黃土高原水資源調(diào)控及生態(tài)保護(hù)研究評述

吳 釗,李戈亮,孫怡萍

(西安市水利規(guī)劃勘測設(shè)計院,西安 710054)

0 前 言

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)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(jīng)歷了因害設(shè)防階段(1949—1980年)、綜合治理階段(1980一2000年)和生態(tài)修復(fù)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(tài)環(huán)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(tài)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(fā)展，確保了黃河下游安全。

黃土高原水資源調(diào)控機(jī)理研究及生態(tài)環(huán)境保護(hù)是支撐蓄水保土目標(biāo)實現(xiàn)的核心，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的必要舉措。眾多學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的成果和認(rèn)識。目前，黃土高原水土保持成果顯著，區(qū)內(nèi)植被凈初級生產(chǎn)力已經(jīng)接近該區(qū)水資源承載力閾值，進(jìn)一步擴(kuò)大該區(qū)植被建設(shè)面積將不可避免地加劇水資源短缺、不平衡分配、水文環(huán)境效應(yīng)等問題。水資源調(diào)控和生態(tài)保護(hù)面臨著新的挑戰(zhàn)。

因此，在新時期黃土高原水資源的形成、轉(zhuǎn)化和利用的研究中，考慮保證河流生態(tài)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(yōu)化配置，是支撐黃土高原生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和保護(hù)的關(guān)鍵。為此，本文綜述了黃土高原水資源利用、調(diào)控與生態(tài)保護(hù)的最新進(jìn)展，分析了存在的問題，進(jìn)而提出了下一步應(yīng)加強(qiáng)極端環(huán)境下黃土高原坡面徑流優(yōu)化調(diào)控、土壤有效水分及基流量的調(diào)控、以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控研究，加深對黃土高原水資源調(diào)控和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與保護(hù)的認(rèn)識，為黃土高原生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供服務(wù)。

1 黃土高原水資源形成與調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

1.1 黃土高原水資源形成機(jī)制

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

黃土高原降雨徑流過程形成機(jī)理較為復(fù)雜，目前，經(jīng)常用到的方法主要有：解析法，數(shù)理統(tǒng)計、水文模型法、水文地球化學(xué)方法、智能化方法。也有一部分專家采用室內(nèi)降雨試驗[3]、同位素技術(shù)[4]對黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行研究。黃新會[5]構(gòu)建了基于天然變雨強(qiáng)降雨條件及侵蝕形態(tài)的黃土地區(qū)坡面水文模型。傳統(tǒng)的解析法和數(shù)理統(tǒng)計方法，主要是依據(jù)降雨雨徑流資料，建立經(jīng)驗統(tǒng)計模型，忽視了下墊面的條件。傳統(tǒng)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(yīng)用上的廣闊前景，顯示了其優(yōu)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(diào)節(jié)技術(shù)

黃土高原生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵在于水的調(diào)控?？茖W(xué)的降雨、徑流和土壤水調(diào)控體系改變坡面徑流過程，延長產(chǎn)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(jìn)行人工調(diào)節(jié)，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(zhì)量發(fā)展的一項重點支撐工作。

(1) 在降雨徑流調(diào)控機(jī)理方面，大多數(shù)專家從水循環(huán)與水平衡過程、水文聯(lián)通性、生態(tài)水文過程來進(jìn)行調(diào)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(jìn)行調(diào)控[11]。另外，陽輝[12]等人從林草地水文生態(tài)效應(yīng)角度，探討山地生態(tài)水文過程、降水資源調(diào)控技術(shù)措施和山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控的相關(guān)關(guān)系。為充分利用水資源，應(yīng)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(shù)，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(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)同可持續(xù)發(fā)展[13]。

(2) 在土壤水調(diào)節(jié)機(jī)理研究方面，土壤水作為陸地水循環(huán)和水量平衡的一個重要組成部分，在土壤-植被-大氣連續(xù)體物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)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(jīng)常處于有庫無水的狀態(tài)，延遲產(chǎn)流時間與提高土壤水分入滲是水資源調(diào)控的重要技術(shù)手段。王健系統(tǒng)分析了土壤水庫的補(bǔ)給、消耗和動態(tài)特征，借助線形擾動理論，對土壤水庫進(jìn)行了動態(tài)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(qū)水源涵養(yǎng)林截留和攔蓄降雨研究進(jìn)行綜合分析，雖發(fā)現(xiàn)目前涵養(yǎng)林?jǐn)r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(biāo)不夠全面,動態(tài)平衡也需要繼續(xù)研究[16]。

1.3 黃土高原水資源高效利用技術(shù)

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(zhuǎn)變?yōu)榫哂邢鄬Τ掷m(xù)供水能力的穩(wěn)定系統(tǒng)，來彌補(bǔ)地區(qū)生產(chǎn)、生活供水不足，實現(xiàn)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(jīng)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(yōu)化配置理論方法

資源優(yōu)化配置是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)多目標(biāo)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(yōu)化配置較為復(fù)雜，需考慮約束條件涉及到生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、水資源承載能力等一系列內(nèi)容。目前，大多數(shù)水資源優(yōu)化配置已經(jīng)從單目標(biāo)向復(fù)雜系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)變，水資源的綜合價值和不同行業(yè)間用水的公平開始被用于指導(dǎo)水資源調(diào)配[17-18]。王煜等人[19]基于社會福利學(xué)原理構(gòu)建了統(tǒng)籌用水效率與公平的水資源均衡調(diào)控函數(shù)，通過水資源均衡調(diào)控函數(shù)引導(dǎo)水資源配置，綜合水資源經(jīng)濟(jì)價值、社會價值和生態(tài)價值，建立了用水效率表征指標(biāo)；統(tǒng)籌地區(qū)公平和行業(yè)協(xié)調(diào)，建立了用水公平表征指標(biāo)。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(tǒng)多目標(biāo)配置、區(qū)域和行業(yè)公平性與效率的統(tǒng)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(qū)科學(xué)合理的水文模型

水文模型模型相對復(fù)雜，由于其離散方法和基本假設(shè)不同，涉及降雨和下墊面數(shù)據(jù)資料參數(shù)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(yīng)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(fā)展黃土高原流域水文模型的一個重要問題。

2.2 變化環(huán)境下降雨-徑流-土壤水再分配機(jī)理尚不明確

以往研究主要集中在地表徑流攔蓄、疏導(dǎo)、存儲、調(diào)控和利用技術(shù)方面，黃土高原溝谷破碎、生態(tài)保持工程的實施等多種變化環(huán)境下降雨徑流運(yùn)行規(guī)律、土壤有效水、雨洪水資源化潛力評價、降雨徑流調(diào)控及環(huán)境效應(yīng)等相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究還相對薄弱，仍缺乏理論依據(jù)。

2.3 有效土壤水分的適宜承載力和調(diào)節(jié)機(jī)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(fù)平衡現(xiàn)象發(fā)生頻繁，土壤干燥化日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響植被生長狀況，土壤干層的發(fā)生過程和規(guī)律以及調(diào)控機(jī)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(yán)重缺水現(xiàn)狀，避免土壤干層的產(chǎn)生，為大規(guī)模植被建設(shè)提供有效水源，同步實現(xiàn)水土資源的安全高效利用。

2.4 水土保持措施的水文環(huán)境效應(yīng)綜合評價不夠全面

在不明確變化環(huán)境水資源轉(zhuǎn)化機(jī)制、植被恢復(fù)蒸騰耗水機(jī)制前提下，因大面積植被建設(shè)，耗水量大于降水量，且地下水埋藏深，土壤水分循環(huán)處于負(fù)平衡所致的生態(tài)問題。眾多學(xué)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(huán)境效應(yīng)作出簡單的優(yōu)劣判斷，綜合性定量評價指標(biāo)和評價方法較為缺乏，有待進(jìn)一步深入探討。

2.5 水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)和調(diào)蓄作用被忽視

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

3 研究趨勢

3.1 極端環(huán)境下黃土高原坡面徑流優(yōu)化調(diào)控

(1) 黃土高原坡面生態(tài)水文過程模擬

以黃土高原水的保持為切入點，科學(xué)調(diào)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(tài)植被健康可持續(xù)生長，從而為實現(xiàn)黃土高原綠水青山以及金山銀山提供最基礎(chǔ)的水資源保障。借鑒分布式水文模型和3S技術(shù)，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(zhuǎn)換，構(gòu)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(chǎn)流、集流過程；揭示生態(tài)恢復(fù)水文演變過程，預(yù)測社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)工程情景下水循環(huán)和水平衡動態(tài)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(xué)調(diào)控降雨徑流提供理論依據(jù)。

(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(jié)，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(qiáng)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(zāi)，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(chǎn)生活，又能夠為下游輸水，為大流域生態(tài)維護(hù)供水。

3.2 土壤有效水分及基流量的調(diào)控機(jī)理研究

(1) 土壤水庫的調(diào)蓄深度和利用強(qiáng)度提升技術(shù)

土壤干層造成土壤水庫調(diào)蓄能力降低，直接影響著林木發(fā)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(tài)建設(shè)措施下流域土壤水時空分布特征、時間穩(wěn)定性特征，揭示不同生態(tài)建設(shè)措施對土壤水的消耗與補(bǔ)償作用，提高土壤水庫的調(diào)節(jié)深度和強(qiáng)度，合理的土壤儲水調(diào)蓄成為黃土高原生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)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(fā)育過程及其動態(tài)變化規(guī)律[21]，為黃土高原灌草植被管理和土壤干層調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。在以后的研究工作中，對于土壤水庫的調(diào)蓄深度、利用強(qiáng)度的研究決定水土保持閾值以及生態(tài)建設(shè)成效的關(guān)鍵。

(2) 基于景觀斑塊布局的基流量調(diào)節(jié)

基流是干旱區(qū)最重要的枯季水文特征之一，在維持河川徑流和維護(hù)流域生態(tài)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(guān)系深入研究相對較少。景觀斑塊格局破碎程度、復(fù)雜程度都會影響基流量。土地利用景觀格局與徑流量相關(guān)性不是很強(qiáng)，但與基流量和基流指數(shù)相關(guān)性顯著，景觀格局對基流具有很強(qiáng)的調(diào)控作用。在生態(tài)建設(shè)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(yīng)，應(yīng)尋求合理的景觀格局配置，進(jìn)而提高流域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[22]。

3.3 以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的黃土高原生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控

(1) 基于現(xiàn)有蓄水保土工程的生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)體系構(gòu)建

遵循水循環(huán)自然規(guī)律，按植被生態(tài)系統(tǒng)自身規(guī)律演替，系統(tǒng)布置和建設(shè)人工林草，結(jié)合黃土高原已有蓄水保土工程，充分發(fā)揮現(xiàn)有的自然要素對水循環(huán)多過程的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)坡面-河道、地表-土壤-地下、常態(tài)與極值過程間的協(xié)調(diào)多過程間，由工程控水為主向富自然調(diào)蓄水轉(zhuǎn)變自然調(diào)蓄，讓水和沙去其應(yīng)該去的地方[23]。目前，水土保持工程設(shè)施要科學(xué)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(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)，使人工林草的建設(shè)，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(tài)的同時，防治防止過度生態(tài)建設(shè)。

(2) 以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的水資源仿真模擬與調(diào)控

水資源短缺和生態(tài)環(huán)境脆弱是黃土高原面臨的亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，以水資源荷載平衡和生態(tài)系統(tǒng)健康為約束，以降雨徑流調(diào)控技術(shù)、水土保持措施進(jìn)行方案組合，建立水資源仿真模擬模型，采用多目標(biāo)模型以及智能計算技術(shù)，提出黃土高原水資源優(yōu)化配置格局和配置方案，探索蓄水保土新的協(xié)調(diào)關(guān)系，提高水資源、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與其他經(jīng)濟(jì)社會要素的匹配性，促進(jìn)區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境以及社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.4 黃土高原水土資源協(xié)同利用的智能化技術(shù)

為提高快速獲取和處理水資源、土地利用信息能力，需要發(fā)展空天地一體化探測觀測技術(shù)，提升創(chuàng)新水土資源利用的監(jiān)測與信息化理論技術(shù)。以遙感影像監(jiān)測、無人機(jī)監(jiān)測、移動監(jiān)測等手段為依據(jù)，天、空、地相互協(xié)調(diào)和補(bǔ)充，從不同尺度、不同角度實現(xiàn)水土資源動態(tài)監(jiān)測，并結(jié)合大數(shù)據(jù)智能計算方法進(jìn)行評估、預(yù)測和管理。

4 結(jié) 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(diào)控機(jī)理研究及生態(tài)環(huán)境保護(hù)是支撐蓄水保土目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的必要舉措。在黃土高原水資源調(diào)控及生態(tài)保護(hù)過程中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)極端環(huán)境下黃土高原坡面徑流優(yōu)化調(diào)控、土壤有效水分及基流量的調(diào)控機(jī)理、以水資源荷載和生態(tài)健康為約束的黃土高原生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控、黃土高原水土資源協(xié)同利用的智能化技術(shù)等領(lǐng)域的研究，為黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)研判。