工作成效｜黄河流域水土保持科研进展及成效——水保科研为己任阔步征程谱新篇—

黄河是中华民族的“母亲河”，哺育着中华民族，孕育了灿烂的中华文明。然而，由于特殊的自然条件和频繁的人类活动，使得黄土高原成为世界上水土流失面积最广、侵蚀强度最大的地区，黄土高原地区严重的水土流失导致生态环境脆弱，生态系统退化，直接影响了黄河的安澜，加剧了荒漠化发展和伴生灾害发生，严重制约了黄河生态安全保护屏障和生态建设的发展。黄土高原地区特殊的自然环境决定了其水土流失类型多样，成因复杂，治理难度非常大。新中国成立以来，我国不断加强黄河流域水土保持科学试验和研究工作，取得了丰硕的成果，为黄土高原水土流失治理和黄河流域综合治理开发提供了技术支撑。

以1942年天水水土保持科学试验站的创建为标志，我国开始了黄土高原水土流失规律的试验观测工作，之后相继建立了黄河水利委员会绥德、西峰水土保持科学试验站，以及离石、安塞、长武、嵩县等多个水土保持野外试验站，采用标准小区试验的方法，研究土壤侵蚀与降雨、坡度、坡长、耕作方式等因素的定量关系，确定坡地退耕的临界坡度，探讨坡耕地侵蚀方式及其侵蚀产沙过程，在黄土坡面径流水力特性及侵蚀动力机制、侵蚀过程对植被空间布局的响应、坡面－沟道耦合系统侵蚀产沙关系、河道系统演化过程对水土保持治理措施配置模式的响应等方面开展了系统研究，促进了我国侵蚀动力学研究的发展。

20世纪60年代研究者根据实测径流量－产沙量关系推算了南小河沟、韭园沟、吕二沟、王家沟流域中重力侵蚀产沙量占流域总产沙量的比例。20世纪80年代以来，一些学者们分析了重力侵蚀对高含沙水流形成的作用，揭示了重力侵蚀对流域产沙的重要作用。20世纪70年代，研究者在坡面侵蚀和沟道侵蚀产沙研究的基础上，得出了黄河中游地区中小流域泥沙输移比接近1的结论，为建立流域尺度水土流失机理模型奠定了基础。

坝系相对稳定的概念最初是受天然聚湫的启发而提出的。20世纪80年代，提出了“在一定频率洪水条件下保证坝系的安全，在保收频率洪水下坝地高产稳产，泥沙基本不出沟，充分合理利用水沙资源，维修工程量小”的坝系相对稳定的内涵和原理。2000年以来，进一步明确了坝系相对稳定的概念和条件，探讨了淤地坝的拦泥减蚀机理和坝系建设在解决黄河泥沙问题中的作用。

黄土高原地区流域侵蚀产沙模型研究是从新中国成立以后开始的。20世纪50年代到60年代建立的主要是坡面侵蚀产沙模型，70年代引进了美国通用土壤流失方程并加以改进， 80 年代开始对输沙过程进行预报，同时侵蚀产沙物理模型也得到了快速发展。2000年以来，水利部公益性行业专项相继资助开展“黄土高原多沙粗沙区产水产沙数学模型研究与应用”、“多尺度空间流域模型耦合技术与应用研究”等项目研究，建立了可推广应用的小流域尺度侵蚀产沙机理模型、次降雨洪水泥沙作业预报模型、中尺度流域和区域尺度年土壤侵蚀预测模型等异构异类模型，已在流域水土保持综合治理规划、水保措施效应评价中得到应用。

20 世纪40年代，随着黄土高原主要类型区径流小区和小流域径流泥沙观测站的陆续建立，开始了对水土保持措施拦沙效益的观测研究。特别是从20世纪80年代开始，黄河水利科学研究院及有关单位依托黄河流域水保科研基金项目、水利部黄河水沙变化研究基金项目、国家自然科学基金重大项目“黄河流域环境演变与水沙运行规律研究”、“八五”国家科技攻关项目“黄河中游多沙粗沙区治理研究”、“十一五”国家科技支撑计划课题“黄河流域水沙变化情势评价研究”和“十二五”国家科技支撑项目“黄河水沙调控技术研究及应用”等，编著出版了《水土保持减水减沙效益计算方法》，对各计算方法及其相关模型的特点和适用条件进行了分析评价，定量分析了自然因素和人类活动的作用，为治理黄河的宏观决策提供了科学依据。

新中国成立以来，黄土高原地区的水土流失治理在实践中不断创新，治理模式逐渐由单一治理转为工程、生物和耕作措施相结合，由分散治理转为集中连片规模治理、突出沟道坝系建设，由单一效益转为生态、社会和经济综合效。20世纪80年代，科研人员总结出了以小流域为单元的综合治理模式，并且在黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、黄土阶地区、土石山区和风沙区等不同类型区采取不同的治理模式。2016年，水利部委托黄科院编制的《黄土高原水土流失治理标准》提出了黄土高原丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、风沙区和砒砂岩区的综合治理模式及其措施优化配置方法，实现了治理措施的空间、类型配置的定量化。

20世纪50年代，科研人员开展了水土保持工程措施、植物措施、耕作措施等专项措施研究，包括水坠法筑坝、定向爆破筑坝、机修梯田、飞播造林种草等，1957年，黄河水利科学研究院与绥德水土保持科学试验站合作，利用水力充填筑坝技术，在陕西省绥德县韭园沟用水力充填黄土修筑一座4 m高的试验土坝，开启了水坠坝示范推广的序幕。1985年，水坠法筑坝的研究和推广获国家科学技术进步奖二等奖。1992年，黄委有关专家开展了砒砂岩地区沙棘植物柔性坝试验研究，建立了植物拦沙的理论架构。

20世纪60年代，黄河流域群众开始自发的组织坡耕地改梯田建设，取得了一定的成果；80年代～90年代中后期，坡耕地改造进入低潮期，发展几乎停滞；90年代以来，梯田建设重新步入较快发展的轨道，为干旱地区探索出了一条治理与开发相结合、人与自然和谐相处的可持续发展道路。

依托“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术集成与示范”，针对黄河中游砒砂岩区水土流失问题，研发了砒砂岩抗蚀促生材料和砒砂岩改性筑坝技术，构建了砒砂岩区抗蚀促生措施立体配置技术与模式，探索了黄河中游砒砂岩区水土流失的综合治理新途径区，建成了2万m2 坡面沟道二元立体配置固结促生示范工程和1 座库容3.26万m3的淤地坝改性示范工程，取得了砒砂岩区黄土高原水土保持领域基础原理创新和关键技术突破。

20世纪40年代初期，黄土高原水土流失径流小区试验研究始于天水的大柳树沟梁家坪试验基地。20世纪50年代，径流小区试验研究由天水扩展到以甘肃西峰南小河沟为代表的黄土高塬沟壑区和以陕西绥德韭园沟为代表的黄土丘陵沟壑区第一副区，形成了黄河中游主要土壤侵蚀类型区具有代表性的试验研究布局。中国科学院和一些省、地所属水土保持试验站所也先后开展了小区试验研究。20世纪70年代，科研人员开始侧重人工模拟降雨试验，以弥补自然降雨周期长、资料少之不足。20世纪90年代以来，中科院、水利部先后建立了“黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室”“水利部水土保持生态工程技术研究中心”，为黄土高原水土流失治理研究工作打造了良好的科研平台。

2011年，“水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室”获水利部认定批复，实验室成立以来，建成了世界上规模最大的人工模拟降雨试验大厅，在野外建成了天水大型人工模拟降雨试验基地、十大孔兑生态水文观测基地、鄂尔多斯高原砒砂岩区复合侵蚀准格尔旗观测站等一批野外观测站网，对于促进基础观测数据的积累起到了重要的助推作用。

黄科院联合国内相关高校从20世纪90年代后期开始，开展了黄土高原土壤流失模型、支持系统和应用研究，揭示了黄土高原土壤陡坡环境下的侵蚀机理和规律，建立了沟道重力侵蚀、流域次洪水泥沙输移比模式。创建了具有自主知识产权的复杂侵蚀环境下的栅格型分布式土壤流失模型，实现了侵蚀产沙过程的参数化分析、空间解集与聚集、无资料地区土壤流失模拟的匹配。研发了GIS与土壤流失模型紧密耦合的国际前沿技术，实现了基于DEM的分布式土壤流失模型与GIS的紧密耦合，定量评估了人类活动作用下土壤侵蚀的响应并优化水土保持工程设计方案。2010年，成果获河南省科学技术进步奖一等奖。

通过科技部、水利部和治黄专项等科技项目资助，黄科院、黄委会水文局等单位集成创新提出了沉积旋回层物理探测、水文泥沙均衡分析、河床演变模拟反演的粗泥沙集中来源区识别技术与界定指标体系，界定了粗泥沙集中来源区1.88万km2，确定了黄土高原水土保持措施类型、质量与时空格局，创建了基于下垫面抗蚀力的人类活动对产沙影响的评价模型、蓄满产流与超渗产流相耦合的产流机制自适应模拟技术，形成了评估气候变化及人类活动综合影响下水沙响应趋势的技术体系，定量评估了粗泥沙集中来源区治理效果、人类活动与自然因素多因子对黄河水沙变化的贡献率。2014年，成果获大禹水利科学技术奖一等奖。

形成于2.5亿年前由砂岩、砂页岩、泥质砂岩组成的砒砂岩，无水坚如石、遇水烂如泥，林草难以生长，被国内外称之为“地球生态癌症”，对其治理极其困难。针对这一世纪难题，黄科院联合相关高校和科研单位，在国家十二五科技支撑计划和省部级多项科技计划项目资助下，历经5万余公里行程的多元数据采集、数百组次机理试验和多维信息分析与评价技术集成，精准界定了砒砂岩分布区，研发了砒砂岩改性技术，研发出了砒砂岩改性筑坝材料，实现了阻控砒砂岩结构遇水溃散与破坏的目标，实现了阻控侵蚀与恢复植被的功能一体化，减少侵蚀量90%以上。2018年，成果获河南省科学技术进步奖一等奖。

西安理工大学和黄河上中游管理局等单位以黄土高原淤地坝系工程安全高效运行为核心，系统分析了淤地坝系的固沟减蚀与调峰消能作用，解析了流域坝系的级联模式及其相互作用关系，阐明了不同级联方式淤地坝蓄水拦沙作用，确定了影响淤地坝系安全的主要因素，揭示了淤地坝系工程风险孕育机理，研发了提高小流域淤地坝防洪能力的坝系布局与坝级配置模式，建立了淤地坝系工程运行风险评价方法，构建了坝系安全运行的管理技术体系。成果在黄土高原7个省（区）的淤地坝系工程建设和运行管理中得到大量应用。2018年，获陕西省科学技术一等奖。

依托国家“973”课题和省部级科技计划资助，揭示了黄河上游沙漠宽谷段水沙变化时空分异规律，提出了河道-灌区水循环双过程耦合模拟技术，评估了灌区引水对河道水沙关系变化的驱动作用。揭示了水库调节水沙关系的机理。发现了水库调控下洪水过程的动力平衡阈值关系，定量阐明了龙刘水库对水沙关系的调控机制及其作用，提出了优化水沙关系的水库调控、流域治理的技术方案。2017年，成果获黄河水利委员会科技进步奖一等奖。

（1）构建了黄河流域多尺度土壤流失模型系统。黄土高原土壤侵蚀模拟系统V1.0版本由国家“地球系统科学共享网”发布供社会共享。2011年水利部作为重点推广项目开始实施，在陕西省延安市和榆林市等地举办了推广应用培训班5期，共培训相关技术和管理人员200人。侵蚀预报模型已经在陕西、山西、河南等省流域治理规划、生态工程可行性研究与设计等生产实践中得到广泛应用，为不同时期治黄决策提供了重要基础支撑。

（2）推动了黄河中游粗泥沙拦沙工程立项工作。粗泥沙集中来源区及水沙变化研究成果已列入国务院批复的《黄河流域综合规划》，并被国家发改委、水利部、农业部、国家林业局4部委联合发布的《黄土高原地区综合治理规划大纲》采用，国家发改委批复了黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程一期项目建议书。

（3）支撑了上游重大水利工程建设。黄河沙漠宽谷河道水沙变化驱动机理及调控技术成果已应用于十大孔兑等水土保持规划和生态建设实践、黄河黑山峡工程论证等治黄实践与重大科研工作中。黄河宁蒙河段干流水沙输移与灌区水循环双过程耦合数学模型在《全国灌溉试验站网建设规划》、宁夏引黄灌区和内蒙河套灌区的引黄水资源的配置和科学管理中得到应用。

（4）研发了生态脆弱区抗蚀促生关键技术。黄河流域砒砂岩区辨识与抗蚀促生关键技术研究成果已在砒砂岩区淤地坝工程建设、鄂尔多斯水土保持科技示范园区建设、黄河等我国重点江河堤防边坡水土流失防治、库布齐荒漠化治理等工程中成功应用，辐射内蒙古、甘肃、河南等多省区。砒砂岩抗蚀促生关键技术的突破奠定了我国荒漠化治理的国际领先地位。

面对新时代我国水土保持生态建设的新目标、新任务，黄河水土保持科研将以国家生态文明建设战略需求为牵引，以水利部提出的新时期水土保持工作要求为遵循，聚焦黄土高原水土流失治理与黄河治理开发等国家重大需求的基础性、关键性科学问题，提升科研新水平，为黄土高原生态安全做出重要贡献。