坚持水土流失长期定位观测加快土壤侵蚀规律研究进程.docx

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坚持水土流失长期定位观测加快土壤侵蚀规律研究进程

坚持水土流失长期定位观测

加快土壤侵蚀规律研究进程

山西省水土保持科学研究所

山西省地处黄土高原东缘，有80%的面积是丘陵和山区，水土流失面积9.3万km2，占全省总面积的60%以上。

全省多年平均年输沙量4.65亿t，年均输沙模数3000t/km2，最严重地区高达2万t/km2，水土保持监测范围广，任务大，地形复杂，条件艰苦。

水土流失定位观测是水土保持监测的主要内容之一，早在20世纪50年代中期，随着全省水土保持科研机构的相继成立，在不同类型区就开展了这项工作。

至今已有近50年的历程，积累了丰富的第一手资料，取得了一批研究成果，为山西省的水土保持规划设计、效益评价和预测预报提供了大量的实测数据和科学依据。

一、水土流失定位观测研究概况

1955年，山西省水土保持科学研究所在晋西离石的王家沟村正式成立，同年就学习黄委会天水水土保持试验站的做法，在不同地类、不同坡度、不同坡长、不同土壤和不同治理措施的定位小区内，汛期测定径流量、冲刷量，并选择条件类似、面积差异不大的相邻小流域进行治理与非治理的水土保持效果对比观测。

在中小流域的出口处设置观测断面或测流建筑物，进行径流、泥沙定位观测。

通过对观测资料进行分析，确定水土流失来自什么地类及部位，水土流失与降雨量、雨强、土壤、植被等有关自然因素间的定量关系、不同治理措施的蓄水减沙效益、不同治理程度与径流泥沙量的关系以及小流域产沙与输沙的比率等。

20世纪80年代初期，以全省水土保持科研所站为依托，基本实现了按土壤侵蚀类型区设立水土流失定位观测站点的构想，初步形成了以省水土保持科学研究所为中心的水土流失监测网络（各所站的监测内容，方法及范围见表1）。

同时，省水土保持科研所引进人工模拟降雨设备，建起了人工降雨试验大棚，研究了人工降雨雨滴与天然降雨雨滴的吻合程度。

80年代中期，成功试制了移动式人工模拟降雨装置，建起了大规模野外水土流失试验场。

人工降雨机在不同地类定位试验，可在风和日丽的环境下进行，劳动强度大大降低，可在短时间内取得不同降雨强度下的大量测试数据，并能观测水土流失过程，使土壤侵蚀规律研究的进程大大加快。

1986年至1996年，我所与加拿大多伦多大学、中国科学院地理研究所合作，在大量模拟试验研究，野外试验小区观测数据与调查资料的基础上，对水土流失规律和土壤侵蚀管理地理信息系统进行了深入研究，取得了一大批科研成果。

20世纪90年代以来，在继续研究水蚀的同时，还研究了风蚀、重力侵蚀、洞穴侵蚀及土壤侵蚀与植被度、土壤有机质含量等方面的定量关系。

在土壤侵蚀机理研究上，突破了超渗产流的一般认识，深入探讨了黄土的表土结皮、犁底层成因与水土流失的定量关系。

在植被防蚀机理研究上，通过人工模拟降雨，揭示了植被覆盖率、地表枯枝落叶层及土壤等对控制水土流失作用的量化指标。

与此同时，在大量模拟试验研究、野外试验小区观测数据与调查资料的基础上，在地理信息系统支持下，完成了小流域侵蚀产沙模型、土地生产潜力模型、水土保持经济效益模型的研究，开发了“小流域水土保持综合管理信息系统”，在土壤侵蚀预测预报和小流域水土保持综合治理规划设计技术方面取得了突破性进展。

表1山西省水土保持科研所站的监测内容与范围

所站名称

监测区流域

流域面积（km2）

监测内容

监测方法

类型区

省水保所

离石市王家沟

降雨、径流、泥沙

小区观测

黄土丘陵沟壑区

离石王家沟

9.1

降雨、径流、泥沙

沟口断面法

黄土丘陵沟壑区

中阳县南川河

810

降雨、径流、泥沙

出口断面法

黄土丘陵沟壑区

临汾所

隰县南唐户

降雨、径流、泥沙

小区观测

黄土残塬沟壑区

隰县西埝沟

6.0

降雨、径流、泥沙

沟口断面法

黄土残塬沟壑区

长治站

平顺县小铎

0.93

降雨、径流、泥沙

小区观测

土石山丘

大同所

阳高县大南沟

0.5

降雨、径流、泥沙

沟口断面法

黄土缓坡丘陵区

朔州站

右玉县东窑沟

8.4

风蚀量

设点观测法

缓坡丘陵风沙区

忻州所

河曲县南曲沟

13.9

降雨、径流、泥沙

小区观测法

黄土丘陵沟壑区

太原所

南郊区仙居沟

2.05

降雨、径流、泥沙

小区观测法

砂页岩风化区

二、水土流失单项试验成果

（一）影响水土流失的主要因素

1.降雨特点

据连续48年资料记载，晋西离石地区多年平均降水量506.5mm，1~4月降水量46.2mm，占年降水量的9.2%；5~9月降水量406mm，占年降水量的80.1%，10~12月降水量54.3mm，占年降水量的10.7%；汛期7、8两个月降水量占年降水量的47.1%，且常出现短历时暴雨，降雨历时10h以上的出现次数占7%，3~10h占27.0%，3h以下的占66%。

暴雨平均强度10mm/h—20mm/h的出现次数占32.2%，大于20mm/h的占9.7%，小于10mm/h的占58.1%。

2.暴雨与水土流失的关系

降雨是造成水土流失的必要条件，但不是所有降雨都能产生水土流失。

年水土流失量与7、8月份降雨量和暴雨出现次数有密切关系。

资料显示，本地区年水土流失量的80%是暴雨引起的，而次暴雨的水土流失与暴雨强度的关系十分密切。

3.地形与水土流失的关系

地形包括坡度、坡长、坡形和所在部位。

一般说来，在降雨、土壤和土地利用基本一致时，地形越复杂水土流失越严重。

试验资料表明，同样都是耕地，由于坡度和所在部位不同，在同样降雨、耕种条件下水土流失差异很大。

梁坡地土壤侵蚀量为峁顶地的7.52倍，邻近沟边地的土壤侵蚀量分别为梁坡地的5.2倍、峁顶地的39.2倍，说明陡坡地水土流失的严重性。

4.地类与水土流失的关系

不同的土地类型水土流失差异很大。

沟道荒坡地的水土流失量为农耕地的2.1~4倍，山地简易公路的水土流失，不仅破坏道路影响交通，而且路水还冲毁附近的土地，特别是新修道路，如没有保持水土措施，弃土冲刷更为严重。

5.植被与水土流失的关系

本区由于地形破碎，植被稀少，加上暴雨集中就形成了严重的水土流失，但只要在陡坡地上造林增加地面植被就可防止水土流失。

据试验：

鱼鳞坑整地两年生刺槐林，郁闭度40%，在等量降雨条件下，林地与25°耕地相比，减少径流78.9%，减少土壤侵蚀99%。

显示了造林防治水土流失的重大作用。

（二）水土保持效益

1.单项措施拦蓄指标

目前普遍采用的水土保持措施主要有：

水平梯田、造林、种草、封禁和淤地坝等。

这些措施都具有保持水土和增产增收的作用。

其作用大小视规格、质量和养护维修情况不同而异。

分析结果如表2。

2.小流域综合治理效益

流域综合治理可以发挥各项措施之间的互相补充作用，就一条流域来说，其治理效益大小与治理度高低、措施质量、布局和管理维护情况有关。

分析表明：

连续15年综合治理的小流域，其治理度达到78.3%，与不治理的对比沟相比，年平均减少径流60%，减少泥沙63.1%。

表2单项治理措施拦蓄指标

措施名称

每亩年拦蓄量

减少率（%）

备注

水（m3）

沙（t）

水

沙

水平梯田

10.45

4.5

70.7

93-100

无边埂

人工造林

4.80

6.38

30.8

88.8

1~10年生

人工牧草

0.73

3.60

5.55

77.6

草木樨

封禁

40.50

12.75

92.7

96.3

植被度80%以上

淤地坝

3000

三、土壤侵蚀机理研究成果

（一）坡面降雨径流与侵蚀产沙过程

1.降雨击溅侵蚀产沙

在坡面侵蚀产沙模型中，降雨溅蚀是重要组成部分。

我们通过室内外小区模拟降雨试验，包括多因素影响降雨溅蚀过程的多元回归正交试验研究，结果显示，各因素之间的交互作用对溅蚀过程和溅蚀临界值有着很显著的影响，较好地揭示出降雨溅蚀的内在规律和机制。

这一成果填补了国内外现有溅蚀模型未能考虑影响溅蚀的各种临界值以及影响因素之间的交互作用的研究空白，在第四次国际河流泥沙学术讨论会上，引起美国、日本、法国等国同行们的极大兴趣与高度重视。

2.表土结皮研究

国内以往尚未研究表土结皮在侵蚀中的作用，我们对不同土壤表土结皮的形成过程、微形态特征、表土结皮强度、对细沟发育和径流、侵蚀产沙的影响，以及在小流域中表土结皮的时空分布规律进行了较为深入的研究，并探讨了利用土壤结构改良剂（PVA）减少表土结皮的可能性。

1985年在比利时、1991年在美国两次关于表土结皮的专题国际学术讨论会上受到同行的关注。

3.土壤抗蚀性研究

在国内外首次探讨了小流域内不同土地利用情况下土壤抗蚀性时空变化规律，并综合土壤理化性质分析和降雨溅蚀试验结果对黄土高原不同土壤进行抗蚀性对比分析，不仅建立了一套成熟、完整的土壤抗蚀性规律试验研究方法，并以中英文发表了一系列研究论文。

4.细沟侵蚀及其临界

坡面有细沟发育时，侵蚀产沙将增加几十倍。

我们的野外调查与试验研究结果揭示出：

细沟既可以由坡面径流下切产生，又可在坡耕地浅层洞穴侵蚀的诱发下形成，下切型细沟产生的临界条件可用临界单位水流动力与表土前期抗剪强度间的线性关系表示。

坡耕地上单宽坡面发生细沟密度是坡度与土壤抗蚀力的函数，存在着影响细沟发生的临界组合。

细沟产生后，坡面含沙量的变化与径流量及表土前期抗剪强度之间有着密切的关系，细沟发生临界是坡面过程侵蚀产沙模型研究的关键。

（二）在地理信息系统支持下的小流域模型研究

1.小流域侵蚀产沙模型

依据黄土高原丘陵沟壑区复杂的地貌特征与侵蚀产沙的垂直分带性特点，将小流域侵蚀产沙模型构造为由坡面子模型、沟坡子模型与沟道子模型组成，坡面子模型主要由泥沙输移比计算方程构成。

此模型与地理信息系统接口，并考虑上坡来水来沙的影响，计算简单、容易掌握。

1993年5月在委内瑞拉召开的国际学术讨论会上，应邀对这个小流域侵蚀产沙模型作了大会补充发言。

2.生产潜力模型

根据黄土丘陵沟壑区小流域特点建立的生产潜力模型构造简单，有较好的适用性，能在地理信息系统支持下运行，并与侵蚀产沙模型接口，以其作为重要的信息源，可以提供不同作物覆盖度随生长期的变化。

这在类似模型研究中极具先进性。

四、小流域土壤侵蚀规律与水土保持综合管理地理信息系统

本成果是中国与加拿大科技人员以离石王家沟流域为基点，以汾河水库上游为项目推广区，通过室内外人工模拟降雨试验、野外定点观测与调查、小流域基础地理信息数据库的构建、“3S”技术的综合运用、模型（土壤侵蚀模型、作物生产潜力模型、经济效益模型）与“3S”技术的综合集成等研究，在揭示小流域侵蚀产沙规律、模拟小流域水土流失过程、分析作物生产潜力、评价治理措施的投入产出效益以及小流域水土保持动态规划等方面，解决了一系列关键理论问题与技术难题。

集中体现在：

（1）揭示了黄土高原小流域水土流失机理，认识河流泥沙产生、输移和堆积规律；

（2）建立了基于地块单元的小流域土壤侵蚀过程模型；（3）实现了基于地块单元的水沙汇流过程模拟与汇流网络计算；（4）实现了应用模型、空间数据库、“3S”技术、决策支持一体化集成。

本项成果在降雨击溅侵蚀、表土结皮、土壤抗蚀性对侵蚀产沙的作用、细沟侵蚀与临界关系、小流域侵蚀产沙的垂直分带性、坡面水沙对沟坡侵蚀产沙的影响、洞穴侵蚀过程与规律、泥沙输移比以及室内模拟降雨试验自动采样技术、野外全坡面大型模拟降雨试验技术、利用烟幕弹测定洞穴系统发育结构与变化技术等方面，根据黄土丘陵沟壑区侵蚀产沙的特点，分别建立小流域坡面侵蚀产沙子模型、沟坡侵蚀产沙子模型和沟道侵蚀产沙子模型，较好地应用数学关系式反映出小流域侵蚀产沙垂直分带的物理意义。

在模型整体结构设计上，深化了对流域数字高程模型（DEM）空间数据的分析，建立了能反映流域水沙运移的基于地块单元的汇流网络，深化了小流域地表状况的描述，弥补了传统侵蚀产沙经验关系式的不足，实现了侵蚀产沙模型与GIS的结合，符合黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙规律，为小流域水土保持综合治理的系统化管理提供了一个具有先导性的范例。

本研究开发的“小流域水土保持综合管理信息系统”首先在《山西省静乐县狼窝沟小流域水土保持生态建设工程初步设计》中进行了全面应用；完成了《山西省天镇县南营沟流域生态环境综合治理示范工程初步设计》，并分别获得全国水土保持工程初步设计一等奖和二等奖。

在此基础上用最短时间顺利完成了《21世纪初期首都水资源可持续利用》项目中39条小流域生态环境建设初步设计，一次性通过专家评审。

与此同时，还在汾河水库上游水土保持综合治理区进行了全面推广应用，分别于1997年5月在北京、2000年9月在太原、2000年10月在静乐县进行技术负责人的培训，培训人员110人次。

2001年8月，受水利部邀请，在哈尔滨滨县就“小流域水土保持综合管理信息系统”作了专题讲座，有全国24个省，5个流域机构、水保部门科研站所近200余人参加，会上分发了系统软件。

另外该成果还在国际上多次进行学术交流，先后召开了3次国际学术讨论会。

有15批150人次国外专家学者前来参观、访问、工作，我国有30人次赴国外学习、考察。

国内外发表论文80余篇。

不仅在国内得到了广泛应用，而且在国际上也受到了极大的关注和好评。

五、对今后水土流失定位监测的建议

中国工程院院士山仑先生在论“切实加强水土保持长期定位观测研究”一文中指出：

生态环境建设是西部大开发的基础，而在水土流失严重的黄土高原地区，水土保持则是生态建设的根本。

就水土保持科研而言，当前的薄弱环节是长期定位观测研究，这方面的工作亟待加强。

黄河流域目前面临洪水威胁，水资源紧缺和生态环境恶化三大问题，这三大问题的解决都与水土保持密切相关，“数字黄河”、“模型黄河”的建立，其基础是大量可靠的实地观测取得的科学数据。

通过沿河布设的水文、水质、气象观测站可以提供大量有用的资料，但不同地区、不同地形地貌条件下、不同降水年的水土流失状况，各项水土保持措施减沙效果，以及水土流失预报等对于解决黄河三大问题，预测治黄前景，确定大型水利枢纽工程建设布局和标准等至关重要的系统观测研究仍很不足。

这充分说明长期定位观测研究水土流失规律的重要性和必要性。

总结以往的经验和问题，对今后的水土保持长期定位观测研究提出以下建议。

1、水土流失定位监测数据与水文、气象资料一样具有系列越长越宝贵的特点，水土保持长期定位观测研究应以取得系统的观测数据为基础，以解决特定的关键科技问题为目标，而不应过多追求经济和生态效益指标的完成。

2、根据黄土高原生态环境建设和根治黄河的需求，确定一批必须通过长期定位研究来解决的科学技术问题，以现有的水土保持试验所站为依托，统一安排部署，形成网络，并解决观测试验手段现代化方面的问题。

3、国家水土保持主管部门和科技部门对于长期定位观测研究应给以稳定的经费支持，不要求短期内出成果、出效益，而应强调积累基础数据，一定期限后对有关水土保持关键科技问题做出回答。

4、由于政策导向和个人的原因，目前不少科研人员不愿意从事系统、扎实、艰苦的野外观测试验研究，因而应对从事长期定位观测试验的人员采取鼓励政策，包括调整评价贡献的指标，给予应有的待遇等，以使更多的科技人员乐于在这一平凡但重要的岗位上坚持工作。