黄委三站在模型黄土高原建设中的作用与地位
来源： 水土保持生态环境建设网 上传日期:2018-07-24 打印本文章 【字体】 大 中 小 从20世纪40、50年代开始，绥德、天水、西峰三个水土保持科学试验站（简称”三站”）分别在黄土丘陵沟壑区（简称黄丘区）第一副区、第三副区、黄土高塬沟壑区选择典型小流域，布设因子观测小区，进行径流泥沙、水土流失规律、水土保持措施作用机理、措施优化配置及治理效益等方面的野外观测和研究工作，积累了丰富的第一手资料，取得了大量显赫的包括各种类型土壤侵蚀数学模型在内的科研成果。这些观测资料和研究成果，为指导黄土高原水土流失治理提供了理论根据。
一、三站水文气象观测设施建设
黄委在黄土丘陵沟壑区第一副区设立的绥德水土保持科学试验站从1954年开始在韭园沟设站，现有测流断面1个，雨量站14个，平均5.0km2/站，到2003年底已累计有46年的水文观测资料。
辛店沟流域内设立雨量站2处，林地径流小区5个，现累计有25年的水文观测资料，径流、泥沙测验项目齐全，是进一步进行水土流失治理研究和治理后侵蚀产沙演化研究的场地。
桥沟小流域沟口观测断面控制面积0.45km2，全流域布设径流观测站3个，有自记雨量站4个，按自然地貌布设大型径流场8个。设一、二号支沟流量站观测研究不同侵蚀形态水土流失规律。通过2个沟对比，结合大型径流场分析，研究其峁坡地、沟谷地径流泥沙来源，并结合沟口站分析沟道输移比，现累计有18年观测资料。
(2) 黄土丘陵沟壑区第三副区
黄委天水水土保持科学试验站设于黄土丘陵沟壑区第三副区。1943年以来，天水站先后在大柳树沟、吕二沟、罗玉沟、清水河以及桥子东沟、桥子西沟等不同类型区和不同尺度小流域进行了水土流失原型观测。目前运行的观测站网主要有吕二沟、罗玉沟、桥子东沟、桥子西沟4个观测基地。其中，罗玉沟小流域面积72.79km2，该观测站网主要进行小流域土壤侵蚀类型与特征研究、坡地径流小区的试验研究。1985年设站，沟口布设1个径流泥沙观测站,流域内布设24个雨量站,并在其左岸一级支沟的桥子东沟、桥子西沟两条支沟中按照“相似流域、平行对比”的指导思想进行治理与非治理对比及综合治理效益的观测试验研究，桥子东沟为治理沟，桥子西沟为非治理沟。通过长期观测，取得了不同地类、地形、土壤、耕作方式等较为系统的降水、径流、泥沙资料，其中坡面小区径流泥沙资料434个站年，小流域径流泥沙资料89个站年，雨量资料516个站年。
(3) 黄土高塬沟壑区
黄委西峰水土保持科学试验站是黄土高塬沟壑区的代表站。50多年来，西峰站在南小河沟流域(面积30.6km2)先后布设8个测站，进行径流泥沙观测，研究小流域水土流失规律。随着水保科研事业的发展，又在庆阳、平凉增设了17个测站，取得了220站年的资料。在南小河沟还先后布设了农地、林地、人工草地、天然荒坡、庄园和道路径流场76个。截止2006年，共积累各种水沙资料1812站（场）年。其中，降水量资料793站年，径流资料214站年，泥沙资料214站年，蒸发量资料94站年，径流场水沙资料230场年，径流场土壤含水率实测资料244场年，坝库水沙资料23库年。
二、三站水土流失观测成果
“三站”的野外试验观测成果包含降雨、径流、泥沙蒸发等（见表1）。
从“三站”的野外试验观测资料现状看， 1981年以前的历史资料均已整编刊印，1981年以后的历史资料已通过计算机整编保存。
综上所述，三站是黄河流域，乃至全国，水土流失观测规模最大，观测系列最长，观测数据积累最多的科研站所。
三站的观测设施和积累的观测资料对于建立水土流失数学模型奠定了良好的物质基础。
三、三站取得的模型建设成果
1、历史上取得的模型建设成果
黄委三站在20世纪90年代以前的年度科研计划中，每年都将“水土流失规律研究”作为水土保持试验研究的第一个项目。通过50多年的试验研究，取得了大量显赫的成果。
（1）开展了黄土高原泥沙来源的研究
自1954年开始，在黄土高原沟壑区的南小河沟流域（流域面积36.3 km2），选定治理的杨家沟（流域面积0.87 km2）和非治理的董庄沟（流域面积1.15 km2）作为对比，进行水土流失规律研究。近50年的研究成果表明：黄土高原沟壑区（其地貌类型分为塬、坡、沟三种）67.4%的径流来自塬面，86.3%的泥沙来自沟谷；塬水下沟和沟谷重力侵蚀是这一地区水土流失的主要特征；南小河沟流域沟谷地单位面积侵蚀量是沟间地的9.4倍，如果沟间地的径流和泥沙就地拦蓄，则沟谷地的侵蚀量比沟间地仅大1.26～1.49倍。南小河沟流域重力侵蚀面积占流域总面积的9.1%，重力侵蚀产沙量占流域总产沙量的57.5%。
在黄土高原沟壑区进行原面土壤侵蚀研究，建立土壤侵蚀的数学模型，单靠观测天然降雨造成的水土流失，周期太长，尤其是对稀有频率暴雨很难观测到，必须借助人工模拟降雨试验的方法，以快速获得相关资料。黄委会西峰水土保持科学试验站于1984年开始进行人工模拟降雨的设备研制工作，历时6年，经过上万次的试验，一种全国乃至世界上规模最大的人工模拟降雨装置试验成功，受到了国内外许多知名专家的赞赏。十几个国家的四十多名专家前来参观，国内参观访问者更是络绎不绝。在黄土高原沟壑区原面土壤侵蚀研究（历时9年）中，共布设各种因子小区40个。首先进行了南小河沟流域天然降雨特性分析、土壤入渗试验、土壤含水量～雨强～侵蚀量关系研究和土壤理化特性的研究；其次进行了植被、地形、土壤可蚀性、土壤含水量及允许流失量的研究。取得了一批相当有价值的阶段性研究成果。
西峰站从1990年开始和中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所合作，对南小河沟流域不同土地利用类型的137Cs含量进行了测定，计算了南小河沟梯田、刺槐林、草地的土壤侵蚀量：根据梯田和坡耕地各剖面137Cs总量的平均值和农耕地土壤侵蚀量计算公式，求得梯田和坡耕地的年均侵蚀模数分别为91.3t/km2和2664t/km2，梯田较坡耕地拦沙效益高出96.6%。
天水站在罗玉沟流域三种土壤侵蚀区内，分别对坡面、沟道及重力侵蚀方面进行了实地观测并计算出数万个泥沙数据，求得平沙年小流域推移质、悬移质的数量占全沙量25%；平沙年小流域年输沙量中，坡面、沟道和重力侵蚀所占比例分别为46%、42%、12%，流域中的坡面与沟道的泥沙量各占一半。坡面是洪水及细泥沙的主要来源区，沟道是推移质的集中产地。土壤流失主要是随洪水输移流失，常水流失甚少。成果鉴定专家认为：该成果为黄土高原综合开发治理方案提出了依据，提供了丘三区典型小流域土壤侵蚀特征研究数据，达到国内同类研究的先进水平，可在同类型区推广应用。
天水水保站李建牢等（1989）利用甘肃天水实验站资料，选取降雨、土壤可蚀性、坡度、坡长、土地利用5个因子，建立了因子值乘积形式的方程式，估算多年平均土壤流失量。其基本形式直接应用美国USLE，但进行了一些参数估算的调整。降雨因子采用降雨动能与最大30min雨强之乘积，土壤可蚀性因子则根据诺模图建立了与土壤抗分散性的指数关系式。根据地形状况修订了坡度坡长因子中的指数，给出4种不同土地利用的系数值。
绥德站在绥德县桥沟流域布设了全国第一个未治理流域的大型坡面径流场。通过观测分析，摸清了黄丘一副区不同地貌类型、不同土地类型的产水产沙规律及水保措施的减水减沙效益。分析总结出小流域暴雨特性、土壤侵蚀特征等定量定性结论，建立了产流产沙数学模型。主持完成了黄河中游河龙区间水土保持措施减水减沙作用分析、多沙粗沙区水沙变化原因分析及发展趋势预测和黄丘一副区水土流失规律及水土保持减水减沙效益试验研究等多项国家、部委课题，其中黄丘一副区水土流失规律及水土保持减水减沙效益试验研究和黄河中游河龙区间水土保持措施减水减沙作用分析研究成果分别获得水利部科技进步三等奖和陕西省科技进步二等奖。
（2）开展了水土保持措施蓄水减沙效益研究
西峰站对南小河沟流域淤地坝减轻沟蚀作用进行的观测研究结果表明：由于局部沟段坝地的固沟作用，使小流域的沟蚀量减轻了16.2%。研究发现，水土保持坡面治理措施实施后也有明显减轻沟蚀的作用。经对南小河沟流域内的杨家沟、董庄沟两条支沟对比观测，塬面水不下沟比水下沟减轻沟蚀30%～70%。
黄委会西峰水土保持科学试验站李倬高级工程师通过对南小河沟流域杨家沟沟谷林木的减沙机理和林木固沟减蚀作用的研究，发现因林地面积占流域面积的40%，且主要集中于沟谷，因而其减沙效益高达92.6%，而且在特大暴雨中同样能发挥显著而稳定的减沙作用；根据杨家沟和董庄沟各自的输沙率～流量关系对比分析，杨家沟林木固沟减蚀量占总减沙量的27%；1958～1965年因杨家沟减洪效益45.9%可以实现减沙效益63%。据此提出在黄土高原沟壑区小流域综合治理工作中，不必遵循自上而下的塬、坡、沟治理顺序，可以先治沟——以林木固沟为重点和先行，适地适树，密植速生林，快速减沙。
李倬关于黄土高原地区林木固沟减蚀作用研究的论文——《论林木的固沟减蚀作用》影响较大。曾刊于国家CN级核心学术期刊《泥沙研究》1993年第1期之首；1992年被编入国际水文科学协会论文集；先后被西班牙亚速尔大学、葡萄牙阿里肯特大学、智利南方大学、伊朗德黑兰大学等多次出版。
在森林对径流泥沙的影响研究方面，黄委会西峰水土保持科学试验站1956～1962年选定子午岭林区的合水川（流域面积836 km2，其中板桥水文站以上控制面积807 km2）和党家川（流域面积30km2），对子午岭林区森林植被的拦洪减沙效益进行了深入研究。结果表明：森林拦蓄暴雨径流平均达到70%，最高达90%；削减洪峰流量在60%以上，拦泥效益达99%～100%。无林流域（主要是人类破坏所致）与有林流域相比，其多年平均含沙量和测点最大含沙量前者是后者的440倍和34倍。
在水土保持对小流域地表径流的影响研究方面，黄委会西峰水土保持科学试验站和中国科学院、水利部水土保持研究所的联合研究结果是：根据南小河沟流域杨家沟和董庄沟多年的观测资料分析，水土保持措施能使黄土高原沟壑区的小流域产洪次数减少，地表径流模数和径流系数减小；使小流域地表径流模数的年际变率增大；在洪水产流过程中，水土保持措施使流域产流起始时间滞后，径流持续时间缩短，瞬时流量及洪峰流量降低以至消失。南小河沟流域塬面道路径流模数是天然荒坡的8～32倍。
（3）开展了水土保持治理措施配置研究
西峰站针对黄土高原沟壑区径流泥沙来源的自然规律，提出了“保塬固沟”的治理方针，并在实践中总结提出了 “三道防线”和“四个生态经济带”的综合治理模式，在黄土高原沟壑区得到了广泛推广应用。
“三道防线”综合治理模式即“塬面修建条田和沟头防护工程；沟坡整地造林，发展果园，种植牧草；沟道修建拦蓄工程，营造防冲林”；“四个生态经济带”即“塬面农业生态经济带，塬边林果生态经济带，沟坡草灌生态经济带，沟底水利生态经济带”。该治理模式在泾河流域推广后，取得了显著的蓄水保土效益。采取“三道防线”治理模式所建立的南小河沟流域综合治理典型，根据1955～1974年的观测资料对比分析，治理程度达58%，多年平均拦蓄径流效益55.6%，拦蓄泥沙效益97.2%，其中土坝和土谷坊等工程措施拦沙量占总拦沙量的82.3%；粮食产量提高了两倍，木材蓄积量达12400m3。流域内的杨家沟是以林草措施为主综合治理支毛沟的典型，林草覆盖率在80%以上，拦蓄径流效益57.9%，拦蓄泥沙效益81.3%。这一典型已在甘肃省庆阳地区140多条小流域和部分大、中流域中推广，面积达8400 km2。
(4)参与开展了黄河水沙研究
三站主持承担了“八五”国家重点科技攻关项目——“多沙粗沙区水沙变化原因分析及发展趋势预测”（85-926-03-01）、水利部第二期黄河水沙变化研究基金项目——“河龙区间水土保持措施减水减沙效益分析”以及“泾河、北洛河、渭河流域水土保持措施减水减沙作用分析”、黄河流域第一期水土保持科研基金第四攻关课题子题——“泾河流域水利水土保持减水减沙效益及水沙变化趋势预测研究”、黄委会黄河上中游管理局“八五”重点课题——“黄河中游河口镇至龙门区间水土保持措施减洪减沙效益研究”等重大科研项目的研究任务。研究涉及面积24.85万km2。以上项目先后荣获陕西省科技进步二等奖、水利部科技进步三等奖、黄委会科技进步一等奖、二等奖、黄委会黄河水利科学研究院科技进步一等奖及黄委会黄河上中游管理局科技进步一等奖；出版及合作出版专著3部；在国家CN级核心学术期刊及国际学术刊物上公开发表论文70余篇；参加国际、国内大型学术交流会25次，入选论文20余篇。其研究成果在黄河中游水沙变化研究和黄河中游水土保持生态工程建设规划中发挥了重要作用，具有很大影响。
渭河是黄河的最大支流，本项研究，首次对渭河水沙变化进行系统研究。采用水文法和水保法对流域的水沙变化分析结果表明，1970-1989年，与基准 （1954-1969年）比较，径流减少34%，泥沙减少38%，其中降水影响占16%、23%，人类活动影响占84%、77%。水利水保措施的减水减沙效益两法计算结果接近，反映出了70年代以来流域开发治理是河流水沙趋于明显减少的主要原因。该成果为治黄的宏观决策提供了科学依据，对今后黄土高原的治理具有指导价值，对发展当地生产，改善生态环境，减少自然灾害等方面都具有不可估量的直接和间接效益。该成果获得1995年甘肃省水利科技进步二等奖。
2、近期取得的模型建设进展
在6月下旬黄委验收通过的“十五”重大治黄科研专项课题中，一些课题对土壤侵蚀机理和水土流失规律进行了系统研究，并提出了主要影响因子的统计模型。
《高塬沟壑区典型小流域水土流失规律及水保治理效益分析研究》对近50年的观测资料进行了总结分析，开展了涉及降雨、植被、坡度、坡长等因子的模型研究。在继承前人研究的基础上，提出了水土流失与降雨、坡度、坡长的数学模型。该研究成果经黄委组织的专家评审，认为该成果的创新点之一是对高塬沟壑区水土流失原型观测内容和站网布局提出了建设性的建议，该成果对高塬沟壑区的水土流失测验与信息管理具有重要的指导作用。
《泥质沙岩地区水土流失现状及其治理途径调研》项目对位于黄河中游粗泥沙集中来源区的泥质沙岩地区基岩侵蚀的现状和成因进行了研究。经黄委组织的专家评审，认为该项目的创新点之一是比较系统地分析了泥质沙岩地区土壤侵蚀特征及产流产沙规律，该成果对指导泥质沙岩水土流失治理具有重要的参考价值。
《大理河流域水土保持生态工程建设的减沙作用研究》利用绥德站的观测资料，研究了坡面径流小区人工植被和梯田的减沙机理，采用统计分析的方法，建立线性与非线性数学模型，揭示了梯田和不同植物在不同覆盖度下的侵蚀状况。
四、结语
黄委三个水保站作为水土保持科研的国家队，开创了我国的水土保持科学研究的先河。三站具有我国规模最大的野外试验研究设施、历史最长的观测资料、人数最多的技术力量，在水土流失规律研究、水土保持效益分析、治理措施布局，以及黄河水沙研究等方面均取得了丰硕的成果。黄委三站在新世纪的模型黄土高原建设和水土流失数学模型研发中必然占有举足轻重的地位。依靠黄委三站开展模型黄土高原建设和水土流失数学模型研发必将能够多快好省地早出成果，达到事半功倍的效果，否则将耗费大量的人力、物力和财力，而且将大大延缓模型黄土高原建设和水土流失数学模型研发的完成时间。
黄河上中游管理局副总工 李敏
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