黄土高原水土流失预测评价模拟技术研究进展

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针对黄土高原水土流失灾害治理与预防存在的问题，姚文艺等人经过长期的攻关研究，近日取得了一些重要成果：摸清了黄土高原水土流失的发生过程和机理，建立了分布式土壤流失模型模拟系统。这一成果可用于评价水土保持治理减水减沙效益、评估土壤流失状况、优化水土流失治理方案、为水沙调控提供参数。

侵蚀产沙的“动力—植被”调控机制

侵蚀产沙是地表形态演化的一种过程，这种过程不仅取决于各种内外营力的作用关系，而且取决于下垫面被覆等边界条件的调控作用，或者说，是一种“动力—植被”调控的结果。研究发现，地表被覆对径流具有较强的干扰作用。例如，在降雨条件相同情况下，裸坡地的径流过程峰高且坡谷明显，被覆作用下的径流过程峰低且平缓。或者说，在一定的雨强范围内，被覆对洪水过程具有平波作用，但是，当降雨强度较大时，这种平波作用就会减弱。

径流是侵蚀发生发展的主要动力来源，坡面水流水动力学特性对侵蚀过程有很大影响。研究表明，断面比能与产沙量具有高度的关联性，裸地的侵蚀临界断面比能是草地和灌木地的70％和60％，就是说，裸地更易遭受侵蚀。

在坡沟系统侵蚀产沙过程中，到底是以坡面侵蚀产沙为主还是以沟坡侵蚀产沙为主，这是长期以来争论不休的问题。试验表明，即使在同一侵蚀类型区内，是以坡面为主还是以沟道为主并非定势，其决定因素主要为径流量及坡面草被覆盖度。例如，坡面径流量较小时，由坡面产沙为主向沟坡产沙为主的转折点是坡面草被覆盖度达到80%，小于此覆盖度时，则以坡面产沙为主；对大流量而言，发生这一转折的坡面草被覆盖度大约为50%至60%。说明大流量对沟坡侵蚀产沙的影响更大。

草被的调控作用与其空间配置模式有关。一般来说，就沟道产沙量与坡面产沙量之比而言，植被布设在坡下部时，其产沙比会略大于布设在坡上部和坡中部。这是因为草被布设在坡下部时，一是对坡面的拦沙量较大；二是对降低下沟径流含沙量的作用比其他布设部位更为显著，从而使沟道产沙量增大。

同时，坡沟系统产沙具有自调控关系，即坡面产沙量与沟道产沙量之间有一种内在的响应机制。在径流量一定条件下，沟道产沙量大小受制于坡面产沙量多少，而坡面产沙量除与坡面下垫面状况有关外，还受沟道侵蚀产沙的影响，因为沟道侵蚀发育状况决定了坡面的相对侵蚀基准面和汇水面积的大小。这一认识的理论意义在于揭示了坡沟系统侵蚀产沙的内在机制，为坡沟系统土壤流失模拟提供了边界控制条件。

就次降雨而言，流域泥沙输移比并不像以往人们认为的是一个常数，且其变化范围大。试验研究表明，由坡面至沟道的泥沙输移往往处于非平衡状态。流域系统泥沙输移比随降雨特性及洪水汇流过程中径流量和挟沙能力的大小而变化，泥沙在流域系统运移中经常处于滞留和滞留后又被重新侵蚀搬运的情况，致使泥沙输移比变化较大，不可能成为一个常数。影响次降雨泥沙输移比的因素主要包括降雨过程、径流过程、流域面积和水流含沙量等。

在自然界中，重力侵蚀规模差异很大，从测量的角度看，其特征尺度不明确。大规模的滑坡可达数百立方米，而小的崩塌体一般不到1立方米。大型的滑坡、滑塌等重力侵蚀类型常常造成重大的生命和财产损失。但是，从产沙角度看，大型滑坡往往减小了局地的坡面坡度，侵蚀体经过几十年甚至上百年时间才有可能被搬运，而小型的滑坡、滑塌、泻溜等重力侵蚀类型对场次洪水的产沙作用非常重要，其发生频率高、产沙量很大，是小流域产沙的主体，将其称之为浅层重力侵蚀。重力侵蚀的发生是一种动力学过程与随机过程的耦合结果，不仅取决于降雨径流、坡度等因素，而且还是“土—根”系统水动力学的关联函数。

侵蚀产沙的“动力—植被”调控机制告诉我们，土壤流失是在多项动力作用下土壤结构发生破坏的地表动态演化结果，具有发生的阈值关系与状态的调控机制。这就为我们开展侵蚀产沙过程模拟提供了清晰的机理架构，同时为土壤流失治理模式的确定提供了理论支撑。

黄土高原土壤流失模拟方法与技术

为有效治理土壤流失，需要一种能够对治理规划方案进行评价优化、土壤流失预测评估的技术手段。

20世纪90年代以来，在国家自然科学基金、“948”计划、水利部科技创新计划、水利部公益性行业专项和黄委设立的“黄土高原水土流失数学模型（第一期）研发”等多个项目支持下，黄河水利科学研究院联合国内多家单位，建立了黄土高原分布式土壤流失模型模拟系统。该系统由三大模型组成。

1.复杂侵蚀环境下分布式土壤流失机理模型

利用土壤侵蚀力学、泥沙运动力学及坡面流水力学的理论，建立了基于GIS的栅格型分布式土壤流失机理模型。以黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域为对象，对模型进行了率定和验证，同时还利用流域面积较大的杏子河流域的实测资料对模型进行了验证。

不同类型水土保持措施的作用机理是不一样的，因而应根据流域内径流泥沙来源的空间差异，布置不同类型的措施，并确定其规模。淤地坝或大型拦沙库都有一定的设计标准，要确定坝高及泄水建筑物规模，就需要回答小流域在一定设计降雨条件下能产多少泥沙，哪里是泥沙的主要来源区，即来自坡面多少，来自沟道多少，以及分别占流域产沙量的比例有多大等。

我们构建的这个模型能较好地满足这方面的需求。它可以预测小流域洪水泥沙的空间来源及其产流产沙量，能够为黄土高原小流域水土保持综合治理提供规划设计参数。

2.大中尺度流域分布式年侵蚀产沙经验模型

基于GIS技术，以孤山川流域为模拟对象，建立了土壤侵蚀评价经验模型主导因子的指标体系及其提取方法，研发了分布式年侵蚀产沙经验模型。

该模型实现了因子计算、流域LS因子提取、侵蚀评价和统计分析等功能。在地理信息因子提取方面，根据流域土壤侵蚀原理，运用数字地形分析方法，提出了流域分布式坡长提取技术，实现了栅格单元的坡度向中尺度流域的尺度转换。同时，将GIS空间分析与数字图像处理技术结合，提出了坡度坡长尺度变换方法，实现了不同分辨率坡度坡长之间的尺度转换，解决了长期制约侵蚀产沙模拟精度的空间尺度转换技术难题，富有特色和创新。从土壤侵蚀过程、影响因素与已有对侵蚀因子试验观测研究出发，提出了指标体系确定的原则和方法。

该模型可以对大中流域水土保持效益、土壤流失现状及发展趋势进行评估，满足大中流域水土保持生态建设规划、水土流失公告等水土保持治理和水行政主管部门监督管理的宏观及中观层面的需求，从而有效提高水土保持管理能力和科学决策水平。

3.黄土丘陵沟壑区小流域洪水泥沙作业预报模型

以黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域为研究对象，利用超渗产流机制和泥沙运动力学原理，根据流域产流产沙作业预报的整体技术要求，以计算机网络为平台，以全国统一实施的实时雨水情数据库及历史水文数据库、洪水泥沙预报模型库为支撑，采用面向对象软件开发技术，初步开发岔巴沟流域次暴雨产洪产沙作业预报模型。

利用该模型能够预测次暴雨洪水泥沙，并达到洪水和泥沙的耦合预报。黄河水沙调控体系的运行需要预估进入黄河干流的洪水泥沙量及过程，不仅需要估算出某一年黄土高原主要支流进入黄河干流的水沙量，而且还需要预估次暴雨洪水过程，了解不同区间的暴雨径流、泥沙的入汇和遭遇情况。该系统可以为制定黄河水沙调控体系科学运行提供必需的洪水泥沙参数。

4.黄土高原产水产沙数学模型支持系统

以“二元紧密耦合”的理念，基于ArcGIS平台开发了黄土高原产水产沙数学模型支持系统。

该系统应用面向对象的方法封装分布式土壤流失机理模型、分布式年侵蚀产沙经验模型与洪水泥沙作业预报模型，并把GIS的数据存取、空间分析功能等均定义为组件，通过调用统一的空间数据库，实现了三大数学模型与GIS功能的紧密耦合。同时，各类模型之间共享相同的计算内核（包括数据和方法），使得模型运算紧密耦合，分布式土壤流失机理模型计算的结果可直接被分布式年侵蚀产沙经验模型读取并作为计算参量，提高了预报精度且无需手工干预。

该系统达到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，避免了土壤流失模型与GIS功能脱节或耦合松散的缺点，在参数提取过程中做到了土壤流失模型与GIS的信息双向自动交换与修改，系统数据管理较以往技术更加灵活、高效。

由于特殊的侵蚀环境，使得黄土高原土壤流失规律极为复杂，加之目前人们对侵蚀机理和规律性的问题还缺乏深入认识，因而，对其过程的数学描述和模拟是相当困难的，有待进行长期、艰苦的研究探索。

（作者姚文艺为黄土高原土壤侵蚀和水沙预报首席专家、黄河水利科学研究院副院长）

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黄土高原水土流失灾害世界之最

黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重的地区。根据水利部提供的资料，2002年黄土高原水土流失面积达39.08万平方千米，占黄土高原土地面积62.40万平方千米的62.63％。在黄土高原水土流失面积中，土壤侵蚀模数大于等于每年每平方千米1.5万吨强度以上的剧烈水蚀面积为3.67万平方千米，占全国同类面积的89.0％；局部地区的侵蚀模数甚至超过每年每平方千米3万吨。

美国也是水土流失比较严重的国家，但是其土壤侵蚀强度大多属于每年每平方千米5000至8000吨的强度级。

严重的水土流失造成了黄土高原地区的生态恶化，引发诸多山地灾害，严重制约该地区经济社会的发展。如黄土高原地区国家级贫困县达到126个，占全国的21.3％。

严重的水土流失还使黄河成为世界上含沙量最大的河流，下游河道发生严重淤积，形成举世闻名的“地上悬河”，直接威胁着两岸广大地区人民生命财产的安全。

水土流失规律研究是世界难题

土壤侵蚀是由不同外营力或内外营力共同作用而引起地表形态发生变化的自然现象。土壤侵蚀发生发展是一个复杂的力学过程，其边界条件复杂，影响因素众多且作用机理各异，加之土壤侵蚀的试验观测手段、方法还很不完善，致使土壤侵蚀规律研究难度很大。黄土高原地区水土流失规律研究的难点主要体现在4个方面。

一是水土流失环境复杂。首先，黄土高原土壤组成大部分为黄土，有28个土类。不同土类与侵蚀有关的物理学性质也不同，从而形成黄土高原土壤侵蚀规律具有明显的空间分异性。其次，黄土高原地形地貌相当复杂，不同地貌形态具有不同的侵蚀类型和侵蚀规律。再次，黄土高原降雨时空分布极不均匀。黄土高原年降雨量变化为200至700毫米，具有由东南向西北递减的特点，且降雨时间分布上主要集中于5至9月，其间降雨量占全年的70％以上，尤以7月、8月降雨最为集中，降雨量可占全年的50％左右。由于产沙主要发生于暴雨期，因此，这些特点对土壤侵蚀特征的时空变化产生深刻影响。

二是土壤侵蚀类型多样。特殊的侵蚀环境造成了水力侵蚀、重力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、动物侵蚀和生物侵蚀等多种侵蚀类型。水力侵蚀包括雨滴击溅侵蚀、坡面径流面蚀、细沟侵蚀、切沟侵蚀、冲沟侵蚀。重力侵蚀中包括崩塌、泻溜、滑坡等侵蚀方式。各类侵蚀发生的机理和过程有很大区别。因此，多样的侵蚀类型和侵蚀方式为土壤侵蚀模拟带来了极大困难。

三是人为水土流失严重。黄土高原大型煤田地处多沙粗沙区，又多处于暴雨中心地带，水土流失本来就很严重，而煤炭开采大规模破坏地表，必将加剧水土流失。另外大规模修路、油气开发等都会造成新的水土流失。煤矿开采除破坏地表外，还会破坏地下水循环，直接影响到产流产沙过程，使水土流失规律更为复杂。

四是水土流失机理复杂。黄土高原土壤侵蚀往往是溅蚀、面蚀和沟蚀相伴发生，水力侵蚀、重力侵蚀交织融合，因此其发生是降雨侵蚀力、径流剪切力、重力、土壤黏聚力、生物固结力等多种力的相互作用结果，发生机制非常复杂。尤其是在梁峁顶、梁峁坡、沟道构成的侵蚀地貌单元中，从坡顶到沟底，侵蚀类型和侵蚀力学机理是不相同的，具有明显的空间分异性。泥沙输移对侵蚀环境及其降雨等能量输入为非线性响应关系。