黃河是中華民族的“母親河”，哺育著中華民族，孕育了燦爛的中華文明。然而，由于特殊的自然條件和頻繁的人類活動，使得黃土高原成為世界上水土流失面積最廣、侵蝕強(qiáng)度最大的地區(qū)，黃土高原地區(qū)嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)系統(tǒng)退化，直接影響了黃河的安瀾，加劇了荒漠化發(fā)展和伴生災(zāi)害發(fā)生，嚴(yán)重制約了黃河生態(tài)安全保護(hù)屏障和生態(tài)建設(shè)的發(fā)展。黃土高原地區(qū)特殊的自然環(huán)境決定了其水土流失類型多樣，成因復(fù)雜，治理難度非常大。新中國成立以來，我國不斷加強(qiáng)黃河流域水土保持科學(xué)試驗(yàn)和研究工作，取得了豐碩的成果，為黃土高原水土流失治理和黃河流域綜合治理開發(fā)提供了技術(shù)支撐。
1 黃河流域水土保持科研進(jìn)展
1.1 水土保持基本理論研究
（1）水土流失規(guī)律研究
以1942年天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的創(chuàng)建為標(biāo)志，我國開始了黃土高原水土流失規(guī)律的試驗(yàn)觀測工作，之后相繼建立了黃河水利委員會綏德、西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，以及離石、安塞、長武、嵩縣等多個水土保持野外試驗(yàn)站，采用標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)試驗(yàn)的方法，研究土壤侵蝕與降雨、坡度、坡長、耕作方式等因素的定量關(guān)系，確定坡地退耕的臨界坡度，探討坡耕地侵蝕方式及其侵蝕產(chǎn)沙過程，在黃土坡面徑流水力特性及侵蝕動力機(jī)制、侵蝕過程對植被空間布局的響應(yīng)、坡面－溝道耦合系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系、河道系統(tǒng)演化過程對水土保持治理措施配置模式的響應(yīng)等方面開展了系統(tǒng)研究，促進(jìn)了我國侵蝕動力學(xué)研究的發(fā)展。
20世紀(jì)60年代研究者根據(jù)實(shí)測徑流量－產(chǎn)沙量關(guān)系推算了南小河溝、韭園溝、呂二溝、王家溝流域中重力侵蝕產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的比例。20世紀(jì)80年代以來，一些學(xué)者們分析了重力侵蝕對高含沙水流形成的作用，揭示了重力侵蝕對流域產(chǎn)沙的重要作用。20世紀(jì)70年代，研究者在坡面侵蝕和溝道侵蝕產(chǎn)沙研究的基礎(chǔ)上，得出了黃河中游地區(qū)中小流域泥沙輸移比接近1的結(jié)論，為建立流域尺度水土流失機(jī)理模型奠定了基礎(chǔ)。
（2）淤地壩攔沙減蝕作用研究
壩系相對穩(wěn)定的概念最初是受天然聚湫的啟發(fā)而提出的。20世紀(jì)80年代，提出了“在一定頻率洪水條件下保證壩系的安全，在保收頻率洪水下壩地高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，泥沙基本不出溝，充分合理利用水沙資源，維修工程量小”的壩系相對穩(wěn)定的內(nèi)涵和原理。2000年以來，進(jìn)一步明確了壩系相對穩(wěn)定的概念和條件，探討了淤地壩的攔泥減蝕機(jī)理和壩系建設(shè)在解決黃河泥沙問題中的作用。
（3）土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報技術(shù)
黃土高原地區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙模型研究是從新中國成立以后開始的。20世紀(jì)50年代到60年代建立的主要是坡面侵蝕產(chǎn)沙模型，70年代引進(jìn)了美國通用土壤流失方程并加以改進(jìn)， 80 年代開始對輸沙過程進(jìn)行預(yù)報，同時侵蝕產(chǎn)沙物理模型也得到了快速發(fā)展。2000年以來，水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)相繼資助開展“黃土高原多沙粗沙區(qū)產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用”、“多尺度空間流域模型耦合技術(shù)與應(yīng)用研究”等項(xiàng)目研究，建立了可推廣應(yīng)用的小流域尺度侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理模型、次降雨洪水泥沙作業(yè)預(yù)報模型、中尺度流域和區(qū)域尺度年土壤侵蝕預(yù)測模型等異構(gòu)異類模型，已在流域水土保持綜合治理規(guī)劃、水保措施效應(yīng)評價中得到應(yīng)用。
（4）水土保持減水減沙效益分析
20 世紀(jì)40年代，隨著黃土高原主要類型區(qū)徑流小區(qū)和小流域徑流泥沙觀測站的陸續(xù)建立，開始了對水土保持措施攔沙效益的觀測研究。特別是從20世紀(jì)80年代開始，黃河水利科學(xué)研究院及有關(guān)單位依托黃河流域水保科研基金項(xiàng)目、水利部黃河水沙變化研究基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“黃河流域環(huán)境演變與水沙運(yùn)行規(guī)律研究”、“八五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目“黃河中游多沙粗沙區(qū)治理研究”、“十一五”國家科技支撐計劃課題“黃河流域水沙變化情勢評價研究”和“十二五”國家科技支撐項(xiàng)目“黃河水沙調(diào)控技術(shù)研究及應(yīng)用”等，編著出版了《水土保持減水減沙效益計算方法》，對各計算方法及其相關(guān)模型的特點(diǎn)和適用條件進(jìn)行了分析評價，定量分析了自然因素和人類活動的作用，為治理黃河的宏觀決策提供了科學(xué)依據(jù)。
1.2 水土流失治理技術(shù)研究
（1）治理模式
新中國成立以來，黃土高原地區(qū)的水土流失治理在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新，治理模式逐漸由單一治理轉(zhuǎn)為工程、生物和耕作措施相結(jié)合，由分散治理轉(zhuǎn)為集中連片規(guī)模治理、突出溝道壩系建設(shè)，由單一效益轉(zhuǎn)為生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)綜合效。20世紀(jì)80年代，科研人員總結(jié)出了以小流域?yàn)閱卧木C合治理模式，并且在黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、黃土階地區(qū)、土石山區(qū)和風(fēng)沙區(qū)等不同類型區(qū)采取不同的治理模式。2016年，水利部委托黃科院編制的《黃土高原水土流失治理標(biāo)準(zhǔn)》提出了黃土高原丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、風(fēng)沙區(qū)和砒砂巖區(qū)的綜合治理模式及其措施優(yōu)化配置方法，實(shí)現(xiàn)了治理措施的空間、類型配置的定量化。
（2）單項(xiàng)治理技術(shù)
20世紀(jì)50年代，科研人員開展了水土保持工程措施、植物措施、耕作措施等專項(xiàng)措施研究，包括水墜法筑壩、定向爆破筑壩、機(jī)修梯田、飛播造林種草等，1957年，黃河水利科學(xué)研究院與綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站合作，利用水力充填筑壩技術(shù)，在陜西省綏德縣韭園溝用水力充填黃土修筑一座4 m高的試驗(yàn)土壩，開啟了水墜壩示范推廣的序幕。1985年，水墜法筑壩的研究和推廣獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。1992年，黃委有關(guān)專家開展了砒砂巖地區(qū)沙棘植物柔性壩試驗(yàn)研究，建立了植物攔沙的理論架構(gòu)。
20世紀(jì)60年代，黃河流域群眾開始自發(fā)的組織坡耕地改梯田建設(shè)，取得了一定的成果；80年代～90年代中后期，坡耕地改造進(jìn)入低潮期，發(fā)展幾乎停滯；90年代以來，梯田建設(shè)重新步入較快發(fā)展的軌道，為干旱地區(qū)探索出了一條治理與開發(fā)相結(jié)合、人與自然和諧相處的可持續(xù)發(fā)展道路。
（3）砒砂巖區(qū)抗蝕促生治理技術(shù)
依托“十二五”國家科技支撐計劃項(xiàng)目“黃河中游砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術(shù)集成與示范”，針對黃河中游砒砂巖區(qū)水土流失問題，研發(fā)了砒砂巖抗蝕促生材料和砒砂巖改性筑壩技術(shù)，構(gòu)建了砒砂巖區(qū)抗蝕促生措施立體配置技術(shù)與模式，探索了黃河中游砒砂巖區(qū)水土流失的綜合治理新途徑區(qū)，建成了2萬m2 坡面溝道二元立體配置固結(jié)促生示范工程和1 座庫容3.26萬m3的淤地壩改性示范工程，取得了砒砂巖區(qū)黃土高原水土保持領(lǐng)域基礎(chǔ)原理創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)突破。
砒砂巖坡面治理前 砒砂巖坡面治理后
1.3 水土保持科研平臺建設(shè)
20世紀(jì)40年代初期，黃土高原水土流失徑流小區(qū)試驗(yàn)研究始于天水的大柳樹溝梁家坪試驗(yàn)基地。20世紀(jì)50年代，徑流小區(qū)試驗(yàn)研究由天水?dāng)U展到以甘肅西峰南小河溝為代表的黃土高塬溝壑區(qū)和以陜西綏德韭園溝為代表的黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，形成了黃河中游主要土壤侵蝕類型區(qū)具有代表性的試驗(yàn)研究布局。中國科學(xué)院和一些省、地所屬水土保持試驗(yàn)站所也先后開展了小區(qū)試驗(yàn)研究。20世紀(jì)70年代，科研人員開始側(cè)重人工模擬降雨試驗(yàn)，以彌補(bǔ)自然降雨周期長、資料少之不足。20世紀(jì)90年代以來，中科院、水利部先后建立了“黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”“水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心”，為黃土高原水土流失治理研究工作打造了良好的科研平臺。
2011年，“水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”獲水利部認(rèn)定批復(fù)，實(shí)驗(yàn)室成立以來，建成了世界上規(guī)模最大的人工模擬降雨試驗(yàn)大廳，在野外建成了天水大型人工模擬降雨試驗(yàn)基地、十大孔兌生態(tài)水文觀測基地、鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕準(zhǔn)格爾旗觀測站等一批野外觀測站網(wǎng)，對于促進(jìn)基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)的積累起到了重要的助推作用。
模型黃河基地人工模擬降雨系統(tǒng)
砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕準(zhǔn)格爾旗觀測站
天水大型人工模擬降雨試驗(yàn)基地
十大孔兌人工模擬降雨生態(tài)水文觀測基地
2. 黃河流域主要科研成果
2.1黃河多沙粗沙區(qū)分布式土壤流失模型及工程應(yīng)用研究
黃科院聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)高校從20世紀(jì)90年代后期開始，開展了黃土高原土壤流失模型、支持系統(tǒng)和應(yīng)用研究，揭示了黃土高原土壤陡坡環(huán)境下的侵蝕機(jī)理和規(guī)律，建立了溝道重力侵蝕、流域次洪水泥沙輸移比模式。創(chuàng)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)雜侵蝕環(huán)境下的柵格型分布式土壤流失模型，實(shí)現(xiàn)了侵蝕產(chǎn)沙過程的參數(shù)化分析、空間解集與聚集、無資料地區(qū)土壤流失模擬的匹配。研發(fā)了GIS與土壤流失模型緊密耦合的國際前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于DEM的分布式土壤流失模型與GIS的緊密耦合，定量評估了人類活動作用下土壤侵蝕的響應(yīng)并優(yōu)化水土保持工程設(shè)計方案。2010年，成果獲河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。
2.2粗泥沙集中來源區(qū)界定與水沙變化
通過科技部、水利部和治黃專項(xiàng)等科技項(xiàng)目資助，黃科院、黃委會水文局等單位集成創(chuàng)新提出了沉積旋回層物理探測、水文泥沙均衡分析、河床演變模擬反演的粗泥沙集中來源區(qū)識別技術(shù)與界定指標(biāo)體系，界定了粗泥沙集中來源區(qū)1.88萬km2，確定了黃土高原水土保持措施類型、質(zhì)量與時空格局，創(chuàng)建了基于下墊面抗蝕力的人類活動對產(chǎn)沙影響的評價模型、蓄滿產(chǎn)流與超滲產(chǎn)流相耦合的產(chǎn)流機(jī)制自適應(yīng)模擬技術(shù)，形成了評估氣候變化及人類活動綜合影響下水沙響應(yīng)趨勢的技術(shù)體系，定量評估了粗泥沙集中來源區(qū)治理效果、人類活動與自然因素多因子對黃河水沙變化的貢獻(xiàn)率。2014年，成果獲大禹水利科學(xué)技術(shù)獎一等獎。
2.3 黃河流域砒砂巖區(qū)辨識與抗蝕促生關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
形成于2.5億年前由砂巖、砂頁巖、泥質(zhì)砂巖組成的砒砂巖，無水堅(jiān)如石、遇水爛如泥，林草難以生長，被國內(nèi)外稱之為“地球生態(tài)癌癥”，對其治理極其困難。針對這一世紀(jì)難題，黃科院聯(lián)合相關(guān)高校和科研單位，在國家十二五科技支撐計劃和省部級多項(xiàng)科技計劃項(xiàng)目資助下，歷經(jīng)5萬余公里行程的多元數(shù)據(jù)采集、數(shù)百組次機(jī)理試驗(yàn)和多維信息分析與評價技術(shù)集成，精準(zhǔn)界定了砒砂巖分布區(qū)，研發(fā)了砒砂巖改性技術(shù)，研發(fā)出了砒砂巖改性筑壩材料，實(shí)現(xiàn)了阻控砒砂巖結(jié)構(gòu)遇水潰散與破壞的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了阻控侵蝕與恢復(fù)植被的功能一體化，減少侵蝕量90%以上。2018年，成果獲河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。
2.4黃土高原淤地壩系溝蝕阻控機(jī)理與安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)
西安理工大學(xué)和黃河上中游管理局等單位以黃土高原淤地壩系工程安全高效運(yùn)行為核心，系統(tǒng)分析了淤地壩系的固溝減蝕與調(diào)峰消能作用，解析了流域壩系的級聯(lián)模式及其相互作用關(guān)系，闡明了不同級聯(lián)方式淤地壩蓄水?dāng)r沙作用，確定了影響淤地壩系安全的主要因素，揭示了淤地壩系工程風(fēng)險孕育機(jī)理，研發(fā)了提高小流域淤地壩防洪能力的壩系布局與壩級配置模式，建立了淤地壩系工程運(yùn)行風(fēng)險評價方法，構(gòu)建了壩系安全運(yùn)行的管理技術(shù)體系。成果在黃土高原7個?。▍^(qū)）的淤地壩系工程建設(shè)和運(yùn)行管理中得到大量應(yīng)用。2018年，獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎。
2.5 黃河沙漠寬谷河道水沙變化驅(qū)動機(jī)理及調(diào)控技術(shù)
依托國家“973”課題和省部級科技計劃資助，揭示了黃河上游沙漠寬谷段水沙變化時空分異規(guī)律，提出了河道-灌區(qū)水循環(huán)雙過程耦合模擬技術(shù)，評估了灌區(qū)引水對河道水沙關(guān)系變化的驅(qū)動作用。揭示了水庫調(diào)節(jié)水沙關(guān)系的機(jī)理。發(fā)現(xiàn)了水庫調(diào)控下洪水過程的動力平衡閾值關(guān)系，定量闡明了龍劉水庫對水沙關(guān)系的調(diào)控機(jī)制及其作用，提出了優(yōu)化水沙關(guān)系的水庫調(diào)控、流域治理的技術(shù)方案。2017年，成果獲黃河水利委員會科技進(jìn)步獎一等獎。
3. 黃河流域水土保持科研成效
（1）構(gòu)建了黃河流域多尺度土壤流失模型系統(tǒng)。黃土高原土壤侵蝕模擬系統(tǒng)V1.0版本由國家“地球系統(tǒng)科學(xué)共享網(wǎng)”發(fā)布供社會共享。2011年水利部作為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目開始實(shí)施，在陜西省延安市和榆林市等地舉辦了推廣應(yīng)用培訓(xùn)班5期，共培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)和管理人員200人。侵蝕預(yù)報模型已經(jīng)在陜西、山西、河南等省流域治理規(guī)劃、生態(tài)工程可行性研究與設(shè)計等生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，為不同時期治黃決策提供了重要基礎(chǔ)支撐。
（2）推動了黃河中游粗泥沙攔沙工程立項(xiàng)工作。粗泥沙集中來源區(qū)及水沙變化研究成果已列入國務(wù)院批復(fù)的《黃河流域綜合規(guī)劃》，并被國家發(fā)改委、水利部、農(nóng)業(yè)部、國家林業(yè)局4部委聯(lián)合發(fā)布的《黃土高原地區(qū)綜合治理規(guī)劃大綱》采用，國家發(fā)改委批復(fù)了黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程一期項(xiàng)目建議書。
（3）支撐了上游重大水利工程建設(shè)。黃河沙漠寬谷河道水沙變化驅(qū)動機(jī)理及調(diào)控技術(shù)成果已應(yīng)用于十大孔兌等水土保持規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)實(shí)踐、黃河黑山峽工程論證等治黃實(shí)踐與重大科研工作中。黃河寧蒙河段干流水沙輸移與灌區(qū)水循環(huán)雙過程耦合數(shù)學(xué)模型在《全國灌溉試驗(yàn)站網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》、寧夏引黃灌區(qū)和內(nèi)蒙河套灌區(qū)的引黃水資源的配置和科學(xué)管理中得到應(yīng)用。
（4）研發(fā)了生態(tài)脆弱區(qū)抗蝕促生關(guān)鍵技術(shù)。黃河流域砒砂巖區(qū)辨識與抗蝕促生關(guān)鍵技術(shù)研究成果已在砒砂巖區(qū)淤地壩工程建設(shè)、鄂爾多斯水土保持科技示范園區(qū)建設(shè)、黃河等我國重點(diǎn)江河堤防邊坡水土流失防治、庫布齊荒漠化治理等工程中成功應(yīng)用，輻射內(nèi)蒙古、甘肅、河南等多省區(qū)。砒砂巖抗蝕促生關(guān)鍵技術(shù)的突破奠定了我國荒漠化治理的國際領(lǐng)先地位。
面對新時代我國水土保持生態(tài)建設(shè)的新目標(biāo)、新任務(wù)，黃河水土保持科研將以國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略需求為牽引，以水利部提出的新時期水土保持工作要求為遵循，聚焦黃土高原水土流失治理與黃河治理開發(fā)等國家重大需求的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性科學(xué)問題，提升科研新水平，為黃土高原生態(tài)安全做出重要貢獻(xiàn)。
（黃河水利科學(xué)研究院水土保持研究所 供稿）
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