黃土高原水資源調控及生態保護研究評述

吳 釗,李戈亮,孫怡萍

(西安市水利規劃勘測設計院,西安 710054)

0 前 言

黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略指出黃河中游的問題是水土流失與污染治理。新中國成立70多年來，黃土高原水土保持工作依次經歷了因害設防階段(1949—1980年)、綜合治理階段(1980一2000年)和生態修復階段(2000年以后)，取得了顯著的成效[1]。近年來，黃土高原大部分為植被所覆蓋，生態環境明顯向好，輸入黃河的泥沙銳減，泥沙含量一般低于10 kg/m3,接近史前黃河泥沙含量，河道萎縮態勢初步遏制，水土保持工作在泥沙攔截方面成效突出，遏制了地上懸河發展，確保了黃河下游安全。

黃土高原水資源調控機理研究及生態環境保護是支撐蓄水保土目標實現的核心，是實現黃河流域生態保護與高質量發展國家戰略的必要舉措。眾多學者在此方面進行了大量研究，并取得了豐富的成果和認識。目前，黃土高原水土保持成果顯著，區內植被凈初級生產力已經接近該區水資源承載力閾值，進一步擴大該區植被建設面積將不可避免地加劇水資源短缺、不平衡分配、水文環境效應等問題。水資源調控和生態保護面臨著新的挑戰。

因此，在新時期黃土高原水資源的形成、轉化和利用的研究中，考慮保證河流生態需水的前提下，留住降水、攔截洪水、用好地下水，做好降水-地表水-地下水等水資源優化配置，是支撐黃土高原生態系統修復和保護的關鍵。為此，本文綜述了黃土高原水資源利用、調控與生態保護的最新進展，分析了存在的問題，進而提出了下一步應加強極端環境下黃土高原坡面徑流優化調控、土壤有效水分及基流量的調控、以水資源荷載和生態健康為約束的生態系統自適應調控研究，加深對黃土高原水資源調控和生態系統恢復與保護的認識，為黃土高原生態環境保護與高質量發展提供服務。

1 黃土高原水資源形成與調控機制研究進展

1.1 黃土高原水資源形成機制

在氣候變化、植被蒸騰作用、水土保持措施共同驅動下，黃土高原植被蒸散耗水量增加顯著，加劇了區域水資源供需矛盾，榆林地區降雨量和實測徑流量的線性相關關系已嚴重惡化，降雨徑流關系異常[2]。在新形勢下降雨徑流關系異常復雜，不能用常態化的平衡關系去衡量，需要建立黃土高原降雨徑流新型關系機制。

黃土高原降雨徑流過程形成機理較為復雜，目前，經常用到的方法主要有：解析法，數理統計、水文模型法、水文地球化學方法、智能化方法。也有一部分專家采用室內降雨試驗[3]、同位素技術[4]對黃土高原丘陵溝壑區不同水體間轉化特征進行研究。黃新會[5]構建了基于天然變雨強降雨條件及侵蝕形態的黃土地區坡面水文模型。傳統的解析法和數理統計方法，主要是依據降雨雨徑流資料，建立經驗統計模型，忽視了下墊面的條件。傳統的水文模型大多屬集總式的水文模型，不能很好反映水文要素在空間上的變化，分布式水文模型在理論上的深化與應用上的廣闊前景，顯示了其優越性[6]。例如SWAT[7-8]，VIC[9]，SHE，MIKE-SHE，TOPMODEL模型等，能充分反映降雨和下墊面時空尺度變化對徑流的影響，部分已用于黃土高原的小流域[10]。

1.2 黃土高原坡面降雨-徑流-土壤有效水分調節技術

黃土高原生態文明建設和高質量發展的關鍵在于水的調控。科學的降雨、徑流和土壤水調控體系改變坡面徑流過程，延長產流時間，削弱徑流量及其流速，減輕水土流失，同時又可以對降水在時空上進行人工調節，使寶貴的降水資源得到充分和有效的利用，是新時期黃土高原高質量發展的一項重點支撐工作。

(1) 在降雨徑流調控機理方面，大多數專家從水循環與水平衡過程、水文聯通性、生態水文過程來進行調控。通過研究流域和地壩系的水分富集和輸移通道的水文連通特征，減少地表徑流，存貯大量水資源進行調控[11]。另外，陽輝[12]等人從林草地水文生態效應角度，探討山地生態水文過程、降水資源調控技術措施和山地生態水文過程與降水資源調控的相關關系。為充分利用水資源，應對黃土高原水土流失和干旱缺水問題，引入分布式水文模擬技術，建立了分布式雨水資源化潛力評估模型，評估雨水資源化潛力，提高了雨水資源化利用率，保障生態經濟協同可持續發展[13]。

(2) 在土壤水調節機理研究方面，土壤水作為陸地水循環和水量平衡的一個重要組成部分，在土壤-植被-大氣連續體物質和能量轉化中起著重要的作用，成為陸面過程研究匯總的重要參量[14]。黃土高原的土壤水庫經常處于有庫無水的狀態，延遲產流時間與提高土壤水分入滲是水資源調控的重要技術手段。王健系統分析了土壤水庫的補給、消耗和動態特征，借助線形擾動理論，對土壤水庫進行了動態模擬和探索[15]。鄭飛龍等人從林冠層的截留能力、枯枝落葉層的截持能力和林地土壤的持水能力3個方面，對黃土高原地區水源涵養林截留和攔蓄降雨研究進行綜合分析，雖發現目前涵養林攔蓄降雨的定性研究較多，但定量研究不夠深入，土壤水分的量化指標不夠全面,動態平衡也需要繼續研究[16]。

1.3 黃土高原水資源高效利用技術

在黃土高原將本來就短缺的間歇性和離散型特征的降水、徑流轉變為具有相對持續供水能力的穩定系統，來彌補地區生產、生活供水不足，實現水資源高效利用顯得非常重要[11]。在黃土高原降雨徑流高效利用工程方面，經過諸多工程實踐，目前還是比較成熟。一般來說，水資源高效利用工程體系分為徑流截流分流工程、徑流聚集工程和徑流駐用工程。徑流截留分流工程主要包括：坡面截流分流工程、梯田截流分流工程、截流引流工程、溝道引流工程等，具體措施有植被措施，坡改梯工程。徑流聚集工程主要包括坡面徑流聚集工程、水土保持植物聚流分流和水土保持耕作聚流分流，具體措施有壩地、引洪漫地、造林整地工程、澇池、水窖等。徑流駐用工程：駐留池、水窖和溝道駐留工程。

1.4 水資源優化配置理論方法

資源優化配置是一個復雜的大系統多目標決策問題，由于近期水土保持等人類活動的影響，黃土高原水資源優化配置較為復雜，需考慮約束條件涉及到生態效益、經濟效益、水資源承載能力等一系列內容。目前，大多數水資源優化配置已經從單目標向復雜系統多目標優化轉變，水資源的綜合價值和不同行業間用水的公平開始被用于指導水資源調配[17-18]。王煜等人[19]基于社會福利學原理構建了統籌用水效率與公平的水資源均衡調控函數，通過水資源均衡調控函數引導水資源配置，綜合水資源經濟價值、社會價值和生態價值，建立了用水效率表征指標；統籌地區公平和行業協調，建立了用水公平表征指標。目前，缺水流域水資源配置理論和方法方面的研究已取得一定成果，對水資源大系統多目標配置、區域和行業公平性與效率的統籌等方面均取得了一定的成果。

2 存在的問題

2.1 缺少適合黃土高原地區科學合理的水文模型

水文模型模型相對復雜，由于其離散方法和基本假設不同，涉及降雨和下墊面數據資料參數較多，以往流域水文模型在模擬坡面水文過程時，要么采用集總性概念模型，要么將坡面作為均勻面來處理，均沒有考慮黃土高原溝谷侵蝕和水保措施的空間分布，不能反映水土保持水文效應的空間差異性，以致在建立水文模型中難以使用，這是制約發展黃土高原流域水文模型的一個重要問題。

2.2 變化環境下降雨-徑流-土壤水再分配機理尚不明確

以往研究主要集中在地表徑流攔蓄、疏導、存儲、調控和利用技術方面，黃土高原溝谷破碎、生態保持工程的實施等多種變化環境下降雨徑流運行規律、土壤有效水、雨洪水資源化潛力評價、降雨徑流調控及環境效應等相關應用基礎研究還相對薄弱，仍缺乏理論依據。

2.3 有效土壤水分的適宜承載力和調節機制研究較為薄弱

在降水量少、植物蒸騰量大、人為擾動劇烈等因素的長期共同作用下，黃土高原土壤水分負平衡現象發生頻繁，土壤干燥化日趨嚴重，嚴重影響植被生長狀況，土壤干層的發生過程和規律以及調控機制是以后的研究趨勢[20]。增加黃土高原土壤水庫庫容和適宜承載力，緩解嚴重缺水現狀，避免土壤干層的產生，為大規模植被建設提供有效水源，同步實現水土資源的安全高效利用。

2.4 水土保持措施的水文環境效應綜合評價不夠全面

在不明確變化環境水資源轉化機制、植被恢復蒸騰耗水機制前提下，因大面積植被建設，耗水量大于降水量，且地下水埋藏深，土壤水分循環處于負平衡所致的生態問題。眾多學者所建立的模型仍屬于沒有具體物理含義的模型，僅能對水土保持資源化環境效應作出簡單的優劣判斷，綜合性定量評價指標和評價方法較為缺乏，有待進一步深入探討。

2.5 水循環與生態系統的自然恢復和調蓄作用被忽視

黃土高原地區水土資源的調控技術側重于點尺度上的水土保持及水利工程等調控措施，如動力攔截技術、就地入滲技術、徑流蓄存技術以及集蓄灌溉技術等，大多數以點(淤地壩、集雨工程)、線(河道、渠系)連接為核心的傳統工程控水模式為主，忽視工程的次生災害環境影響；未能統籌考慮植被-土壤對減緩水問題的功能，忽視水循環和生態系統的自然恢復和調蓄作用。

3 研究趨勢

3.1 極端環境下黃土高原坡面徑流優化調控

(1) 黃土高原坡面生態水文過程模擬

以黃土高原水的保持為切入點，科學調控降水、徑流、溝道水，確保水資源安全高效利用、減少坡溝侵蝕、生態植被健康可持續生長，從而為實現黃土高原綠水青山以及金山銀山提供最基礎的水資源保障。借鑒分布式水文模型和3S技術，考慮下墊面空間變異性與非均勻性，通過空間分析、屬性提取與尺度轉換，構建不同立地情況(坡度、地貌類型：梁峁、坡面、溝谷；土地利用類型：耕地、林地、草地)典型極端暴雨情況下降雨-徑流分布式水文模型，揭示黃土高原典型流域產流、集流過程；揭示生態恢復水文演變過程，預測社會經濟發展和生態建設工程情景下水循環和水平衡動態趨勢，充分挖掘降雨地表徑流資源利用潛力，提高水資源的利用效率，為科學調控降雨徑流提供理論依據。

(2) 基于微地形和植被格局的雨洪水資源利用

黃土高原全年降水主要集中在夏、秋季節，往往以暴雨形式降落，地表徑流多以暴漲暴落的山坡洪水形式流失。因此，開展不同降雨強度和歷時情況下基于微地形和植被格局的洪水資源利用研究，提升流域"水彈性"，豐水期既可以削減洪峰，減少小流域的土壤流失和水災，又能夠加大攔蓄，減輕周邊和下游洪水威脅；枯水年份既可以基本維持小流域田糧果蔬等基本生產生活，又能夠為下游輸水，為大流域生態維護供水。

3.2 土壤有效水分及基流量的調控機理研究

(1) 土壤水庫的調蓄深度和利用強度提升技術

土壤干層造成土壤水庫調蓄能力降低，直接影響著林木發育，黃土高原的“小老頭樹”就是典型的土壤儲水量不足的典型寫照，研究不同生態建設措施下流域土壤水時空分布特征、時間穩定性特征，揭示不同生態建設措施對土壤水的消耗與補償作用，提高土壤水庫的調節深度和強度，合理的土壤儲水調蓄成為黃土高原生態文明建設和高質量發展的核心問題。劉丙霞研究檸條灌木和苜蓿草地土壤干層的形成發育過程及其動態變化規律[21]，為黃土高原灌草植被管理和土壤干層調控提供科學依據。在以后的研究工作中，對于土壤水庫的調蓄深度、利用強度的研究決定水土保持閾值以及生態建設成效的關鍵。

(2) 基于景觀斑塊布局的基流量調節

基流是干旱區最重要的枯季水文特征之一，在維持河川徑流和維護流域生態安全等方面具有重要意義。目前，基流與景觀格局之間相互作用關系深入研究相對較少。景觀斑塊格局破碎程度、復雜程度都會影響基流量。土地利用景觀格局與徑流量相關性不是很強，但與基流量和基流指數相關性顯著，景觀格局對基流具有很強的調控作用。在生態建設中，不僅要注重景觀類型的均一化程度，還要重視景觀格局對水文過程的響應，應尋求合理的景觀格局配置，進而提高流域的生態系統穩定性[22]。

3.3 以水資源荷載和生態健康為約束的黃土高原生態系統自適應調控

(1) 基于現有蓄水保土工程的生態系統自然恢復體系構建

遵循水循環自然規律，按植被生態系統自身規律演替，系統布置和建設人工林草，結合黃土高原已有蓄水保土工程，充分發揮現有的自然要素對水循環多過程的調節作用，實現坡面-河道、地表-土壤-地下、常態與極值過程間的協調多過程間，由工程控水為主向富自然調蓄水轉變自然調蓄，讓水和沙去其應該去的地方[23]。目前，水土保持工程設施要科學合理布局坡耕地、旱田、壟溝及微地貌特征，提高降水的有效性，充分依靠構建生態系統自然恢復，使人工林草的建設，充分遵循土地的適宜性、生物的多樣性和水資源的承載力，在改善生態的同時，防治防止過度生態建設。

(2) 以水資源荷載和生態健康為約束的水資源仿真模擬與調控

水資源短缺和生態環境脆弱是黃土高原面臨的亟待解決的關鍵科學問題，以水資源荷載平衡和生態系統健康為約束，以降雨徑流調控技術、水土保持措施進行方案組合，建立水資源仿真模擬模型，采用多目標模型以及智能計算技術，提出黃土高原水資源優化配置格局和配置方案，探索蓄水保土新的協調關系，提高水資源、生態環境系統與其他經濟社會要素的匹配性，促進區域水資源、生態環境以及社會經濟的協調發展。

3.4 黃土高原水土資源協同利用的智能化技術

為提高快速獲取和處理水資源、土地利用信息能力，需要發展空天地一體化探測觀測技術，提升創新水土資源利用的監測與信息化理論技術。以遙感影像監測、無人機監測、移動監測等手段為依據，天、空、地相互協調和補充，從不同尺度、不同角度實現水土資源動態監測，并結合大數據智能計算方法進行評估、預測和管理。

4 結 語

目前，黃土高原水土保持工作取得了有效的成果，但水資源調控機理研究及生態環境保護是支撐蓄水保土目標實現的關鍵，是實現黃河流域生態保護與高質量發展國家戰略的必要舉措。在黃土高原水資源調控及生態保護過程中，應進一步加強極端環境下黃土高原坡面徑流優化調控、土壤有效水分及基流量的調控機理、以水資源荷載和生態健康為約束的黃土高原生態系統自適應調控、黃土高原水土資源協同利用的智能化技術等領域的研究，為黃河流域生態保護與高質量發展提供基礎數據支撐和科學研判。