水土保持治理对河道系统影响研究的若干基础理论问题(姚文艺,彭乃志,杨道富)

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水土保持治理对河道系统影响研究的若干基础理论问题

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姚文艺彭乃志杨道富水利论文:} hm|6@d!t

(黄委会黄河水利科学研究院 黄河水利职业技术学院)

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摘要:依据流域环境系统的观点,认为开展水土保持治理应考虑对下游河道系统的影响,并通过近期初步研究,论述了河道系统对流域治理的反馈响应问题。由此,提出了建议开展水土保持治理对河道系统影响的若干基础理论问题。水利论文? P8TE(?

关键词:土壤侵蚀;水土保持治理;河道演变;流域环境系统

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基金项目国家自然科学基金和水利部联合资助重大项目(59890200)

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作者简介:姚文艺(1957-),男,河南省西华县人,黄河水利科学研究院泥沙所高级工程师,副所长。水利论文L-zd+f c4XZ&F.|

1 绪论水利论文;n#h8U7w7B1`M DH @(]w

  江河流域多是开放的复杂环境巨系统。从地貌学的角度而言,该系统是由以坡面为主的能力聚集区子系统和以河道为主的能量及物质输移通道子系统构成的。水土保持治理不仅会对坡面生态环境变化产生影响,而且对下游河道的演变也会有很大作用,就是说,在流域环境系统下,水土保持的效应具有级联性。然而,关于后一效应问题的研究目前并未引起人们的足够重视。水利论文bn0mq*_PX

  随着社会经济、科学技术的发展及山地的大规模开发,水土保持在解决江河水患和山区自然灾害中所具有的作用愈加被人们所认识。不过应当看到,水土保持是人类加诸自然环境的一种外界干预,对其必然有正负两方面的效应。如果这种干预适应自然环境的演化规律,就会促进自然环境的改善,增加其承载能力;反之,就难以达到治理的目的,可能会以系统性的或大局的损失换取局部或部分的利益,例如,若水土保持治理方案不合理,将对河流系统的水沙组合关系及其输移规律产生大的干扰或破坏,很可能在得到流域局部地区的经济效益的同时而造成下游河道泥沙灾害进一步加剧的局面。水利论文OD.H l_S$^

  目前,国内外对流域治理的方法和模式都有不少研究成果,例如,我国80年代提出的以小流域为单元综合治理的模式,就是我国在流域治理应用基础理论方面作出的一项重大贡献。但是,就研究现状看,这些研究多局限于流域水土流失治理的土壤侵蚀学科范畴,忽视了从流域整体系统出发,研究河流对流域治理的反馈响应;片面强调了水保措施在流域治理中的减沙效益,而忽视了流域治理对河流水动力学特性水文学特性、输沙规律的影响;更多地研究水保治理对流域大时域平均意义上的产水产沙的影响,而对洪水要素影响的研究有嫌不足;只从总量上研究水土保持的减水减沙效益,忽视了因措施配置方案不宜,而可能造成的不利水沙关系,使河道淤积加剧等问题。这些均属水土保持建设中存在的重大基础理论问题,是泥沙灾害防治中理论性与实践性很强的重要科学命题,直接涉及到制定江河治理方略及总体规划的科学决策。当前,国家对江河流域治理、生态环境保护极为重视,大大加强了投资力度。江泽民同志提出了“经过一代一代人长期地、持续地奋斗,再造一个山川秀美的西北地区,…”的宏大目标。此时对有关水土保持治理效应研究的现状进行分析并提出加强研究水土保持治理对河道系统影响的几个重要基础理论问题是十分有意义的。水利论文M,W3P9q5E.R\I

2 研究现状及问题

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  我国的水土流失相当严重,尤以黄河中游黄土高原的水土流失最甚,土壤侵蚀模数可达20000t/(a·5km2)以上。长江流域的水土流失面积近年来有增无减,如以80年代与50年代相比,增加了52.9%~210.7%,且部分地区的土壤侵蚀模数也增加了30%左右[1]。自新中国成立以来,黄河流域逐步开展了大规模的水土保持工作,实施了各类治理措施,在保护和改造当地的土地资源、提高人民的生活水平及改善生态环境方面取得了巨大的效益。同时,不同程度地发挥了减少入黄泥沙的作用。据统计,黄土高原138个水土流失重点县,1984年粮食总产比1979年增加了22%,其中陕西、甘肃、山西、内蒙古4省(区)所辖的122个县,1984年人均收入为1979年的3.7倍。水土流失严重的无定河流域经过20多年的治理,1984年的粮食总产量为1972年的近3倍。根据水文法计算,从黄河流域大规模开展水土保持治理的70年代以来,黄河中游多沙粗沙区水利、水保工程年均拦减径流量超过10×108m3,80年代的为13.98×108m3,70年代年均拦减沙量为3.56×108t,80年代为3.95×108t[2]

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  但是,就黄河下游河道冲淤调整趋势及近年来的洪灾情况看,黄河下游的泥沙灾害仍未明显减轻,甚至在诸如“96.8”洪水期间,尽管流量属中常洪水,但不少河段水位却达到或超过有记录以来的最高值,经济损失也是建国以来最大。根据1969~1990年实测资料统计,黄河下游花园口至艾山河段粒径大于0.05mm的粗泥沙淤积量始终占其来沙量的15%左右。进入80年代以后,粗泥沙淤积量占该河段淤积总量的1/3,比80年代以前的还大32%[3]。同时,近年来该河段的淤积量占全下游淤积总量的比例有增无减。另外,根据无定河、秃尾河等黄河支流流域水土保持治理前后的河道冲淤变化分析,尽管经治理后取得了一定的减水减沙效益,但在有些年份其支流河道仍是淤积的。分析还表明,一些支流流域治理后,河道的水流输沙能力不一定能够增大,特别是对于粗颗粒泥沙,其输沙能力反而有所降低[4]。水利论文)VA&R,[kx|

  因此,从全面防治泥沙灾害的角度而言,对上述问题应当引起我们的重视。实际上,从流域地理系统的观点来说,河流作为其中的主要子系统,其发育演变与水沙动力输送的关系极为密切,水沙条件一旦发生变化,河流必然会以河道的冲淤、形态变化作出相应的反馈调整。而且,河流的调整方向与水沙条件的变化趋势具有直接的关系。水土保持措施具有工程、生物等不同的类型,其减水减沙作用是不同的,有的减水效益明显,有的则减沙效益明显。不少专家研究均表明[5,6],不同类型的水土保持措施的拦水拦沙作用具有很大差异,对流域的产水产沙量及洪水过程有不同的影响。如根据分析[5],黄河支流汾河流域水库淤地坝等治沟工程措施拦沙量占流域治理措施总拦沙量的65%,梯田、水保林等坡面治理措施拦沙量占35%,相应的拦水量分别占总拦水量的11%和89%。显然,如果在黄河中游大规模开展水利水保工程治理,不同的措施配置方案,就会使进入河道的水沙条件产生不同变化,也就直接关系到河道的冲淤演变方向。我们近期的初步研究进一步表明,不同的水土保持措施配置方案,减水减沙效益比是不一样,对水沙过程的改变,包括对水沙搭配的调整都是不一样的,下游河道的冲淤变化也相应不同。如根据多沙粗沙区个别重点支流的资料分析,只有当减水减沙效益比在某一范围时,河道的冲淤才能基本达到平衡,否则,淤积反而有所加重[8]。因此,我们必须从宏观的角度出发,依据流域地貌系统的观点,进行全流域的整体研究,才有可能解决这些重大问题。只注重水土保持改善农业生态经济的作用,而忽视对河流输沙及河床冲淤规律的改变效应,就难以全面解决土壤侵蚀灾害问题,就无法真正解决河道淤积、水患灾害的问题,就有可能形成“减蚀不减淤”或“减沙不减淤”的局面,因此,必须对江河流域的水土保持治理对水沙组合及运行、河床冲淤演变的影响进行研究,探索出治理下游河道淤积灾害的新途径。

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  坡面及沟道的水土保持治理对进入河道的水沙量及其过程的改变,实际上就是对流域系统内的能量进行了时空上的再分配,破坏了原有长期形成的河流的水动力平衡输入条件,改变了天然情况下的河流动力特性。作为一种响应,河流的能量耗散过程必然作出调整。河流能耗过程调整的方式、幅度和速率是与水土保持措施对河流系统能量分配的干扰作用大小有关的。因此,认识水土保持治理对河道冲淤调整的影响,应以分析水沙过程的改变与河流动力特性的调整作为基础和依据,这也是评价水土保持治理方案合理性的理论前提。

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  从河流系统来说,流域坡面的产水产沙及河道的演变调整是能量耗散的两个子过程,而在以前的研究中,人们着重注意的是前一过程的变化,忽视了作为流域重要子系统的河流的演变调整问题,多数仅限于流域的地理因子(如流域面积、纬度等)及地貌因子(如沟壑密度、植被度等)与河流径流量、输沙量的关联性的分析。关于水土保持措施对河流动力特性的影响研究却很少。

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流域治理干预了自然条件下流域系统能量的分配过程,引起河流水动力学特性(包括输沙水力特性)方面的变化,那么,作为能量耗散的主要形式,河床冲淤演变趋势亦将进行调整。如对黄河支流皇甫川流域资料统计分析,该流域从60年代以来,各时期单项水土保持措施的配置比例均有差异(表1),相应地,河流能量(单位时间动量)与河道的冲淤量关系也有所变化(图1),根据对河道发生冲刷的平均情况初步分析,其变化关系与坝地、草地的面积比(单项面积与总治理面积的比值)显得较为密切。另外,不同年代的单位水流动量的冲刷量是逐年减小的,至90年代稍有回升(图2)。根据统计[9],从50年代至90年代,汛期降水量、汛期径流量及洪水径流量年内分配是基本相同的,就是说外界输入流域系统内的能量过程变化并不大,这显然是与输至河流的能量过程及水流的动力特性变化有关的。可见,河流系统的能量变化对河道的冲淤演变趋势起着很大的制约作用。认识流域治理对河床演变规律的影响,对确定江河治理的规划设计及治理方略均是极为重要的。水利论文oQ*|is[&Y@$Jr!h*R

表1 皇甫川流域不同时期水保措施面积统计表

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Areas of soil and water conservation in different periods of Huangfuchuan atershed水利论文$BINV0l_:Fo$o


年份总面积单项措施面积占总面积比例(%)
(hm2)梯田造林种草坝地

1969141048.586.54.20.8
1979313814.785.08.91.3
1989660963.386.68.02.0
1996634564.983.38.03.8

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图1 皇甫川不同时段洪水动量与河道冲淤量关系水利论文 beZur HZW9L3e

Relation between flood momentum and scouring-silting quantity of channel bed in different periods in Huangfuchuan river

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    张胜利、姚文艺等人曾对无定河、秃尾河、窟野河等支流在流域治理前后的河床冲淤变化作过初步研究。结果表明,流域治理后,有些支流是减淤的,但有些则是增淤的。同时,泥沙输移比也有变化。Yilmaz,L. 曾经分析过流域治理对土壤侵蚀和泥沙输移的影响[10],讨论了河岸防护、宽度调整以及与流域治理作用间的相互关系。但其讨论的问题涉及内容相对有限,如流域治理仅主要针对河岸的治理,对河床的冲淤演变并未进行分析。Stott,T. 和Marks, S. 对英国中威尔斯plynlimon地区河流对森林砍伐的反馈问题开展过研究[11],主要研究了干流两岸侵蚀产生的悬移质泥沙量及河岸冲刷量。但也未涉及流域治理对河流的冲淤演变影响问题。

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图2 不同年代单位动量冲淤量水利论文v D:~r|3~.h Ln(D(C

Quantity of scouring and silting per flood momentum in different decades水利论文D)k6i%D6y7g

    近来,张仁、程秀文等人就黄河中游拦减粗泥沙下游河道冲淤变化影响作了探讨[12],认为黄河中游河口镇~龙门区间拦减1×108t泥沙,下游河道可减淤0.5×108t~0.7×108t;吴堡以上减少1×108t较粗泥沙,下游可减淤0.7×108t~0.9×108t。该项研究主要分析了黄河中游从1965年~1989年长时段、大区间干流水文站历年来水来沙和粗泥沙(d>0.05mm)对黄河下游河道冲淤变化的影响,未直接涉及到流域水土保持治理及水土保持措施的配置方案等问题,对流域治理后河流能量及水力特性的变化亦未研究。水利论文?3IUA N3P-?

  正是由于缺乏关于水土保持治理对河道系统影响的深入、广泛研究,目前,在制定水土保持治理的原则时,往往未能考虑到水土保持治理对河道系统的复杂影响,总是力图希望通过水土保持治理减少水土流失,拦截进入下游河道的泥沙,从而,自然达到减轻泥沙淤积灾害的目的。实际上,这可能是难以实现的。因为流域系统的演化具有更多的非线性和非确定性的特征,产水产沙、水沙运行是一种复杂的非线性的流域环境演化过程。而如前述,水土保持治理在改变侵蚀过程的同时,也改变了径流过程,问题是对这两个过程改变的结果并不一定能满足原有的非线性演化关系。但囿于上述认识,在确定水土保持治理模式时人们考虑更多的则是农业生态、生产效益。例如,针对黄土高原治理,有人提出了“全部降水就地入渗拦蓄”和以提高经济效益为主的方略。再如有人提出的黄土丘陵沟壑区小流域水土保持措施优化配置的原理和依据:第一减少土壤侵蚀,就地就近拦蓄入渗;第二充分利用水肥光热自然资源;第三优化土地利用结构;第四各项水保措施有机结合,发挥整体功能。仍然忽略了水土保持治理对河道系统影响的问题。国外对流域治理模式也进行了不少探讨,如Sharma, Ishwar.P.根据印度Dehradun丘陵区的自然、社会因素,提出了采用植物措施治理的模式,伊朗选定以发展农业作为主要核心指标的流域综合治理模式[13]。邓志强等人近期针对河流治理提出了EST3模式[14],对研究流域治理措施配置体系的比选具有一定的参考价值。该模式把河流作为生态系统来管理,强调河流治理必须满足河流系统的可持续发展的要求,符合生态系统理论、最大熵原理。水利论文R&u [C3} Q8pi;O

  可以看出,这些治理模式或原理基本上均是以农业经济和减少土壤侵蚀作为约束指标选配水土保持治理措施配置体系的,而忽视了对河流演变影响这一涉及到整体流域的社会、环境问题的重要因素。水利论文 U'Bj%i-xWB\

  近期,中国科学院院士殷鸿福等7位著名专家、教授在提出的“21世纪黄河流域系统整体演化趋势及全流域多维临界调控模式研究”的建议中指出,在有人类活动和社会系统参与的复杂环境巨系统演化过程中,存在着制约系统整体行为的“临界阈值集”。黄河流域环境系统各要素之间具有相互作用和影响的定性和定量关系,流域治理应当满足其中的水保措施与产沙的平衡、植被与水沙输移的平衡等临界“均衡”点要求。显然,这也是强调了水土保持治理对河道系统影响的必然性和开展有关问题研究的客观性、必要性。水利论文%|#lThP R/BL-@8l

  总之,既然河道是流域系统的一个重要子系统,而且河道泥沙灾害所造成的损失往往是巨大的。因此,在进行水土保持治理时,就必须考虑河道系统的反馈效应,适应河流系统动平衡及可持续发展的要求,使水土保持治理建立在整体流域环境系统协调演化的科学基础之上。水利论文K-M;V8D dw"i9X8I5[

3 主要基础理论问题

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3.1 流域治理对河流能量输入的影响水利论文2D?@O2v g|

  在一定的边界条件下,河流能量对河床演变趋势起着制约作用。例如,若动能减小,输沙能力降低,就不利于泥沙的输移,河床将向淤积抬高方向发展,引起泥沙淤积灾害加重。反之,若动能增加,就有利于河流输沙,河床淤积减轻。因此,分析不同治理措施配置体系下河流能量流的变化,是认识水土保持治理后河道冲淤演变趋势和原因的关键技术基础。

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  河流能量包括水动力因子形成的动能和河流地理因子形成的势能,以及化学、生物等环境因子形成的化学生物能。相对而言,水流动能是河流演变的主要动力来源。水利论文5Kv z5g T2M

3.2 流域治理对河流水动力学特性的影响

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  在分析河流能量变化的基础上,进一步研究不同水土保持措施配置体系对河流水动力学特性的影响。分析内容主要包括河流纵比降、床面糙率、断面形态和流速等。同时,进一步分析输沙水力因子的变化,包括输沙率、悬移质泥沙组成等等。在分析过程中,通过对河流有关参数的统计,将水力、输沙因子的变化同流域治理体系的表征值联系起来,了解治理措施的影响作用。水利论文-o8?9Z4^i XyBk6v1Y

  研究的关键技术问题是水土保持措施不同配置体系对河流水动力学特性影响的关联性数学模拟或反映。对于河流能量而言,其大小与流域降雨等因子具有直接的关联性,即属于第一嵌套关系(或显函关系),水动力学特性与流域面上的各类因子,尤其是与流域治理因素的关系属第二嵌套关系,或隐函关系,其关联性较为复杂,具有一定的模糊性。

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3.3 水土保持治理对河流水文学特性的影响水利论文Z5Rd wYV

  主要是对洪水特性的影响。目前,不少专家认为水土保持治理对一般洪水有明显的影响,可使洪水过程趋于坦化,洪峰流量减小,历时加长。但对大洪水尤其对特大洪水是否有影响,有何影响及影响多大等需要研究,这不仅对认识下游河道的演变趋势是必要的,而且对制定下游的防洪宏观决策和规划也有十分重要意义。

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3.4 水土保持治理对河道演变的影响

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  关于水土保持治理对河道的冲淤演变影响有很多问题需要研究,主要有:流域产水产沙与河道冲淤演变的关系、流域治理后河床冲淤变化、横断面形态调整、纵剖面调整等等,及其与流域治理的关系。水利论文Z Obo Uda

  在大的流域自然地理系统中,一定的自然地理背景决定着特定的河流演变规律,这种演变规律实质上是河流为适应集水区内各种地理环境因子繁纷复杂演化过程的一种由无序到有序的自组织功能的体现,就是说,河流的性质和演变过程集中反映了流域控制变量的影响,这些变量共同决定着河流的水文泥沙特征、河道形态特征和演变趋势。水利论文GT s q6pN!p R.Q

  尤其对于黄河这类含沙量大的河流,其下游河道特征及其演变规律是在具有中游水土流失极为严重的黄土高原地理背景下经漫长时期形成的,一旦开展大规模的水土保持治理,不仅直接改变了土壤侵蚀的环境演化过程,还必然使径流量及其过程受到调蓄或干扰。而正如上述,在流域环境系统行为中存在着集水与产沙、供水与河道演变的平衡阈,当水土保持治理达到一定规模后,流域环境系统的行为将逾越这种阈,各项控制因子演变过程将处于一种突变性的振荡态势,不过,这种演变过程却又总是力求达到另一种新的平衡,建立相应的阈。各级支流是直接受到感应的第一层次。因此,分析水土保持治理对河道演变影响的科学关键点是搞清水保措施与产沙、产水产沙与河道演变的平衡阈关系,并以支流作为基本层次,研究下游河道演变对水土保持治理的反馈响应。水利论文4W ?ek8Z

3.5 水土保持治理方案的河流效应约束参数的研究

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  从流域环境系统的观点,水土保持治理的主要目标应获得三方面的效益,即防治土壤侵蚀效益、农业增产效益及减少河道泥沙淤积灾害效益(或作用),而这三方面的效应具有相互联系、相互平衡的关系,这种关系受约于流域系统整体稳定运行的要求。事实上只有此,才可能实现整体流域社会、经济等方面的可持续发展。关于水土保持治理减少土壤侵蚀效益及农业增产效益的约束参数已有不少研究,但如何选择减少河道泥沙淤积效益或水土保持治理的河流效应的约束参数需开展研究,同时,关于河流效应同其它效应间的关系以及在考虑河流效应约束条件下水土保持措施配置体系的比选原理及依据也是应开展研究的重要的基础理论问题。

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