建设模型黄土高原 维持黄河健康生命
来源： 水土保持生态环境建设网 上传日期:2018-07-23 打印本文章 【字体】 大 中 小本站讯 今年，黄委将"模型黄土高原"的建设作为"三条黄河"建设的重要内容，列入议事日程。项目的各项工作已逐步开展，建设思路已逐渐明确。
一、模型黄土高原建设的目标与任务
（一）模型黄土高原的涵义
"模型黄土高原"是为研究黄土高原水土流失规律、水土保持治理模式和治理效益，借助实体模拟理论和技术、测控技术和信息技术而构建的高科技试验研究模型体系。
模型黄土高原通过原型小流域观测，实体小流域模型和室内比尺模型，全面、系统地反映黄土高原各自然因素及其相互间的关系，检验各种治理措施的水土保持效果，为"数字黄土高原"工程建设提供物理参数，为各项水土保持建设和运行提供强有力的技术支撑，为黄土高原治理开发的重大决策提供科学依据。
"模型黄土高原"建设不但是实现"维持黄河健康生命"终极目标的需要，也是强化水土保持基础研究的需要。对于全面提升黄河水土保持生态建设的科技水平，加快黄土高原水土流失治理步伐，加速黄河治理开发与管理的现代化进程，实现"三条黄河"建设具有重要意义。
（二）模型黄土高原建设的目标
根据《"模型黄河"工程规划》，"模型黄土高原"建设总的目标是：在黄土高原地区选择不同类型区，构建野外和室内物理模型，开发数学模型；探索水土流失规律；提出水土保持治理模式，研究水土保持效益。同时使模型成为治黄减沙的科研基地，成为国家研究土壤侵蚀与水土保持的开放性实验室和国家级的水土保持高科技示范园。
按照以上目标，需要开展以下三个方面的研究：
第一水土流失规律方面
研究黄土高原不同水土流失类型区的水土流失规律和水土保持重大理论问题。近期重点研究水土流失最为严重、对黄河淤积影响最大的多沙粗沙区，主要包括丘1、丘3和高塬沟壑区的沟道、坡面侵蚀规律、产汇流规律及产输沙机理等。
第二水土保持治理模式方面
探索黄土高原各个不同水土流失类型区科学、合理、高效的水土保持措施配置、综合治理模式，研究水土保持关键、实用技术问题。近期重点在淤地坝坝系建设、生态修复、示范区和生态园建设模式研究及植被措施建设技术研究等方面开展工作，以期尽快取得较大突破。
第三水土保持三大效益方面
探索全面、系统、科学的水土保持效益监测评价指标体系和方法，研究水土保持的生态、经济和社会三大效益的定量分析和评价。
（三）模型黄土高原建设内容
根据模型黄土高原建设的总体目标，模型黄土高原建设主要由野外试验模型和室内模型组成。具体包括三方面建设内容：野外原型小流域观测（简称"原型观测"）、野外实体小流域模型（简称"实体模型"）、室内比尺模型（简称"比尺模型"）。
1、原型观测
原型观测是在黄土高原不同类型区选择有代表性的小流域，布设水文、气象和水土保持观测设施，采集天然降雨条件下的水土流失和水土保持相关数据而建立的野外物理模型。
原型观测是以小流域为单元，对不同类型区、不同流域、不同地形地貌的观测（监测）。其主要特点是天然降雨（自然因素）加天然（原始）地形地貌。
原型观测解决的主要问题是探索不同水土流失区的水土流失规律，对水土保持效益进行定量分析。
原型观测实现的目标是通过对不同水土流失类型区典型区域的长系列观测，建立起不同水土流失类型区的数学模型。
原型观测的优点是全面、准确，能够较好地反映实际情况。但由于工作涉及的范围广、类型区多，积累观测资料需要的时间长，出成果慢，需要的人力也相对较多。
2、实体模型
实体模型是在黄土高原不同类型区选择有代表性的小流域，布设水文、水土保持观测设施，通过人工降雨试验，采集水土流失和水土保持相关数据而建立的野外物理模型。该模型的面积拟选择0.1-1km2左右。
实体模型由按照一定的要求和地形条件建造的人工模拟降雨系统和天然的、原型的下垫面组成。
实体模型主要是解决原型观测受天然降雨等自然条件制约的问题，以在较短的时间内，通过人工降雨，摸清典型区域的水土流失、侵蚀规律，进行水土保持机理、理论的研究，确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标体系等。
实体模型所实现的目标是建立起不同水土流失类型区典型区域的实地模型及野外水土保持基础研究和效益监测评价平台。
实体模型的优点是能够在较短的时间内探索水土流失规律，解决水土保持措施配置、工程布局等问题，取得的成果较准确、具有较高的推广价值。但模拟的自然条件需进一步论证和研究，建设实体模型的工程量较大。
3、比尺模型
比尺模型就是室内（实验室）物理模型，也就是将野外某一典型小流域或区域，按照一定比例缩小，建成物理模型放到实验室。其特点是人工模拟降雨（人工模拟降雨系统）再加上人工模拟的地形地貌（人工地形模型）。
比尺模型解决的问题主要是通过模型对其原型所反映的自然现象进行反演、预测、模拟和试验，从而揭示其原型的水土流失规律，研究水土保持的理论问题。
比尺模型所实现的目标是建立起一定数量、反映不同水土流失类型的典型物理模型（包括人工模拟的降雨系统和下垫面等）及室内水土保持基础研究基地。
比尺模型的优点是建模快，研究过程周期短、直观，对典型流域（区域）的研究较全面、系统，且能够对其演变过程进行反演和预测。缺点是和实际自然状况相差大，准确性较差，且投资较大。
原型观测、实体模型和比尺模型构成"模型黄土高原"的有机整体，三者功能不同，相互联系，相互印证，相互补充。同时，将结合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）构建区域数学模型。
（四）模型黄土高原建设的技术路线
黄土高原面积达64万平方公里，千沟万壑，包括13个水土流失类型区，水土流失类型复杂多样，涉及多种气候和植被类型，经济社会条件各地差异巨大。错综复杂的自然条件很难准确、全面地模拟。不可能将其作为一个整体建立模型，进行研究。为了探索黄土高原的水土流失规律，研究水土保持治理模式和效益，首先必须在不同类型区选择典型，建立模型，研究水土流失和水土保持的机理，然后通过扩大试验区，采集相关数据，将模型外延，进而建立黄土高原模型群（体系）。
模型黄土高原建设的技术路线是：通过建立野外不同空间尺度的天然降雨原型小流域观测、建立野外人工降雨实体小流域模型和室内人工降雨比尺模型，结合遥感技术和地理信息系统，采用实体模拟理论和技术、测控技术和信息技术，把水土流失和水土保持重大的理论与技术问题体现在相关物理模型上，通过对物理模型的试验（复演、模拟、试验）与观测，研究解决这些问题的理论和方法。
在土壤侵蚀规律的研究上，首先进行小区内部侵蚀过程的观测与研究，以揭示侵蚀机理，为小流域侵蚀研究打基础；其次结合地理信息系统和数学工具，研究小流域的侵蚀机理；第三，通过扩大试验区，结合遥感技术，在黄土高原各类型区采集数据，构建区域侵蚀预报模型。
在水土保持治理模式和治理效益的研究上，主要采取对原型小流域的观测、监测，分析不同治理措施的功能，研究不同措施组合的效益，提出各类型区适宜的治理模式。
由于小流域土壤侵蚀机理和过程十分复杂，为了保证模型建设和试验研究的顺利实施，实体模型建设将按照"先简单，后复杂；先单因子，后多因子；先线性，后非线性；从小到大，循序渐进"的技术路线逐步实施。具体做法是：将实体模型分解成标准径流小区、全坡面小区、微集水区、小流域四步进行建设。先进行小区单因子试验研究，再进行全坡面试验，然后进行微集水区（微流域）多因子试验，最后进行小流域多因子、非线性试验研究。
对于小流域人工降雨装置，初步考虑有三种备选方案：一是地面铺设式。即将目前采用的下喷式人工降雨装置在距离地面10m的高度内铺设。相当于现有装置的机械扩展。该方案优点是装置在技术上较成熟，不需要再进行率定；缺点是小流域地面高低不平，架设存在一定难度，同时装置对地面干扰较大，影响试验观测。二是高空悬挂式。在小流域两侧的山梁上架设钢索，将降雨喷头悬挂其上。该装置的最小高度要满足两侧山梁顶部的降雨要求。该方案的优点是将现有装置机械高移，可以直接建设，装置对地面没有干扰，缺点是架设难度较大，且高空水分蒸发损失较大，需要重新率定。三是高空喷射式。在两侧山梁上架设不同口径、不同压力的高压喷头，相对均匀喷洒，实现降雨要求。该方案的优点是架设相对简单，但装置没有先例，需要从头研制，且高空喷洒水分蒸发量大。
在模型黄土高原建设中，野外大尺度人工降雨装置和技术与室内比尺模型的模拟理论和技术是模型黄土高原建设的难点，同时也是创新点。
二、模型黄土高原建设的工作基础
水土流失作为一项世界性的问题，一直受到世界各国的重视，长期以来，在水土流失的基础理论方面开展了大量的研究，在应用实践方面进行了卓有成效的推广，在相关技术方面取得了有益的发展，这些都为开展模型黄土高原建设提供了有利条件。
（一）在水土流失的基础理论方面，土壤侵蚀模型研究是水土保持的一项基础工作。近一个世纪以来，各国学者在土壤侵蚀模型研究方面做了大量卓有成效的工作，通过试验、观测、研究，建立了许多形形色色的模型。
国外在模拟理论和模型建设方面取得了较多成果。1965年美国学者在对东部地区30个州、10000多个径流小区、近30年的观测资料进行系统分析的基础上，提出了著名的通用土壤流失方程。1997年美国提出著名的WEPP物理成因模型。
国内对水土流失规律研究和模型建设探索也开展了大量的工作。我国最早的坡面经验模型是1953年提出来的。20世纪60年代以后，清华大学、中科院水利部水土保持研究所、山西水保所等单位进行了侵蚀模型的有益探索，建立了坡面侵蚀、流域产沙与影响因子之间的经验统计模型。
黄委在坡面产流及侵蚀产沙机理研究、水土保持治理措施蓄水减蚀拦泥效益观测、不同地貌部位、形态对产流产沙的影响等三个方面做了大量工作，通过这些研究，初步阐明了小流域径流泥沙来源，探索研究了小流域产流产沙预报模型，取得了一大批有较高理论水平和实用价值的科研成果，获省部级以上科技成果奖50多项，树立了一批闻名全国的水土保持治理典型，其中黄委的绥德、西峰、天水三个水土保持科学试验站曾被誉为我国水土保持的"三个支柱站"，为模型黄土高原建设奠定了基础。
（二）在应用实践方面，进行了卓有成效的推广。
美国的通用土壤流失方程已经在世界上的许多国家推广应用。
我国根据水土流失研究成果，开展了卓有成效的水土保持治理。其中，根据小流域水沙来源，有针对性地实施了以小流域为单元的山水田林路综合治理；在黄河中游地区针对多沙粗沙区开展了国家重点治理项目、黄河水保生态工程和淤地坝建设等一大批治理项目。上个世纪80年代，西峰水保站研制了计算机控制的野外大型人工降雨装置，开展了研究土壤侵蚀的人工降雨试验，建立了国内最大、最先进的人工降雨试验场。经过多年的试验，取得了不少资料与成果，并为甘肃省解决中部干旱地区人畜饮水提供了可行的研究成果。近年来黄委又开展了水土保持遥感监测项目，利用"3S"技术对水土流失状况和水土保持成效进行观测，已经在黄河中游的国家能源重化工开发区的监测中取得了积极的成果。这些项目一方面取得了显著的治理效益，验证了水土流失研究的成果，同时又对水土保持科学研究提出了新的课题。
（三）在相关技术和设备方面，国内外科技进步带动了相关技术的发展。研制开发了不同类型的自动化人工降雨装置、小流域和径流小区水文泥沙传感器、数据自动化采集与传输装置和软件，以及适用于水土保持监测的遥感技术和地理信息系统，进而促进了水土保持科研的发展。
综上所述，借鉴国内外已有的研究成果，依托黄委科研机构，我们已初步具备了建设模型黄土高原的理论基础和实践条件。
三、模型黄土高原近期开展的工作
根据《"模型黄河"工程规划》，开展了模型黄土高原的前期准备工作和部分建设工程。
在研究区域上，模型黄土高原将重点研究水土流失严重、对黄河下游泥沙淤积、防洪安全影响较大的黄土丘陵沟壑一副区、三副区和高塬沟壑区，并依托技术力量和试验设施条件较好的绥德、天水、西峰三个水土保持科学试验站，进行"模型黄土高原"野外工程建设。其中，位于西峰水保站的南小河沟试验场是模型黄土高原建设的近期重点。
（一）开展了实体模型建设前期准备工作
完成了近期重点建设场地选择。将模型黄土高原实体模型建设的近期重点放在西峰水保站的南小河沟实验场。在该实验场建设实体模型有许多有利条件：有显著的区域代表性，试验场所在地为黄土高原水土流失严重的高塬沟壑区；该试验场已经有半个多世纪的试验研究历史，开展了大量的水土保持试验研究，取得了显著的研究成果，获得的观测资料和研究成果为黄土高原治理提供了依据，在这里建设实体模型，能够实现三个研究目标。同时该试验场有大面积的国有试验地；有能够满足模型黄土高原试验研究的充足水资源，以及能够保证模型黄土高原顺利实施的道路、电力、通讯、房屋等基础设施和有足够的具有开展人工降雨试验经验的技术力量。
进行了试验区比选与布设。经过多次对南小河沟流域踏勘，初步确定了实体模型野外试验区，并进行了规划设计，确定了标准径流小区布设点、支毛沟试验点以及小流域试验点，该样区代表性较强，可以建立水土保持措施机理研究试验区、坡面侵蚀规律研究试验区、沟道侵蚀规律研究试验区。为了观测全坡度的单因子侵蚀变化，建立侵蚀模型，为小流域侵蚀试验研究提供基础，经过论证分析和规划设计，建设了50-350坡度的坡面标准径流小区16个和相关辅助设施的建设。
建立了单项人工模拟降雨系统。目前已经完成了一个标准小区的野外固定式人工模拟降雨系统的研制及安装，完成了该装置的计算机控制的自动化系统的安装调试，进行了降雨装置的率定。
该模拟降雨系统模拟试验面积为100m2； 可以进行连续的雨强变化，实现降雨过程模拟；模拟降雨均匀性≥85％，并具有较高的稳定性；生成模拟降雨的雨强范围为30.0mm～240.0mm/h；模拟降雨装置的降雨雨滴特性与天然降雨雨滴特性具有较高相似性；降雨系统可全自动控制，且具有较好的系统扩展性，为今后的大面积人工降雨试验打下了基础。同时该装置与黄委水科院室内比尺模型采用的人工降雨装置相同，便于今后试验数据的比较分析。
（二）实施了原型观测
初步完善了西峰南小河沟，绥德韭园沟、辛店沟和天水罗玉沟、桥子东沟、桥子西沟原型观测设施；在南小河沟重新修建了董庄沟小流域径流测站，完善了杨家沟和十八亩台测站。培训了原型观测技术人员。正在建设自动化数据采集与传输系统。开展了径流观测数据的整编工作，要求将2004年底前的数据全部整编。
初步形成了不同空间尺度的原型观测体系：<1km2的桥子东沟、桥子西沟，1-10km2的杨家沟、董庄沟、辛店沟，10-100km2的罗玉沟、南小河沟、韭园沟，>100km2的砚瓦川。
（三）开展了比尺模型建设的前期试验研究
比尺模型目前已经开展了三方面的工作。一是初步开展了模型相似性条件和模拟技术的研究，正分别进行野外人工降雨试验和室内人工降雨试验的比照试验分析，通过试验取得对比观测数据。同时在理论上对比尺模型的相似律及模拟方法展开探讨。二是开展了大面积人工降雨系统的研制，已经提出了设计方案。该系统建成后将实现降雨真实过程的自动控制。三是正在开展比尺模型试验大厅及相关测控体系等基础设施建设的前期工作。
经过近两年的工作，模型黄土高原重点工程已初现雏形，初步形成了面积大、内容多、代表性强的水土保持综合试验场。通过观测试验，各项系统运行正常，坚定了我们进一步开展模型黄土高原建设的信心和决心。
（四）下一步要开展的工作
按照《"模型黄河"工程规划》和正在编制的《模型黄土高原建设可行性研究报告》，下一步工作的主要目标是：完成基本建设立项和科研立项工作，使模型黄土高原建设纳入正式基建和科研实施计划；完成物理模型建设；突破试验装置和传感器研制瓶颈，完成数学模型建设。
由于模型黄土高原建设工作难度大，挑战性强，为能使项目建设顺利进行，达到预期目的，采取"三步走"的战略，边建设，边试验。
第一步，探索试验阶段：用2年左右的时间，完成"模型黄土高原"建设论证和规划设计工作，确定合理的试验研究技术路线，完成模型黄土高原野外物理模型群建设和相关设备、仪器的研制与安装，完成部分比尺模型建设项目，开展前期研究工作。
1、初步建成模型黄土高原的野外物理模型群，包括：大型人工降雨径流小区试验场和杨家沟、董庄沟、辛店沟、南小河沟、韭园沟、罗玉沟、砚瓦川等不同空间尺度的原型观测流域。
2、研制野外大型人工降雨装置和传感器。计划将7个不同坡度的14个小区，总面积约1400m2全部安装降雨装置。同时，研制径流泥沙传感器，使之能够实时测量坡面微小水流的状态。要求传感器测量范围宽，能测量高含沙水流；有较高的测量精度；微型化、自动化、可靠性高。与人工降雨装置相配套，建设人工降雨中心控制室。
3、完成部分比尺模型建设项目。建成比尺模型厅，安装室内大型人工降雨装置和测控系统，建设土壤侵蚀土槽，研究室内试验规律与原型观测资料分析结果的相关关系，进一步探讨有关相似律及模拟技术。
第二步，全面实施阶段：用3年左右的时间，全面完成物理模型建设，进一步完善提高原型观测的数据采集和传输的自动化程度。完成实体模型的标准径流小区试验，开展全坡面小区的多因子试验研究。完成比尺模型的辅助研究。同时开展全面的试验，结合遥感技术和地理信息系统，初步完成侵蚀规律数学模型的建模研究。
第三步，正常试验阶段：用5年左右的时间，在已经建成的物理模型上全面开展水土流失规律及效益试验研究；进一步扩大试验研究范围，在黄土高原不同地区布设试验点，采集有关数据，建成黄土高原地区土壤侵蚀模型群。
四、急需探索的关键技术问题
虽然已经有了一定的工作基础，但要实现模型黄土高原建设的目标，仍然存在很大的难度。
一是自然条件模拟难。黄河流域黄土高原面积达64万平方公里，涉及多种气候和植被类型，包括13个水土流失类型区。黄土高原千沟万壑，水土流失类型复杂多样，气候、降雨、植被等条件千差万别，影响试验结果与实际情况的相似性和相关性，这是模型黄土高原建设的最大难题。
二是建模模拟技术难。"模型黄土高原"不仅具有三维空间属性，而且还有时间属性。由于影响建模的因素很多，没有已成的经验可借鉴，基础资料缺乏、技术设备落后、没有成套的大型人工降雨装置和相应的传感器，对黄土高原室内比尺模型模拟理论和技术的系统研究不足等，都对"模型黄土高原"的建设构成严重制约。
三是资金难。模型黄土高原需要大量的资金支撑。其中，实体模型建设中的人工降雨装置和室内比尺模型是需要资金量最多的部分。同时，模型黄土高原的试验研究也需要大量的运行经费。
必须借助现代化的技术手段，采取正确的技术路线，解决存在的技术难题；依靠国家的支持解决资金问题，确保"模型黄土高原"建设目标的实现。
当前急需探索的关键技术问题有：
1、小流域人工降雨装置的设计问题。对于径流小区，可以采用一般的人工降雨装置，但是模拟大范围的人工降雨应当采用什么类型的装置，目前国内外均没有先例。
2、下垫面的选择与布设问题。为了建立客观性较强，相关性较高的数学模型，需要探索和解决模型小流域下垫面代表性和相似性问题。
3、径流泥沙传感器的研制问题。模型黄土高原需要传感器能够实时测量坡面微小水流的状态；测量范围宽，并能测量高含沙水流；具有较高的测量精度；微型化、自动化、可靠性高。然而适合水土保持（微小水流）观测，特别是对径流小区观测的水文传感器定型产品较少。对于测量径流小区内部的坡面流的传感器基本没有定型产品，许多是研究单位结合试验自己研制的非标准化、非商品化的仪器。因此需要加快解决这一问题，以使研究工作顺利开展。
4、比尺模型的模拟理论与技术问题。把野外一个具体的小流域缩小，建设在室内，存在许多物理量的比尺问题，有的难以解决，需要开展大量的理论和技术前期研究。
模型黄土高原建设是一项前无古人的事业，同时也是一项极具挑战性的任务。模型黄土高原建设对于21世纪黄河治理具有重要意义。黄河上中游管理局有信心，有决心完成模型黄土高原工程建设任务，为"维持黄河健康生命"而努力奋斗。（黄河上中游管理局）
在水土保持治理模式和治理效益的研究上，主要采取对原型小流域的观测、监测，分析不同治理措施的功能，研究不同措施组合的效益，提出各类型区适宜的治理模式。
由于小流域土壤侵蚀机理和过程十分复杂，为了保证模型建设和试验研究的顺利实施，实体模型建设将按照"先简单，后复杂；先单因子，后多因子；先线性，后非线性；从小到大，循序渐进"的技术路线逐步实施。具体做法是：将实体模型分解成标准径流小区、全坡面小区、微集水区、小流域四步进行建设。先进行小区单因子试验研究，再进行全坡面试验，然后进行微集水区（微流域）多因子试验，最后进行小流域多因子、非线性试验研究。
对于小流域人工降雨装置，初步考虑有三种备选方案：一是地面铺设式。即将目前采用的下喷式人工降雨装置在距离地面10m的高度内铺设。相当于现有装置的机械扩展。该方案优点是装置在技术上较成熟，不需要再进行率定；缺点是小流域地面高低不平，架设存在一定难度，同时装置对地面干扰较大，影响试验观测。二是高空悬挂式。在小流域两侧的山梁上架设钢索，将降雨喷头悬挂其上。该装置的最小高度要满足两侧山梁顶部的降雨要求。该方案的优点是将现有装置机械高移，可以直接建设，装置对地面没有干扰，缺点是架设难度较大，且高空水分蒸发损失较大，需要重新率定。三是高空喷射式。在两侧山梁上架设不同口径、不同压力的高压喷头，相对均匀喷洒，实现降雨要求。该方案的优点是架设相对简单，但装置没有先例，需要从头研制，且高空喷洒水分蒸发量大。
在模型黄土高原建设中，野外大尺度人工降雨装置和技术与室内比尺模型的模拟理论和技术是模型黄土高原建设的难点，同时也是创新点。
二、模型黄土高原建设的工作基础
水土流失作为一项世界性的问题，一直受到世界各国的重视，长期以来，在水土流失的基础理论方面开展了大量的研究，在应用实践方面进行了卓有成效的推广，在相关技术方面取得了有益的发展，这些都为开展模型黄土高原建设提供了有利条件。
（一）在水土流失的基础理论方面，土壤侵蚀模型研究是水土保持的一项基础工作。近一个世纪以来，各国学者在土壤侵蚀模型研究方面做了大量卓有成效的工作，通过试验、观测、研究，建立了许多形形色色的模型。
国外在模拟理论和模型建设方面取得了较多成果。1965年美国学者在对东部地区30个州、10000多个径流小区、近30年的观测资料进行系统分析的基础上，提出了著名的通用土壤流失方程。1997年美国提出著名的WEPP物理成因模型。
国内对水土流失规律研究和模型建设探索也开展了大量的工作。我国最早的坡面经验模型是1953年提出来的。20世纪60年代以后，清华大学、中科院水利部水土保持研究所、山西水保所等单位进行了侵蚀模型的有益探索，建立了坡面侵蚀、流域产沙与影响因子之间的经验统计模型。
黄委在坡面产流及侵蚀产沙机理研究、水土保持治理措施蓄水减蚀拦泥效益观测、不同地貌部位、形态对产流产沙的影响等三个方面做了大量工作，通过这些研究，初步阐明了小流域径流泥沙来源，探索研究了小流域产流产沙预报模型，取得了一大批有较高理论水平和实用价值的科研成果，获省部级以上科技成果奖50多项，树立了一批闻名全国的水土保持治理典型，其中黄委的绥德、西峰、天水三个水土保持科学试验站曾被誉为我国水土保持的"三个支柱站"，为模型黄土高原建设奠定了基础。
（二）在应用实践方面，进行了卓有成效的推广。
美国的通用土壤流失方程已经在世界上的许多国家推广应用。
我国根据水土流失研究成果，开展了卓有成效的水土保持治理。其中，根据小流域水沙来源，有针对性地实施了以小流域为单元的山水田林路综合治理；在黄河中游地区针对多沙粗沙区开展了国家重点治理项目、黄河水保生态工程和淤地坝建设等一大批治理项目。上个世纪80年代，西峰水保站研制了计算机控制的野外大型人工降雨装置，开展了研究土壤侵蚀的人工降雨试验，建立了国内最大、最先进的人工降雨试验场。经过多年的试验，取得了不少资料与成果，并为甘肃省解决中部干旱地区人畜饮水提供了可行的研究成果。近年来黄委又开展了水土保持遥感监测项目，利用"3S"技术对水土流失状况和水土保持成效进行观测，已经在黄河中游的国家能源重化工开发区的监测中取得了积极的成果。这些项目一方面取得了显著的治理效益，验证了水土流失研究的成果，同时又对水土保持科学研究提出了新的课题。
（三）在相关技术和设备方面，国内外科技进步带动了相关技术的发展。研制开发了不同类型的自动化人工降雨装置、小流域和径流小区水文泥沙传感器、数据自动化采集与传输装置和软件，以及适用于水土保持监测的遥感技术和地理信息系统，进而促进了水土保持科研的发展。
综上所述，借鉴国内外已有的研究成果，依托黄委科研机构，我们已初步具备了建设模型黄土高原的理论基础和实践条件。
三、模型黄土高原近期开展的工作
根据《"模型黄河"工程规划》，开展了模型黄土高原的前期准备工作和部分建设工程。
在研究区域上，模型黄土高原将重点研究水土流失严重、对黄河下游泥沙淤积、防洪安全影响较大的黄土丘陵沟壑一副区、三副区和高塬沟壑区，并依托技术力量和试验设施条件较好的绥德、天水、西峰三个水土保持科学试验站，进行"模型黄土高原"野外工程建设。其中，位于西峰水保站的南小河沟试验场是模型黄土高原建设的近期重点。
（一）开展了实体模型建设前期准备工作
完成了近期重点建设场地选择。将模型黄土高原实体模型建设的近期重点放在西峰水保站的南小河沟实验场。在该实验场建设实体模型有许多有利条件：有显著的区域代表性，试验场所在地为黄土高原水土流失严重的高塬沟壑区；该试验场已经有半个多世纪的试验研究历史，开展了大量的水土保持试验研究，取得了显著的研究成果，获得的观测资料和研究成果为黄土高原治理提供了依据，在这里建设实体模型，能够实现三个研究目标。同时该试验场有大面积的国有试验地；有能够满足模型黄土高原试验研究的充足水资源，以及能够保证模型黄土高原顺利实施的道路、电力、通讯、房屋等基础设施和有足够的具有开展人工降雨试验经验的技术力量。
进行了试验区比选与布设。经过多次对南小河沟流域踏勘，初步确定了实体模型野外试验区，并进行了规划设计，确定了标准径流小区布设点、支毛沟试验点以及小流域试验点，该样区代表性较强，可以建立水土保持措施机理研究试验区、坡面侵蚀规律研究试验区、沟道侵蚀规律研究试验区。为了观测全坡度的单因子侵蚀变化，建立侵蚀模型，为小流域侵蚀试验研究提供基础，经过论证分析和规划设计，建设了50-350坡度的坡面标准径流小区16个和相关辅助设施的建设。
建立了单项人工模拟降雨系统。目前已经完成了一个标准小区的野外固定式人工模拟降雨系统的研制及安装，完成了该装置的计算机控制的自动化系统的安装调试，进行了降雨装置的率定。
该模拟降雨系统模拟试验面积为100m2； 可以进行连续的雨强变化，实现降雨过程模拟；模拟降雨均匀性≥85％，并具有较高的稳定性；生成模拟降雨的雨强范围为30.0mm～240.0mm/h；模拟降雨装置的降雨雨滴特性与天然降雨雨滴特性具有较高相似性；降雨系统可全自动控制，且具有较好的系统扩展性，为今后的大面积人工降雨试验打下了基础。同时该装置与黄委水科院室内比尺模型采用的人工降雨装置相同，便于今后试验数据的比较分析。
（二）实施了原型观测
初步完善了西峰南小河沟，绥德韭园沟、辛店沟和天水罗玉沟、桥子东沟、桥子西沟原型观测设施；在南小河沟重新修建了董庄沟小流域径流测站，完善了杨家沟和十八亩台测站。培训了原型观测技术人员。正在建设自动化数据采集与传输系统。开展了径流观测数据的整编工作，要求将2004年底前的数据全部整编。
初步形成了不同空间尺度的原型观测体系：<1km2的桥子东沟、桥子西沟，1-10km2的杨家沟、董庄沟、辛店沟，10-100km2的罗玉沟、南小河沟、韭园沟，>100km2的砚瓦川。
（三）开展了比尺模型建设的前期试验研究
比尺模型目前已经开展了三方面的工作。一是初步开展了模型相似性条件和模拟技术的研究，正分别进行野外人工降雨试验和室内人工降雨试验的比照试验分析，通过试验取得对比观测数据。同时在理论上对比尺模型的相似律及模拟方法展开探讨。二是开展了大面积人工降雨系统的研制，已经提出了设计方案。该系统建成后将实现降雨真实过程的自动控制。三是正在开展比尺模型试验大厅及相关测控体系等基础设施建设的前期工作。
经过近两年的工作，模型黄土高原重点工程已初现雏形，初步形成了面积大、内容多、代表性强的水土保持综合试验场。通过观测试验，各项系统运行正常，坚定了我们进一步开展模型黄土高原建设的信心和决心。
（四）下一步要开展的工作
按照《"模型黄河"工程规划》和正在编制的《模型黄土高原建设可行性研究报告》，下一步工作的主要目标是：完成基本建设立项和科研立项工作，使模型黄土高原建设纳入正式基建和科研实施计划；完成物理模型建设；突破试验装置和传感器研制瓶颈，完成数学模型建设。
由于模型黄土高原建设工作难度大，挑战性强，为能使项目建设顺利进行，达到预期目的，采取"三步走"的战略，边建设，边试验。
第一步，探索试验阶段：用2年左右的时间，完成"模型黄土高原"建设论证和规划设计工作，确定合理的试验研究技术路线，完成模型黄土高原野外物理模型群建设和相关设备、仪器的研制与安装，完成部分比尺模型建设项目，开展前期研究工作。
1、初步建成模型黄土高原的野外物理模型群，包括：大型人工降雨径流小区试验场和杨家沟、董庄沟、辛店沟、南小河沟、韭园沟、罗玉沟、砚瓦川等不同空间尺度的原型观测流域。
2、研制野外大型人工降雨装置和传感器。计划将7个不同坡度的14个小区，总面积约1400m2全部安装降雨装置。同时，研制径流泥沙传感器，使之能够实时测量坡面微小水流的状态。要求传感器测量范围宽，能测量高含沙水流；有较高的测量精度；微型化、自动化、可靠性高。与人工降雨装置相配套，建设人工降雨中心控制室。
3、完成部分比尺模型建设项目。建成比尺模型厅，安装室内大型人工降雨装置和测控系统，建设土壤侵蚀土槽，研究室内试验规律与原型观测资料分析结果的相关关系，进一步探讨有关相似律及模拟技术。
第二步，全面实施阶段：用3年左右的时间，全面完成物理模型建设，进一步完善提高原型观测的数据采集和传输的自动化程度。完成实体模型的标准径流小区试验，开展全坡面小区的多因子试验研究。完成比尺模型的辅助研究。同时开展全面的试验，结合遥感技术和地理信息系统，初步完成侵蚀规律数学模型的建模研究。
第三步，正常试验阶段：用5年左右的时间，在已经建成的物理模型上全面开展水土流失规律及效益试验研究；进一步扩大试验研究范围，在黄土高原不同地区布设试验点，采集有关数据，建成黄土高原地区土壤侵蚀模型群。
四、急需探索的关键技术问题
虽然已经有了一定的工作基础，但要实现模型黄土高原建设的目标，仍然存在很大的难度。
一是自然条件模拟难。黄河流域黄土高原面积达64万平方公里，涉及多种气候和植被类型，包括13个水土流失类型区。黄土高原千沟万壑，水土流失类型复杂多样，气候、降雨、植被等条件千差万别，影响试验结果与实际情况的相似性和相关性，这是模型黄土高原建设的最大难题。
二是建模模拟技术难。"模型黄土高原"不仅具有三维空间属性，而且还有时间属性。由于影响建模的因素很多，没有已成的经验可借鉴，基础资料缺乏、技术设备落后、没有成套的大型人工降雨装置和相应的传感器，对黄土高原室内比尺模型模拟理论和技术的系统研究不足等，都对"模型黄土高原"的建设构成严重制约。
三是资金难。模型黄土高原需要大量的资金支撑。其中，实体模型建设中的人工降雨装置和室内比尺模型是需要资金量最多的部分。同时，模型黄土高原的试验研究也需要大量的运行经费。
必须借助现代化的技术手段，采取正确的技术路线，解决存在的技术难题；依靠国家的支持解决资金问题，确保"模型黄土高原"建设目标的实现。
当前急需探索的关键技术问题有：
1、小流域人工降雨装置的设计问题。对于径流小区，可以采用一般的人工降雨装置，但是模拟大范围的人工降雨应当采用什么类型的装置，目前国内外均没有先例。
2、下垫面的选择与布设问题。为了建立客观性较强，相关性较高的数学模型，需要探索和解决模型小流域下垫面代表性和相似性问题。
3、径流泥沙传感器的研制问题。模型黄土高原需要传感器能够实时测量坡面微小水流的状态；测量范围宽，并能测量高含沙水流；具有较高的测量精度；微型化、自动化、可靠性高。然而适合水土保持（微小水流）观测，特别是对径流小区观测的水文传感器定型产品较少。对于测量径流小区内部的坡面流的传感器基本没有定型产品，许多是研究单位结合试验自己研制的非标准化、非商品化的仪器。因此需要加快解决这一问题，以使研究工作顺利开展。
4、比尺模型的模拟理论与技术问题。把野外一个具体的小流域缩小，建设在室内，存在许多物理量的比尺问题，有的难以解决，需要开展大量的理论和技术前期研究。
模型黄土高原建设是一项前无古人的事业，同时也是一项极具挑战性的任务。模型黄土高原建设对于21世纪黄河治理具有重要意义。黄河上中游管理局有信心，有决心完成模型黄土高原工程建设任务，为"维持黄河健康生命"而努力奋斗。（黄河上中游管理局）
欢迎关注水土保持生态建设微信公众号