清水河以及橋子東溝、橋子西溝等不同類型區(qū)和不同尺度小流域進行了水土流失原型觀測。目前運行的觀測站網主要有呂二溝、羅玉溝、橋子東溝、橋子西溝4個觀測基地。其中，羅玉溝小流域面積72.79km2，該觀測站網主要進行小流域土壤侵蝕類型與特征研究、坡地徑流小區(qū)的試驗研究。1985年設站，溝口布設1個徑流泥沙觀測站,流域內布設24個雨量站,并在其左岸一級支溝的橋子東溝、橋子西溝兩條支溝中按照“相似流域、平行對比”的指導思想進行治理與非治理對比及綜合治理效益的觀測試驗研究，橋子東溝為治理溝，橋子西溝為非治理溝。通過長期觀測，取得了不同地類、地形、土壤、耕作方式等較為系統(tǒng)的降水、徑流、泥沙資料，其中坡面小區(qū)徑流泥沙資料434個站年，小流域徑流泥沙資料89個站年，雨量資料516個站年。
(3) 黃土高塬溝壑區(qū)
黃委西峰水土保持科學試驗站是黃土高塬溝壑區(qū)的代表站。50多年來，西峰站在南小河溝流域(面積30.6km2)先后布設8個測站，進行徑流泥沙觀測，研究小流域水土流失規(guī)律。隨著水保科研事業(yè)的發(fā)展，又在慶陽、平涼增設了17個測站，取得了220站年的資料。在南小河溝還先后布設了農地、林地、人工草地、天然荒坡、莊園和道路徑流場76個。截止2006年，共積累各種水沙資料1812站（場）年。其中，降水量資料793站年，徑流資料214站年，泥沙資料214站年，蒸發(fā)量資料94站年，徑流場水沙資料230場年，徑流場土壤含水率實測資料244場年，壩庫水沙資料23庫年。
（4）為滿足模型黃土高原建設和數學模型開發(fā)，2004年黃委批復實施了《典型小流域原型觀測實施方案》，調整和加強了“三站”野外水土流失觀測站網布局和觀測內容。目前該項目已基本完成，正在準備驗收。
二、三站水土流失觀測成果
“三站”的野外試驗觀測成果包含降雨、徑流、泥沙蒸發(fā)等（見表1）。
從“三站”的野外試驗觀測資料現(xiàn)狀看， 1981年以前的歷史資料均已整編刊印，1981年以后的歷史資料已通過計算機整編保存。
綜上所述，三站是黃河流域，乃至全國，水土流失觀測規(guī)模最大，觀測系列最長，觀測數據積累最多的科研站所。
三站的觀測設施和積累的觀測資料對于建立水土流失數學模型奠定了良好的物質基礎。
三、三站取得的模型建設成果
1、歷史上取得的模型建設成果
黃委三站在20世紀90年代以前的年度科研計劃中，每年都將“水土流失規(guī)律研究”作為水土保持試驗研究的第一個項目。通過50多年的試驗研究，取得了大量顯赫的成果。
?。?）開展了黃土高原泥沙來源的研究
自1954年開始，在黃土高原溝壑區(qū)的南小河溝流域（流域面積36.3 km2），選定治理的楊家溝（流域面積0.87 km2）和非治理的董莊溝（流域面積1.15 km2）作為對比，進行水土流失規(guī)律研究。近50年的研究成果表明：黃土高原溝壑區(qū)（其地貌類型分為塬、坡、溝三種）67.4%的徑流來自塬面，86.3%的泥沙來自溝谷；塬水下溝和溝谷重力侵蝕是這一地區(qū)水土流失的主要特征；南小河溝流域溝谷地單位面積侵蝕量是溝間地的9.4倍，如果溝間地的徑流和泥沙就地攔蓄，則溝谷地的侵蝕量比溝間地僅大1.26～1.49倍。南小河溝流域重力侵蝕面積占流域總面積的9.1%，重力侵蝕產沙量占流域總產沙量的57.5%。
在黃土高原溝壑區(qū)進行原面土壤侵蝕研究，建立土壤侵蝕的數學模型，單靠觀測天然降雨造成的水土流失，周期太長，尤其是對稀有頻率暴雨很難觀測到，必須借助人工模擬降雨試驗的方法，以快速獲得相關資料。黃委會西峰水土保持科學試驗站于1984年開始進行人工模擬降雨的設備研制工作，歷時6年，經過上萬次的試驗，一種全國乃至世界上規(guī)模最大的人工模擬降雨裝置試驗成功，受到了國內外許多知名專家的贊賞。十幾個國家的四十多名專家前來參觀，國內參觀訪問者更是絡繹不絕。在黃土高原溝壑區(qū)原面土壤侵蝕研究（歷時9年）中，共布設各種因子小區(qū)40個。首先進行了南小河溝流域天然降雨特性分析、土壤入滲試驗、土壤含水量～雨強～侵蝕量關系研究和土壤理化特性的研究；其次進行了植被、地形、土壤可蝕性、土壤含水量及允許流失量的研究。取得了一批相當有價值的階段性研究成果。
西峰站從1990年開始和中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所合作，對南小河溝流域不同土地利用類型的137Cs含量進行了測定，計算了南小河溝梯田、刺槐林、草地的土壤侵蝕量：根據梯田和坡耕地各剖面137Cs總量的平均值和農耕地土壤侵蝕量計算公式，求得梯田和坡耕地的年均侵蝕模數分別為91.3t/km2和2664t/km2，梯田較坡耕地攔沙效益高出96.6%。
天水站在羅玉溝流域三種土壤侵蝕區(qū)內，分別對坡面、溝道及重力侵蝕方面進行了實地觀測并計算出數萬個泥沙數據，求得平沙年小流域推移質、懸移質的數量占全沙量25%；平沙年小流域年輸沙量中，坡面、溝道和重力侵蝕所占比例分別為46%、42%、12%，流域中的坡面與溝道的泥沙量各占一半。坡面是洪水及細泥沙的主要來源區(qū)，溝道是推移質的集中產地。土壤流失主要是隨洪水輸移流失，常水流失甚少。成果鑒定專家認為：該成果為黃土高原綜合開發(fā)治理方案提出了依據，提供了丘三區(qū)典型小流域土壤侵蝕特征研究數據，達到國內同類研究的先進水平，可在同類型區(qū)推廣應用。
天水水保站李建牢等（1989）利用甘肅天水實驗站資料，選取降雨、土壤可蝕性、坡度、坡長、土地利用5個因子，建立了因子值乘積形式的方程式，估算多年平均土壤流失量。其基本形式直接應用美國USLE，但進行了一些參數估算的調整。降雨因子采用降雨動能與最大30min雨強之乘積，土壤可蝕性因子則根據諾模圖建立了與土壤抗分散性的指數關系式。根據地形狀況修訂了坡度坡長因子中的指數，給出4種不同土地利用的系數值。
綏德站在綏德縣橋溝流域布設了全國第一個未治理流域的大型坡面徑流場。通過觀測分析，摸清了黃丘一副區(qū)不同地貌類型、不同土地類型的產水產沙規(guī)律及水保措施的減水減沙效益。分析總結出小流域暴雨特性、土壤侵蝕特征等定量定性結論，建立了產流產沙數學模型。主持完成了黃河中游河龍區(qū)間水土保持措施減水減沙作用分析、多沙粗沙區(qū)水沙變化原因分析及發(fā)展趨勢預測和黃丘一副區(qū)水土流失規(guī)律及水土保持減水減沙效益試驗研究等多項國家、部委課題，其中黃丘一副區(qū)水土流失規(guī)律及水土保持減水減沙效益試驗研究和黃河中游河龍區(qū)間水土保持措施減水減沙作用分析研究成果分別獲得水利部科技進步三等獎和陜西省科技進步二等獎。
?。?）開展了水土保持措施蓄水減沙效益研究
西峰站對南小河溝流域淤地壩減輕溝蝕作用進行的觀測研究結果表明：由于局部溝段壩地的固溝作用，使小流域的溝蝕量減輕了16.2%。研究發(fā)現(xiàn)，水土保持坡面治理措施實施后也有明顯減輕溝蝕的作用。經對南小河溝流域內的楊家溝、董莊溝兩條支溝對比觀測，塬面水不下溝比水下溝減輕溝蝕30%～70%。
黃委會西峰水土保持科學試驗站李倬高級工程師通過對南小河溝流域楊家溝溝谷林木的減沙機理和林木固溝減蝕作用的研究，發(fā)現(xiàn)因林地面積占流域面積的40%，且主要集中于溝谷，因而其減沙效益高達92.6%，而且在特大暴雨中同樣能發(fā)揮顯著而穩(wěn)定的減沙作用；根據楊家溝和董莊溝各自的輸沙率～流量關系對比分析，楊家溝林木固溝減蝕量占總減沙量的27%；1958～1965年因楊家溝減洪效益45.9%可以實現(xiàn)減沙效益63%。據此提出在黃土高原溝壑區(qū)小流域綜合治理工作中，不必遵循自上而下的塬、坡、溝治理順序，可以先治溝——以林木固溝為重點和先行，適地適樹，密植速生林，快速減沙。
李倬關于黃土高原地區(qū)林木固溝減蝕作用研究的論文——《論林木的固溝減蝕作用》影響較大。曾刊于國家CN級核心學術期刊《泥沙研究》1993年第1期之首；1992年被編入國際水文科學協(xié)會論文集；先后被西班牙亞速爾大學、葡萄牙阿里肯特大學、智利南方大學、伊朗德黑蘭大學等多次出版。
在森林對徑流泥沙的影響研究方面，黃委會西峰水土保持科學試驗站1956～1962年選定子午嶺林區(qū)的合水川（流域面積836 km2，其中板橋水文站以上控制面積807 km2）和黨家川（流域面積30km2），對子午嶺林區(qū)森林植被的攔洪減沙效益進行了深入研究。結果表明：森林攔蓄暴雨徑流平均達到70%，最高達90%；削減洪峰流量在60%以上，攔泥效益達99%～100%。無林流域（主要是人類破壞所致）與有林流域相比，其多年平均含沙量和測點最大含沙量前者是后者的440倍和34倍。
在水土保持對小流域地表徑流的影響研究方面，黃委會西峰水土保持科學試驗站和中國科學院、水利部水土保持研究所的聯(lián)合研究結果是：根據南小河溝流域楊家溝和董莊溝多年的觀測資料分析，水土保持措施能使黃土高原溝壑區(qū)的小流域產洪次數減少，地表徑流模數和徑流系數減小；使小流域地表徑流模數的年際變率增大；在洪水產流過程中，水土保持措施使流域產流起始時間滯后，徑流持續(xù)時間縮短，瞬時流量及洪峰流量降低以至消失。南小河溝流域塬面道路徑流模數是天然荒坡的8～32倍。
?。?）開展了水土保持治理措施配置研究
西峰站針對黃土高原溝壑區(qū)徑流泥沙來源的自然規(guī)律，提出了“保塬固溝”的治理方針，并在實踐中總結提出了 “三道防線”和“四個生態(tài)經濟帶”的綜合治理模式，在黃土高原溝壑區(qū)得到了廣泛推廣應用。
“三道防線”綜合治理模式即“塬面修建條田和溝頭防護工程；溝坡整地造林，發(fā)展果園，種植牧草；溝道修建攔蓄工程，營造防沖林”；“四個生態(tài)經濟帶”即“塬面農業(yè)生態(tài)經濟帶，塬邊林果生態(tài)經濟帶，溝坡草灌生態(tài)經濟帶，溝底水利生態(tài)經濟帶”。該治理模式在涇河流域推廣后，取得了顯著的蓄水保土效益。采取“三道防線”治理模式所建立的南小河溝流域綜合治理典型，根據1955～1974年的觀測資料對比分析，治理程度達58%，多年平均攔蓄徑流效益55.6%，攔蓄泥沙效益97.2%，其中土壩和土谷坊等工程措施攔沙量占總攔沙量的82.3%；糧食產量提高了兩倍，木材蓄積量達12400m3。流域內的楊家溝是以林草措施為主綜合治理支毛溝的典型，林草覆蓋率在80%以上，攔蓄徑流效益57.9%，攔蓄泥沙效益81.3%。這一典型已在甘肅省慶陽地區(qū)140多條小流域和部分大、中流域中推廣，面積達8400 km2。
(4)參與開展了黃河水沙研究
三站主持承擔了“八五”國家重點科技攻關項目——“多沙粗沙區(qū)水沙變化原因分析及發(fā)展趨勢預測”（85-926-03-01）、水利部第二期黃河水沙變化研究基金項目——“河龍區(qū)間水土保持措施減水減沙效益分析”以及“涇河、北洛河、渭河流域水土保持措施減水減沙作用分析”、黃河流域第一期水土保持科研基金第四攻關課題子題——“涇河流域水利水土保持減水減沙效益及水沙變化趨勢預測研究”、黃委會黃河上中游管理局“八五”重點課題——“黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持措施減洪減沙效益研究”等重大科研項目的研究任務。研究涉及面積24.85萬km2。以上項目先后榮獲陜西省科技進步二等獎、水利部科技進步三等獎、黃委會科技進步一等獎、二等獎、黃委會黃河水利科學研究院科技進步一等獎及黃委會黃河上中游管理局科技進步一等獎；出版及合作出版專著3部；在國家CN級核心學術期刊及國際學術刊物上公開發(fā)表論文70余篇；參加國際、國內大型學術交流會25次，入選論文20余篇。其研究成果在黃河中游水沙變化研究和黃河中游水土保持生態(tài)工程建設規(guī)劃中發(fā)揮了重要作用，具有很大影響。
渭河是黃河的最大支流，本項研究，首次對渭河水沙變化進行系統(tǒng)研究。采用水文法和水保法對流域的水沙變化分析結果表明，1970-1989年，與基準 （1954-1969年）比較，徑流減少34%，泥沙減少38%，其中降水影響占16%、23%，人類活動影響占84%、77%。水利水保措施的減水減沙效益兩法計算結果接近，反映出了70年代以來流域開發(fā)治理是河流水沙趨于明顯減少的主要原因。該成果為治黃的宏觀決策提供了科學依據，對今后黃土高原的治理具有指導價值，對發(fā)展當地生產，改善生態(tài)環(huán)境，減少自然災害等方面都具有不可估量的直接和間接效益。該成果獲得1995年甘肅省水利科技進步二等獎。
2、近期取得的模型建設進展
在6月下旬黃委驗收通過的“十五”重大治黃科研專項課題中，一些課題對土壤侵蝕機理和水土流失規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，并提出了主要影響因子的統(tǒng)計模型。
《高塬溝壑區(qū)典型小流域水土流失規(guī)律及水保治理效益分析研究》對近50年的觀測資料進行了總結分析，開展了涉及降雨、植被、坡度、坡長等因子的模型研究。在繼承前人研究的基礎上，提出了水土流失與降雨、坡度、坡長的數學模型。該研究成果經黃委組織的專家評審，認為該成果的創(chuàng)新點之一是對高塬溝壑區(qū)水土流失原型觀測內容和站網布局提出了建設性的建議，該成果對高塬溝壑區(qū)的水土流失測驗與信息管理具有重要的指導作用。
《泥質沙巖地區(qū)水土流失現(xiàn)狀及其治理途徑調研》項目對位于黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)的泥質沙巖地區(qū)基巖侵蝕的現(xiàn)狀和成因進行了研究。經黃委組織的專家評審，認為該項目的創(chuàng)新點之一是比較系統(tǒng)地分析了泥質沙巖地區(qū)土壤侵蝕特征及產流產沙規(guī)律，該成果對指導泥質沙巖水土流失治理具有重要的參考價值。
《大理河流域水土保持生態(tài)工程建設的減沙作用研究》利用綏德站的觀測資料，研究了坡面徑流小區(qū)人工植被和梯田的減沙機理，采用統(tǒng)計分析的方法，建立線性與非線性數學模型，揭示了梯田和不同植物在不同覆蓋度下的侵蝕狀況。
四、結語
黃委三個水保站作為水土保持科研的國家隊，開創(chuàng)了我國的水土保持科學研究的先河。三站具有我國規(guī)模最大的野外試驗研究設施、歷史最長的觀測資料、人數最多的技術力量，在水土流失規(guī)律研究、水土保持效益分析、治理措施布局，以及黃河水沙研究等方面均取得了豐碩的成果。黃委三站在新世紀的模型黃土高原建設和水土流失數學模型研發(fā)中必然占有舉足輕重的地位。依靠黃委三站開展模型黃土高原建設和水土流失數學模型研發(fā)必將能夠多快好省地早出成果，達到事半功倍的效果，否則將耗費大量的人力、物力和財力，而且將大大延緩模型黃土高原建設和水土流失數學模型研發(fā)的完成時間。
黃河上中游管理局副總工 李敏
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