黄土高原水资源调控及生态保护研究评述

吴 钊,李戈亮,孙怡萍

(西安市水利规划勘测设计院,西安 710054)

0 前 言

黄河流域生态保护和高质量发展国家战略指出黄河中游的问题是水土流失与污染治理。新中国成立70多年来，黄土高原水土保持工作依次经历了因害设防阶段(1949—1980年)、综合治理阶段(1980一2000年)和生态修复阶段(2000年以后)，取得了显著的成效[1]。近年来，黄土高原大部分为植被所覆盖，生态环境明显向好，输入黄河的泥沙锐减，泥沙含量一般低于10 kg/m3,接近史前黄河泥沙含量，河道萎缩态势初步遏制，水土保持工作在泥沙拦截方面成效突出，遏制了地上悬河发展，确保了黄河下游安全。

黄土高原水资源调控机理研究及生态环境保护是支撑蓄水保土目标实现的核心，是实现黄河流域生态保护与高质量发展国家战略的必要举措。众多学者在此方面进行了大量研究，并取得了丰富的成果和认识。目前，黄土高原水土保持成果显著，区内植被净初级生产力已经接近该区水资源承载力阈值，进一步扩大该区植被建设面积将不可避免地加剧水资源短缺、不平衡分配、水文环境效应等问题。水资源调控和生态保护面临着新的挑战。

因此，在新时期黄土高原水资源的形成、转化和利用的研究中，考虑保证河流生态需水的前提下，留住降水、拦截洪水、用好地下水，做好降水-地表水-地下水等水资源优化配置，是支撑黄土高原生态系统修复和保护的关键。为此，本文综述了黄土高原水资源利用、调控与生态保护的最新进展，分析了存在的问题，进而提出了下一步应加强极端环境下黄土高原坡面径流优化调控、土壤有效水分及基流量的调控、以水资源荷载和生态健康为约束的生态系统自适应调控研究，加深对黄土高原水资源调控和生态系统恢复与保护的认识，为黄土高原生态环境保护与高质量发展提供服务。

1 黄土高原水资源形成与调控机制研究进展

1.1 黄土高原水资源形成机制

在气候变化、植被蒸腾作用、水土保持措施共同驱动下，黄土高原植被蒸散耗水量增加显著，加剧了区域水资源供需矛盾，榆林地区降雨量和实测径流量的线性相关关系已严重恶化，降雨径流关系异常[2]。在新形势下降雨径流关系异常复杂，不能用常态化的平衡关系去衡量，需要建立黄土高原降雨径流新型关系机制。

黄土高原降雨径流过程形成机理较为复杂，目前，经常用到的方法主要有：解析法，数理统计、水文模型法、水文地球化学方法、智能化方法。也有一部分专家采用室内降雨试验[3]、同位素技术[4]对黄土高原丘陵沟壑区不同水体间转化特征进行研究。黄新会[5]构建了基于天然变雨强降雨条件及侵蚀形态的黄土地区坡面水文模型。传统的解析法和数理统计方法，主要是依据降雨雨径流资料，建立经验统计模型，忽视了下垫面的条件。传统的水文模型大多属集总式的水文模型，不能很好反映水文要素在空间上的变化，分布式水文模型在理论上的深化与应用上的广阔前景，显示了其优越性[6]。例如SWAT[7-8]，VIC[9]，SHE，MIKE-SHE，TOPMODEL模型等，能充分反映降雨和下垫面时空尺度变化对径流的影响，部分已用于黄土高原的小流域[10]。

1.2 黄土高原坡面降雨-径流-土壤有效水分调节技术

黄土高原生态文明建设和高质量发展的关键在于水的调控。科学的降雨、径流和土壤水调控体系改变坡面径流过程，延长产流时间，削弱径流量及其流速，减轻水土流失，同时又可以对降水在时空上进行人工调节，使宝贵的降水资源得到充分和有效的利用，是新时期黄土高原高质量发展的一项重点支撑工作。

(1) 在降雨径流调控机理方面，大多数专家从水循环与水平衡过程、水文联通性、生态水文过程来进行调控。通过研究流域和地坝系的水分富集和输移通道的水文连通特征，减少地表径流，存贮大量水资源进行调控[11]。另外，阳辉[12]等人从林草地水文生态效应角度，探讨山地生态水文过程、降水资源调控技术措施和山地生态水文过程与降水资源调控的相关关系。为充分利用水资源，应对黄土高原水土流失和干旱缺水问题，引入分布式水文模拟技术，建立了分布式雨水资源化潜力评估模型，评估雨水资源化潜力，提高了雨水资源化利用率，保障生态经济协同可持续发展[13]。

(2) 在土壤水调节机理研究方面，土壤水作为陆地水循环和水量平衡的一个重要组成部分，在土壤-植被-大气连续体物质和能量转化中起着重要的作用，成为陆面过程研究汇总的重要参量[14]。黄土高原的土壤水库经常处于有库无水的状态，延迟产流时间与提高土壤水分入渗是水资源调控的重要技术手段。王健系统分析了土壤水库的补给、消耗和动态特征，借助线形扰动理论，对土壤水库进行了动态模拟和探索[15]。郑飞龙等人从林冠层的截留能力、枯枝落叶层的截持能力和林地土壤的持水能力3个方面，对黄土高原地区水源涵养林截留和拦蓄降雨研究进行综合分析，虽发现目前涵养林拦蓄降雨的定性研究较多，但定量研究不够深入，土壤水分的量化指标不够全面,动态平衡也需要继续研究[16]。

1.3 黄土高原水资源高效利用技术

在黄土高原将本来就短缺的间歇性和离散型特征的降水、径流转变为具有相对持续供水能力的稳定系统，来弥补地区生产、生活供水不足，实现水资源高效利用显得非常重要[11]。在黄土高原降雨径流高效利用工程方面，经过诸多工程实践，目前还是比较成熟。一般来说，水资源高效利用工程体系分为径流截流分流工程、径流聚集工程和径流驻用工程。径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、沟道引流工程等，具体措施有植被措施，坡改梯工程。径流聚集工程主要包括坡面径流聚集工程、水土保持植物聚流分流和水土保持耕作聚流分流，具体措施有坝地、引洪漫地、造林整地工程、涝池、水窖等。径流驻用工程：驻留池、水窖和沟道驻留工程。

1.4 水资源优化配置理论方法

资源优化配置是一个复杂的大系统多目标决策问题，由于近期水土保持等人类活动的影响，黄土高原水资源优化配置较为复杂，需考虑约束条件涉及到生态效益、经济效益、水资源承载能力等一系列内容。目前，大多数水资源优化配置已经从单目标向复杂系统多目标优化转变，水资源的综合价值和不同行业间用水的公平开始被用于指导水资源调配[17-18]。王煜等人[19]基于社会福利学原理构建了统筹用水效率与公平的水资源均衡调控函数，通过水资源均衡调控函数引导水资源配置，综合水资源经济价值、社会价值和生态价值，建立了用水效率表征指标；统筹地区公平和行业协调，建立了用水公平表征指标。目前，缺水流域水资源配置理论和方法方面的研究已取得一定成果，对水资源大系统多目标配置、区域和行业公平性与效率的统筹等方面均取得了一定的成果。

2 存在的问题

2.1 缺少适合黄土高原地区科学合理的水文模型

水文模型模型相对复杂，由于其离散方法和基本假设不同，涉及降雨和下垫面数据资料参数较多，以往流域水文模型在模拟坡面水文过程时，要么采用集总性概念模型，要么将坡面作为均匀面来处理，均没有考虑黄土高原沟谷侵蚀和水保措施的空间分布，不能反映水土保持水文效应的空间差异性，以致在建立水文模型中难以使用，这是制约发展黄土高原流域水文模型的一个重要问题。

2.2 变化环境下降雨-径流-土壤水再分配机理尚不明确

以往研究主要集中在地表径流拦蓄、疏导、存储、调控和利用技术方面，黄土高原沟谷破碎、生态保持工程的实施等多种变化环境下降雨径流运行规律、土壤有效水、雨洪水资源化潜力评价、降雨径流调控及环境效应等相关应用基础研究还相对薄弱，仍缺乏理论依据。

2.3 有效土壤水分的适宜承载力和调节机制研究较为薄弱

在降水量少、植物蒸腾量大、人为扰动剧烈等因素的长期共同作用下，黄土高原土壤水分负平衡现象发生频繁，土壤干燥化日趋严重，严重影响植被生长状况，土壤干层的发生过程和规律以及调控机制是以后的研究趋势[20]。增加黄土高原土壤水库库容和适宜承载力，缓解严重缺水现状，避免土壤干层的产生，为大规模植被建设提供有效水源，同步实现水土资源的安全高效利用。

2.4 水土保持措施的水文环境效应综合评价不够全面

在不明确变化环境水资源转化机制、植被恢复蒸腾耗水机制前提下，因大面积植被建设，耗水量大于降水量，且地下水埋藏深，土壤水分循环处于负平衡所致的生态问题。众多学者所建立的模型仍属于没有具体物理含义的模型，仅能对水土保持资源化环境效应作出简单的优劣判断，综合性定量评价指标和评价方法较为缺乏，有待进一步深入探讨。

2.5 水循环与生态系统的自然恢复和调蓄作用被忽视

黄土高原地区水土资源的调控技术侧重于点尺度上的水土保持及水利工程等调控措施，如动力拦截技术、就地入渗技术、径流蓄存技术以及集蓄灌溉技术等，大多数以点(淤地坝、集雨工程)、线(河道、渠系)连接为核心的传统工程控水模式为主，忽视工程的次生灾害环境影响；未能统筹考虑植被-土壤对减缓水问题的功能，忽视水循环和生态系统的自然恢复和调蓄作用。

3 研究趋势

3.1 极端环境下黄土高原坡面径流优化调控

(1) 黄土高原坡面生态水文过程模拟

以黄土高原水的保持为切入点，科学调控降水、径流、沟道水，确保水资源安全高效利用、减少坡沟侵蚀、生态植被健康可持续生长，从而为实现黄土高原绿水青山以及金山银山提供最基础的水资源保障。借鉴分布式水文模型和3S技术，考虑下垫面空间变异性与非均匀性，通过空间分析、属性提取与尺度转换，构建不同立地情况(坡度、地貌类型：梁峁、坡面、沟谷；土地利用类型：耕地、林地、草地)典型极端暴雨情况下降雨-径流分布式水文模型，揭示黄土高原典型流域产流、集流过程；揭示生态恢复水文演变过程，预测社会经济发展和生态建设工程情景下水循环和水平衡动态趋势，充分挖掘降雨地表径流资源利用潜力，提高水资源的利用效率，为科学调控降雨径流提供理论依据。

(2) 基于微地形和植被格局的雨洪水资源利用

黄土高原全年降水主要集中在夏、秋季节，往往以暴雨形式降落，地表径流多以暴涨暴落的山坡洪水形式流失。因此，开展不同降雨强度和历时情况下基于微地形和植被格局的洪水资源利用研究，提升流域"水弹性"，丰水期既可以削减洪峰，减少小流域的土壤流失和水灾，又能够加大拦蓄，减轻周边和下游洪水威胁；枯水年份既可以基本维持小流域田粮果蔬等基本生产生活，又能够为下游输水，为大流域生态维护供水。

3.2 土壤有效水分及基流量的调控机理研究

(1) 土壤水库的调蓄深度和利用强度提升技术

土壤干层造成土壤水库调蓄能力降低，直接影响着林木发育，黄土高原的“小老头树”就是典型的土壤储水量不足的典型写照，研究不同生态建设措施下流域土壤水时空分布特征、时间稳定性特征，揭示不同生态建设措施对土壤水的消耗与补偿作用，提高土壤水库的调节深度和强度，合理的土壤储水调蓄成为黄土高原生态文明建设和高质量发展的核心问题。刘丙霞研究柠条灌木和苜蓿草地土壤干层的形成发育过程及其动态变化规律[21]，为黄土高原灌草植被管理和土壤干层调控提供科学依据。在以后的研究工作中，对于土壤水库的调蓄深度、利用强度的研究决定水土保持阈值以及生态建设成效的关键。

(2) 基于景观斑块布局的基流量调节

基流是干旱区最重要的枯季水文特征之一，在维持河川径流和维护流域生态安全等方面具有重要意义。目前，基流与景观格局之间相互作用关系深入研究相对较少。景观斑块格局破碎程度、复杂程度都会影响基流量。土地利用景观格局与径流量相关性不是很强，但与基流量和基流指数相关性显著，景观格局对基流具有很强的调控作用。在生态建设中，不仅要注重景观类型的均一化程度，还要重视景观格局对水文过程的响应，应寻求合理的景观格局配置，进而提高流域的生态系统稳定性[22]。

3.3 以水资源荷载和生态健康为约束的黄土高原生态系统自适应调控

(1) 基于现有蓄水保土工程的生态系统自然恢复体系构建

遵循水循环自然规律，按植被生态系统自身规律演替，系统布置和建设人工林草，结合黄土高原已有蓄水保土工程，充分发挥现有的自然要素对水循环多过程的调节作用，实现坡面-河道、地表-土壤-地下、常态与极值过程间的协调多过程间，由工程控水为主向富自然调蓄水转变自然调蓄，让水和沙去其应该去的地方[23]。目前，水土保持工程设施要科学合理布局坡耕地、旱田、垄沟及微地貌特征，提高降水的有效性，充分依靠构建生态系统自然恢复，使人工林草的建设，充分遵循土地的适宜性、生物的多样性和水资源的承载力，在改善生态的同时，防治防止过度生态建设。

(2) 以水资源荷载和生态健康为约束的水资源仿真模拟与调控

水资源短缺和生态环境脆弱是黄土高原面临的亟待解决的关键科学问题，以水资源荷载平衡和生态系统健康为约束，以降雨径流调控技术、水土保持措施进行方案组合，建立水资源仿真模拟模型，采用多目标模型以及智能计算技术，提出黄土高原水资源优化配置格局和配置方案，探索蓄水保土新的协调关系，提高水资源、生态环境系统与其他经济社会要素的匹配性，促进区域水资源、生态环境以及社会经济的协调发展。

3.4 黄土高原水土资源协同利用的智能化技术

为提高快速获取和处理水资源、土地利用信息能力，需要发展空天地一体化探测观测技术，提升创新水土资源利用的监测与信息化理论技术。以遥感影像监测、无人机监测、移动监测等手段为依据，天、空、地相互协调和补充，从不同尺度、不同角度实现水土资源动态监测，并结合大数据智能计算方法进行评估、预测和管理。

4 结 语

目前，黄土高原水土保持工作取得了有效的成果，但水资源调控机理研究及生态环境保护是支撑蓄水保土目标实现的关键，是实现黄河流域生态保护与高质量发展国家战略的必要举措。在黄土高原水资源调控及生态保护过程中，应进一步加强极端环境下黄土高原坡面径流优化调控、土壤有效水分及基流量的调控机理、以水资源荷载和生态健康为约束的黄土高原生态系统自适应调控、黄土高原水土资源协同利用的智能化技术等领域的研究，为黄河流域生态保护与高质量发展提供基础数据支撑和科学研判。