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、侵蝕強度最大的地區(qū)，黃土高原地區(qū)嚴重的水土流失導致生態(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)展和伴生災害發(fā)生，嚴重制約了黃河生態(tài)安全保護屏障和生態(tài)建設的發(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，成因復雜，治理難度非常大。新中國成立以來，我國不斷加強黃河流域水土保持科學試驗和研究工作，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)提供了技術支撐。
1 黃河流域水土保持科研進展
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試驗站的創(chuàng)建為標志，我國開始了黃土高原水土流失規(guī)律的試驗觀測工作，之后相繼建立了黃河水利委員會綏德、西峰水土保持科學試驗站，以及離石、安塞、長武、嵩縣等多個水土保持野外試驗站，采用標準小區(qū)試驗的方法，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制、侵蝕過程對植被空間布局的響應、坡面－溝道耦合系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙關系、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等方面開展了系統(tǒng)研究，促進了我國侵蝕動力學研究的發(fā)展。
20世紀60年代研究者根據(jù)實測徑流量－產(chǎn)沙量關系推算了南小河溝、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80年代以來，一些學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70年代，研究者在坡面侵蝕和溝道侵蝕產(chǎn)沙研究的基礎上，得出了黃河中游地區(qū)中小流域泥沙輸移比接近1的結論，為建立流域尺度水土流失機理模型奠定了基礎。
（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理和壩系建設在解決黃河泥沙問題中的作用。
（3）土壤侵蝕預測預報技術
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年代引進了美國通用土壤流失方程并加以改進， 80 年代開始對輸沙過程進行預報，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)學模型研究與應用”、“多尺度空間流域模型耦合技術與應用研究”等項目研究，建立了可推廣應用的小流域尺度侵蝕產(chǎn)沙機理模型、次降雨洪水泥沙作業(yè)預報模型、中尺度流域和區(qū)域尺度年土壤侵蝕預測模型等異構異類模型，已在流域水土保持綜合治理規(guī)劃、水保措施效應評價中得到應用。
（4）水土保持減水減沙效益分析
20 世紀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80年代開始，黃河水利科學研究院及有關單位依托黃河流域水?？蒲谢痦椖?、水利部黃河水沙變化研究基金項目、國家自然科學基金重大項目“黃河流域環(huán)境演變與水沙運行規(guī)律研究”、“八五”國家科技攻關項目“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”國家科技支撐項目“黃河水沙調(diào)控技術研究及應用”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模型的特點和適用條件進行了分析評價，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依據(jù)。
1.2 水土流失治理技術研究
（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，由單一效益轉(zhuǎn)為生態(tài)、社會和經(jīng)濟綜合效。20世紀80年代，科研人員總結出了以小流域為單元的綜合治理模式，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準》提出了黃土高原丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、風沙區(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，實現(xiàn)了治理措施的空間、類型配置的定量化。
（2）單項治理技術
20世紀50年代，科研人員開展了水土保持工程措施、植物措施、耕作措施等專項措施研究，包括水墜法筑壩、定向爆破筑壩、機修梯田、飛播造林種草等，1957年，黃河水利科學研究院與綏德水土保持科學試驗站合作，利用水力充填筑壩技術，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技術進步獎二等獎。1992年，黃委有關專家開展了砒砂巖地區(qū)沙棘植物柔性壩試驗研究，建立了植物攔沙的理論架構。
20世紀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，取得了一定的成果；80年代～90年代中后期，坡耕地改造進入低潮期，發(fā)展幾乎停滯；90年代以來，梯田建設重新步入較快發(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
依托“十二五”國家科技支撐計劃項目“黃河中游砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術集成與示范”，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，構建了砒砂巖區(qū)抗蝕促生措施立體配置技術與模式，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域基礎原理創(chuàng)新和關鍵技術突破。
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
20世紀40年代初期，黃土高原水土流失徑流小區(qū)試驗研究始于天水的大柳樹溝梁家坪試驗基地。20世紀50年代，徑流小區(qū)試驗研究由天水擴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)具有代表性的試驗研究布局。中國科學院和一些省、地所屬水土保持試驗站所也先后開展了小區(qū)試驗研究。20世紀70年代，科研人員開始側(cè)重人工模擬降雨試驗，以彌補自然降雨周期長、資料少之不足。20世紀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)國家重點實驗室”“水利部水土保持生態(tài)工程技術研究中心”，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實驗室”獲水利部認定批復，實驗室成立以來，建成了世界上規(guī)模最大的人工模擬降雨試驗大廳，在野外建成了天水大型人工模擬降雨試驗基地、十大孔兌生態(tài)水文觀測基地、鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)復合侵蝕準格爾旗觀測站等一批野外觀測站網(wǎng)，對于促進基礎觀測數(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)復合侵蝕準格爾旗觀測站
天水大型人工模擬降雨試驗基地
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用研究
黃科院聯(lián)合國內(nèi)相關高校從20世紀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)和應用研究，揭示了黃土高原土壤陡坡環(huán)境下的侵蝕機理和規(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)權的復雜侵蝕環(huán)境下的柵格型分布式土壤流失模型，實現(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，實現(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并優(yōu)化水土保持工程設計方案。2010年，成果獲河南省科學技術進步獎一等獎。
2.2粗泥沙集中來源區(qū)界定與水沙變化
通過科技部、水利部和治黃專項等科技項目資助，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)識別技術與界定指標體系，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)流機制自適應模擬技術，形成了評估氣候變化及人類活動綜合影響下水沙響應趨勢的技術體系，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率。2014年，成果獲大禹水利科學技術獎一等獎。
2.3 黃河流域砒砂巖區(qū)辨識與抗蝕促生關鍵技術及應用
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。針對這一世紀難題，黃科院聯(lián)合相關高校和科研單位，在國家十二五科技支撐計劃和省部級多項科技計劃項目資助下，歷經(jīng)5萬余公里行程的多元數(shù)據(jù)采集、數(shù)百組次機理試驗和多維信息分析與評價技術集成，精準界定了砒砂巖分布區(qū)，研發(fā)了砒砂巖改性技術，研發(fā)出了砒砂巖改性筑壩材料，實現(xiàn)了阻控砒砂巖結構遇水潰散與破壞的目標，實現(xiàn)了阻控侵蝕與恢復植被的功能一體化，減少侵蝕量90%以上。2018年，成果獲河南省科學技術進步獎一等獎。
2.4黃土高原淤地壩系溝蝕阻控機理與安全運行關鍵技術
西安理工大學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系，闡明了不同級聯(lián)方式淤地壩蓄水攔沙作用，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險孕育機理，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行風險評價方法，構建了壩系安全運行的管理技術體系。成果在黃土高原7個?。▍^(qū)）的淤地壩系工程建設和運行管理中得到大量應用。2018年，獲陜西省科學技術一等獎。
2.5 黃河沙漠寬谷河道水沙變化驅(qū)動機理及調(diào)控技術
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，評估了灌區(qū)引水對河道水沙關系變化的驅(qū)動作用。揭示了水庫調(diào)節(jié)水沙關系的機理。發(fā)現(xiàn)了水庫調(diào)控下洪水過程的動力平衡閾值關系，定量闡明了龍劉水庫對水沙關系的調(diào)控機制及其作用，提出了優(yōu)化水沙關系的水庫調(diào)控、流域治理的技術方案。2017年，成果獲黃河水利委員會科技進步獎一等獎。
3. 黃河流域水土保持科研成效
（1）構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)科學共享網(wǎng)”發(fā)布供社會共享。2011年水利部作為重點推廣項目開始實施，在陜西省延安市和榆林市等地舉辦了推廣應用培訓班5期，共培訓相關技術和管理人員200人。侵蝕預報模型已經(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計等生產(chǎn)實踐中得到廣泛應用，為不同時期治黃決策提供了重要基礎支撐。
（2）推動了黃河中游粗泥沙攔沙工程立項工作。粗泥沙集中來源區(qū)及水沙變化研究成果已列入國務院批復的《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)改委批復了黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程一期項目建議書。
（3）支撐了上游重大水利工程建設。黃河沙漠寬谷河道水沙變化驅(qū)動機理及調(diào)控技術成果已應用于十大孔兌等水土保持規(guī)劃和生態(tài)建設實踐、黃河黑山峽工程論證等治黃實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)學模型在《全國灌溉試驗站網(wǎng)建設規(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管理中得到應用。
（4）研發(fā)了生態(tài)脆弱區(qū)抗蝕促生關鍵技術。黃河流域砒砂巖區(qū)辨識與抗蝕促生關鍵技術研究成果已在砒砂巖區(qū)淤地壩工程建設、鄂爾多斯水土保持科技示范園區(qū)建設、黃河等我國重點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用，輻射內(nèi)蒙古、甘肅、河南等多省區(qū)。砒砂巖抗蝕促生關鍵技術的突破奠定了我國荒漠化治理的國際領先地位。
面對新時代我國水土保持生態(tài)建設的新目標、新任務，黃河水土保持科研將以國家生態(tài)文明建設戰(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性、關鍵性科學問題，提升科研新水平，為黃土高原生態(tài)安全做出重要貢獻。
（黃河水利科學研究院水土保持研究所 供稿）
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