淺析生態(tài)冗余理論與流域綜合治理

袁龍凱

(臨汾市水土保持科學(xué)研究所)

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題之一。基于生態(tài)學(xué)穩(wěn)定性的機(jī)制，生態(tài)學(xué)家先后提出了各種理論，而冗余理論就是其中重要的一種。與此相似，流域治理的基本問(wèn)題，就是流域抵御一定頻率降雨徑流侵蝕力的能力，也就是解決在一定頻率降雨徑流下的流域相對(duì)穩(wěn)定性的問(wèn)題。因此，從生態(tài)學(xué)、生態(tài)冗余角度研究流域治理及各種水土保持措施的優(yōu)化配置，無(wú)疑有益于流域治理在理論和實(shí)踐上的創(chuàng)新與發(fā)展。

1 生態(tài)冗余理論

1.1 冗余與系統(tǒng)穩(wěn)定性

冗余(redundancy)概念，來(lái)源于自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性理論。一般系統(tǒng)由多個(gè)元件組成，元件一定程度的冗余可使系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性、高安全性和高生存能力，即有益于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 冗余度

冗余理論還有一個(gè)十分重要的測(cè)度概念“冗余度”，用于具體評(píng)判、測(cè)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，系統(tǒng)的冗余大小對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要影響。系統(tǒng)的冗余過(guò)小，系統(tǒng)將難以長(zhǎng)期保持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)上，冗余過(guò)大對(duì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性固然有好處，但往往造成浪費(fèi)，加重系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

系統(tǒng)的冗余程度可用冗余度來(lái)衡量。冗余度(redundancy degree)以備用的倍數(shù)來(lái)表示，即備用元件數(shù)與工作元件數(shù)之比。

1.3 生態(tài)冗余

生態(tài)冗余理論是冗余理論在生態(tài)學(xué)方面的具體運(yùn)用，是用冗余理論解決生態(tài)的穩(wěn)定性。

從系統(tǒng)學(xué)的角度來(lái)看，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)由多種有聯(lián)系的組件(各種動(dòng)物、植物)構(gòu)成，這種構(gòu)成方式也是多種多樣的。按元件或組分的排列組合方式構(gòu)造形式，生態(tài)系統(tǒng)中的組件有些按并聯(lián)方式組合，另一些按串聯(lián)方式組合，或者兼而有之。多種多樣的構(gòu)造組合形式，形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，并決定著它的穩(wěn)定性程度。

在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)系統(tǒng)的組件數(shù)目增大時(shí)，鏈長(zhǎng)增大，系統(tǒng)的可靠性或穩(wěn)定性便急劇下降，并且任何一個(gè)組件損壞或失效，都會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)備用組件的數(shù)目增大時(shí)，冗余組件增加，整個(gè)系統(tǒng)的可靠度也迅速增大，且當(dāng)某個(gè)組件因意外或超強(qiáng)干擾而失效時(shí)，其余組件仍能正常工作，保持系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。采用這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即以備用組件來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠度或穩(wěn)定性，就叫做“冗余”。

因此，提高系統(tǒng)可靠性的途徑之一是為可靠性低的組件提供備用組件。從這點(diǎn)可進(jìn)一步提出另一種途徑，即提高可靠性低的組件的可靠性，使其成為可靠性高的組件。

生態(tài)系統(tǒng)的冗余程度也可用相應(yīng)的冗余度來(lái)衡量。黨承林等研究［1］冗余度在3－20倍之間，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較適宜，即生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性可兼?zhèn)洹Ｈ哂喽鹊陀?的系統(tǒng)十分罕見(jiàn)，即使有也是暫時(shí)的。

2 流域治理的生態(tài)學(xué)分析

從生態(tài)學(xué)角度看，流域是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)單元，即生態(tài)系統(tǒng)。因此，流域的生態(tài)穩(wěn)定性也是流域的核心問(wèn)題。這里，特指進(jìn)行水土保持綜合治理的流域。

從流域水土保持治理來(lái)看，其本質(zhì)是增強(qiáng)流域?qū)σ欢l率的降雨、徑流等的水力侵蝕抵抗力，使流域在一定頻率暴雨徑流侵蝕力下保持的相對(duì)土體穩(wěn)定，也就是流域的穩(wěn)定性，其顯著標(biāo)志是流域出水口出流出持續(xù)的清水或較小泥沙的水流。

流域各個(gè)部位的各種水土保持措施(組件、成分)，構(gòu)成流域的水土保持防護(hù)體系，這種防護(hù)體系的穩(wěn)定性就成為流域的穩(wěn)定性。當(dāng)這種體系有較高穩(wěn)定性時(shí)，流域土壤、土體得到有效保護(hù)。同時(shí)，因流域治理水與土的辨證關(guān)系，治理水土流失與保持水和蓄存水的統(tǒng)一，流域水資源也得到了相應(yīng)的保護(hù)。因此，可以說(shuō)流域治理達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，流域治理獲得成功，流域水土保持防護(hù)體系完整高效，流域穩(wěn)定性可靠。

3 流域治理的生態(tài)冗余分析

3.1 流域的水土保持措施串聯(lián)形式

流域是一個(gè)流水地貌，降雨形成的徑流，從流域分水嶺或塬面開(kāi)始，經(jīng)坡面匯向溝道。在這個(gè)過(guò)程中，徑流量逐步增大，破壞力逐步增強(qiáng)，直至流出流域，完成對(duì)流域的侵蝕。

流域治理主要是在流水經(jīng)過(guò)的各個(gè)地貌部位，布設(shè)相應(yīng)的水土保持措施，以減少、減輕降雨、徑流對(duì)土壤和土體的破壞力，并形成整體的水土保持防護(hù)體系。由此可見(jiàn)，在這種情況下，不同流域部位的水土保持措施，更多地表現(xiàn)為組件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式。

從生態(tài)穩(wěn)定性的串聯(lián)形式分析看，串聯(lián)形式的組件越少越好，越有利于流域的治理。在實(shí)際治理實(shí)踐中，對(duì)相對(duì)溝長(zhǎng)長(zhǎng)的流域應(yīng)給予更多的關(guān)照度，提高相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)，采取科學(xué)的規(guī)劃，合理分段分區(qū)保持局部的相對(duì)獨(dú)立性，集中劃片，減少組件，縮短鏈長(zhǎng)，使得治理措施的分布更有目的性，以取得更好的治理效果。

此外，對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性低的組件的可靠性，使其成為可靠性高的組件，以增加穩(wěn)定性的方法，在具體的治理活動(dòng)中是十分困難的。這是由于水土流失形式的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致單項(xiàng)措施運(yùn)用的防護(hù)效果不理想。如在我國(guó)南方某些地域的喬木防護(hù)林，郁閉度在90%以上，但防護(hù)性能卻很差，這是由于地面無(wú)地被物，從生態(tài)冗余角度看，即組件單一，沒(méi)有生態(tài)冗余所致。

3.2 流域的水土保持措施并聯(lián)形式

從流域各個(gè)部位來(lái)看，降雨首先對(duì)地面進(jìn)行擊濺侵蝕，繼而形成層狀面蝕，進(jìn)一步形成細(xì)溝狀面蝕。措施組件更多的表現(xiàn)為并聯(lián)形式。例如造林，樹(shù)冠對(duì)雨滴的攔截緩沖分流，地被物進(jìn)一步緩沖雨滴對(duì)地面的沖擊，各種造林整地形式，如截水溝、魚(yú)鱗坑、水平條、反坡梯田、徑流林業(yè)整地等，形成穩(wěn)定的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。再如道路侵蝕治理，首先需對(duì)路面進(jìn)行硬化，道路內(nèi)側(cè)修筑排水溝，收集路面及旁側(cè)坡面徑流并引向蓄水設(shè)施，再加上道路綠化和路坡植被建設(shè)，如此形成完整的道路治理的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。即使溝道治理工程措施也具有這種特性。

從生態(tài)穩(wěn)定性的并聯(lián)形式分析看，并聯(lián)形式的組件越多越好，越有助于提高治理效果。從流域治理的實(shí)踐看，就是增加一定地段或區(qū)域的水土保持措施數(shù)量，使措施高覆蓋地面。從生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)冗余度的要求來(lái)看，這種組件的冗余度應(yīng)達(dá)到3，也就是說(shuō)，一定地段的水土保持措施起碼應(yīng)達(dá)到4種以上，才能使該地段的水土流失治理達(dá)到相當(dāng)程度的穩(wěn)定。

3.3 流域治理中生態(tài)冗余理論的具體應(yīng)用

在進(jìn)行治理的流域，實(shí)際上是一個(gè)“流域—人”的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。作為流域治理的主體，人對(duì)林業(yè)、農(nóng)業(yè)的撫育管理措施和溝道工程措施產(chǎn)生影響，這種影響的持續(xù)性、普遍性、能動(dòng)性和深刻性，使得人的活動(dòng)目的性增強(qiáng)。作為一個(gè)冗余度，這也體現(xiàn)了治理流域與自然生態(tài)系統(tǒng)的不同之處，也體現(xiàn)了人作為流域治理主體的重要性，使得生態(tài)冗余理論在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可操作性。因此，在具體確定穩(wěn)定生態(tài)冗余度時(shí)，考慮人的因素組件后，其他措施組件冗余度可以為2，也就是說(shuō)，一定地段或區(qū)域的水土保持措施應(yīng)達(dá)到3種以上。

如對(duì)于塬面，首先進(jìn)行塬面梯田(軟埝田)建設(shè)，并保持向內(nèi)的反坡。同時(shí)，進(jìn)行橫坡等高耕作，并在梯田上培埂，進(jìn)一步防止徑流流出塬面，達(dá)到3種以上措施，可使冗余度至少等于2。

如對(duì)于坡面的水土保持防護(hù)林，首先進(jìn)行不同形式的整地，種植適宜的水土保持樹(shù)種，林地上部還應(yīng)設(shè)一道截水溝，以防止徑流沖刷林地。在造林初期，為盡快提高植被覆蓋率，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)空白間隙的種草措施布置。

對(duì)于居民區(qū)治理，首先每個(gè)院落都應(yīng)有設(shè)施完善且有一定蓄水量的旱井或旱井群，院落空地可開(kāi)辟一定面積的菜園，增加對(duì)降雨的入滲與利用，其余部分可進(jìn)行不同形式的硬化，以減少進(jìn)入旱井的泥沙。同時(shí)，應(yīng)設(shè)置一定的排水設(shè)施，將多余水量排出院落。對(duì)于村莊，也應(yīng)在低洼處設(shè)置蓄水工程，以集蓄地表徑流，滿足公共需要。

對(duì)于溝道地段，在梁峁(塬面)、溝坡、道路等區(qū)域進(jìn)行有效治理的基礎(chǔ)上，溝道來(lái)水量將會(huì)大幅度減少，如淤地壩等溝道工程的應(yīng)用就會(huì)少得多且降低標(biāo)準(zhǔn)，小型淤地壩甚至各種型式的谷坊或谷坊群，就能起到較好治理效果，從而節(jié)省投資。治溝工程也應(yīng)配套排水、排洪工程，使溝道得到理想的治理。

4 結(jié)論

從現(xiàn)有的各種流域治理措施設(shè)計(jì)及流域治理規(guī)劃來(lái)看，流域水土流失治理防護(hù)體系的穩(wěn)定性都是在一定頻率降雨徑流下的防護(hù)性能。目前，雖然對(duì)評(píng)價(jià)流域治理效果的具體降雨徑流頻率不能精確確定，但在具體實(shí)踐中，不影響我們直觀地評(píng)價(jià)流域治理優(yōu)劣的辨識(shí)。而生態(tài)冗余理論在流域治理上的應(yīng)用，增加了對(duì)流域治理效能的評(píng)價(jià)和比較手段，并使對(duì)治理措施布置的可靠性奠定了一定的理論基礎(chǔ)。即使初步地、十分粗淺地在流域治理中應(yīng)用生態(tài)冗余理論，我們?nèi)阅艿玫揭恍┯幸娴膯⑹竞统醪浇Y(jié)論，可見(jiàn)該理論具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］黨承林，等.生態(tài)系統(tǒng)的能量冗余與熱力學(xué)第二定律［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1999(1):51－58.