水利工程論文-水土保持治理對河道系統(tǒng)影響研究的若干基礎理論問題摘要：依據(jù)流域環(huán)境系統(tǒng)的觀點，認為開展水土保持治理應考慮對下游河道系統(tǒng)的影響，并通過近期初步研究，論述了河道系統(tǒng)對流域治理的反饋響應問題。由此，提出了建議開展水土保持治理對河道系統(tǒng)影響的若干基礎理論問題。關鍵詞：土壤侵蝕水土保持治理河道演變流域環(huán)境系統(tǒng)1緒論江河流域多是開放的復雜環(huán)境巨系統(tǒng)。從地貌學的角度而言，該系統(tǒng)是由以坡面為主的能力聚集區(qū)子系統(tǒng)和以河道為主的能量及物質輸移通道子系統(tǒng)構成的。水土保持治理不僅會對坡面生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生影響，而且對下游河道的演變也會有很大作用，就是說，在流域環(huán)境系統(tǒng)下，水土保持的效應具有級聯(lián)性。然而，關于后一效應問題的研究目前并未引起人們的足夠重視。隨著社會經(jīng)濟、科學技術的發(fā)展及山地的大規(guī)模開發(fā)，水土保持在解決江河水患和山區(qū)自然災害中所具有的作用愈加被人們所認識。不過應當看到，水土保持是人類加諸自然環(huán)境的一種外界干預，對其必然有正負兩方面的效應。如果這種干預適應自然環(huán)境的演化規(guī)律，就會促進自然環(huán)境的改善，增加其承載能力；反之，就難以達到治理的目的，可能會以系統(tǒng)性的或大局的損失換取局部或部分的利益，例如，若水土保持治理方案不合理，將對河流系統(tǒng)的水沙組合關系及其輸移規(guī)律產(chǎn)生大的干擾或破壞，很可能在得到流域局部地區(qū)的經(jīng)濟效益的同時而造成下游河道泥沙災害進一步加劇的局面。目前，國內外對流域治理的方法和模式都有不少研究成果，例如，我國80年代提出的以小流域為單元綜合治理的模式，就是我國在流域治理應用基礎理論方面作出的一項重大貢獻。但是，就研究現(xiàn)狀看，這些研究多局限于流域水土流失治理的土壤侵蝕學科范疇，忽視了從流域整體系統(tǒng)出發(fā)，研究河流對流域治理的反饋響應；片面強調了水保措施在流域治理中的減沙效益，而忽視了流域治理對河流水動力學特性及水文學特性、輸沙規(guī)律的影響；更多地研究水保治理對流域大時域平均意義上的產(chǎn)水產(chǎn)沙的影響，而對洪水要素影響的研究有嫌不足；只從總量上研究水土保持的減水減沙效益，忽視了因措施配置方案不宜，而可能造成的不利水沙關系，使河道淤積加劇等問題。這些均屬水土保持建設中存在的重大基礎理論問題，是泥沙災害防治中理論性與實踐性很強的重要科學命題，直接涉及到制定江河治理方略及總體規(guī)劃的科學決策。當前，國家對江河流域治理、生態(tài)環(huán)境保護極為重視，大大加強了投資力度。江澤民同志提出了“經(jīng)過一代一代人長期地、持續(xù)地奮斗，再造一個山川秀美的西北地區(qū)，”的宏大目標。此時對有關水土保持治理效應研究的現(xiàn)狀進行分析并提出加強研究水土保持治理對河道系統(tǒng)影響的幾個重要基礎理論問題是十分有意義的。2研究現(xiàn)狀及問題我國的水土流失相當嚴重，尤以黃河中游黃土高原的水土流失最甚，土壤侵蝕模數(shù)可達20000t/(a5km2)以上。長江流域的水土流失面積近年來有增無減，如以80年代與50年代相比，增加了52.9%210.7%，且部分地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)也增加了30%左右1。自新中國成立以來，黃河流域逐步開展了大規(guī)模的水土保持工作，實施了各類治理措施，在保護和改造當?shù)氐耐恋刭Y源、提高人民的生活水平及改善生態(tài)環(huán)境方面取得了巨大的效益。同時，不同程度地發(fā)揮了減少入黃泥沙的作用。據(jù)統(tǒng)計，黃土高原138個水土流失重點縣，1984年糧食總產(chǎn)比1979年增加了22%，其中陜西、甘肅、山西、內蒙古4省(區(qū))所轄的122個縣，1984年人均收入為1979年的3.7倍。水土流失嚴重的無定河流域經(jīng)過20多年的治理，1984年的糧食總產(chǎn)量為1972年的近3倍。根據(jù)水文法計算，從黃河流域大規(guī)模開展水土保持治理的70年代以來，黃河中游多沙粗沙區(qū)水利、水保工程年均攔減徑流量超過10108m3，80年代的為13.98108m3，70年代年均攔減沙量為3.56108t，80年代為3.95108t2。但是，就黃河下游河道沖淤調整趨勢及近年來的洪災情況看，黃河下游的泥沙災害仍未明顯減輕，甚至在諸如“96.8”洪水期間，盡管流量屬中常洪水，但不少河段水位卻達到或超過有記錄以來的最高值，經(jīng)濟損失也是建國以來最大。根據(jù)19691990年實測資料統(tǒng)計，黃河下游花園口至艾山河段粒徑大于0.05mm的粗泥沙淤積量始終占其來沙量的15%左右。進入80年代以后，粗泥沙淤積量占該河段淤積總量的1/3，比80年代以前的還大32%3。同時，近年來該河段的淤積量占全下游淤積總量的比例有增無減。另外，根據(jù)無定河、禿尾河等黃河支流流域水土保持治理前后的河道沖淤變化分析，盡管經(jīng)治理后取得了一定的減水減沙效益，但在有些年份其支流河道仍是淤積的。分析還表明，一些支流流域治理后，河道的水流輸沙能力不一定能夠增大，特別是對于粗顆粒泥沙，其輸沙能力反而有所降低4因此，從全面防治泥沙災害的角度而言，對上述問題應當引起我們的重視。實際上，從流域地理系統(tǒng)的觀點來說，河流作為其中的主要子系統(tǒng)，其發(fā)育演變與水沙動力輸送的關系極為密切，水沙條件一旦發(fā)生變化，河流必然會以河道的沖淤、形態(tài)變化作出相應的反饋調整。而且，河流的調整方向與水沙條件的變化趨勢具有直接的關系。水土保持措施具有工程、生物等不同的類型，其減水減沙作用是不同的，有的減水效益明顯，有的則減沙效益明顯。不少專家研究均表明5，6，不同類型的水土保持措施的攔水攔沙作用具有很大差異，對流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量及洪水過程有不同的影響。如根據(jù)分析5，黃河支流汾河流域水庫淤地壩等治溝工程措施攔沙量占流域治理措施總攔沙量的65%，梯田、水保林等坡面治理措施攔沙量占35%，相應的攔水量分別占總攔水量的11%和89%。顯然，如果在黃河中游大規(guī)模開展水利水保工程治理，不同的措施配置方案，就會使進入河道的水沙條件產(chǎn)生不同變化，也就直接關系到河道的沖淤演變方向。我們近期的初步研究進一步表明，不同的水土保持措施配置方案，減水減沙效益比是不一樣，對水沙過程的改變，包括對水沙搭配的調整都是不一樣的，下游河道的沖淤變化也相應不同。如根據(jù)多沙粗沙區(qū)個別重點支流的資料分析，只有當減水減沙效益比在某一范圍時，河道的沖淤才能基本達到平衡，否則，淤積反而有所加重8。因此，我們必須從宏觀的角度出發(fā)，依據(jù)流域地貌系統(tǒng)的觀點，進行全流域的整體研究，才有可能解決這些重大問題。只注重水土保持改善農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟的作用，而忽視對河流輸沙及河床沖淤規(guī)律的改變效應，就難以全面解決土壤侵蝕災害問題，就無法真正解決河道淤積、水患災害的問題，就有可能形成“減蝕不減淤”或“減沙不減淤”的局面，因此，必須對江河流域的水土保持治理對水沙組合及運行、河床沖淤演變的影響進行研究，探索出治理下游河道淤積災害的新途徑。坡面及溝道的水土保持治理對進入河道的水沙量及其過程的改變，實際上就是對流域系統(tǒng)內的能量進行了時空上的再分配，破壞了原有長期形成的河流的水動力平衡輸入條件，改變了天然情況下的河流動力特性。作為一種響應，河流的能量耗散過程必然作出調整。河流能耗過程調整的方式、幅度和速率是與水土保持措施對河流系統(tǒng)能量分配的干擾作用大小有關的。因此，認識水土保持治理對河道沖淤調整的影響，應以分析水沙過程的改變與河流動力特性的調整作為基礎和依據(jù)，這也是評價水土保持治理方案合理性的理論前提。從河流系統(tǒng)來說，流域坡面的產(chǎn)水產(chǎn)沙及河道的演變調整是能量耗散的兩個子過程，而在以前的研究中，人們著重注意的是前一過程的變化，忽視了作為流域重要子系統(tǒng)的河流的演變調整問題，多數(shù)僅限于流域的地理因子(如流域面積、緯度等)及地貌因子(如溝壑密度、植被度等)與河流徑流量、輸沙量的關聯(lián)性的分析。關于水土保持措施對河流動力特性的影響研究卻很少。流域治理干預了自然條件下流域系統(tǒng)能量的分配過程，引起河流水動力學特性(包括輸沙水力特性)方面的變化，那么，作為能量耗散的主要形式，河床沖淤演變趨勢亦將進行調整。如對黃河支流皇甫川流域資料統(tǒng)計分析，該流域從60年代以來，各時期單項水土保持措施的配置比例均有差異(表1)，相應地，河流能量(單位時間動量)與河道的沖淤量關系也有所變化(圖1)，根據(jù)對河道發(fā)生沖刷的平均情況初步分析，其變化關系與壩地、草地的面積比(單項面積與總治理面積的比值)顯得較為密切。另外，不同年代的單位水流動量的沖刷量是逐年減小的，至90年代稍有回升(圖2)。根據(jù)統(tǒng)計9，從50年代至90年代，汛期降水量、汛期徑流量及洪水徑流量年內分配是基本相同的，就是說外界輸入流域系統(tǒng)內的能量過程變化并不大，這顯然是與輸至河流的能量過程及水流的動力特性變化有關的?？梢?，河流系統(tǒng)的能量變化對河道的沖淤演變趨勢起著很大的制約作用。認識流域治理對河床演變規(guī)律的影響，對確定江河治理的規(guī)劃設計及治理方略均是極為重要的。表1皇甫川流域不同時期水保措施面積統(tǒng)計表AreasofsoilandwaterconservationindifferentperiodsofHuangfuchuanatershed年份總面積單項措施面積占總面積比例(%)(hm2)梯田造林種草壩地1969141048.586.54.20.81979313814.785.08.91.31989660963.386.68.02.01996634564.983.38.03.8圖1皇甫川不同時段洪水動量與河道沖淤量關系Relationbetweenfloodmomentumandscouring-siltingquantityofchannelbedindifferentperiodsinHuangfuchuanriver張勝利、姚文藝等人曾對無定河、禿尾河、窟野河等支流在流域治理前后的河床沖淤變化作過初步研究。結果表明，流域治理后，有些支流是減淤的，但有些則是增淤的。同時，泥沙輸移比也有變化。Yilmaz,L.曾經(jīng)分析過流域治理對土壤侵蝕和泥沙輸移的影響10，討論了河岸防護、寬度調整以及與流域治理作用間的相互關系。但其討論的問題涉及內容相對有限,如流域治理僅主要針對河岸的治理,對河床的沖淤演變并未進行分析。Stott,T.和Marks,S.對英國中威爾斯plynlimon地區(qū)河流對森林砍伐的反饋問題開展過研究11，主要研究了干流兩岸侵蝕產(chǎn)生的懸移質泥沙量及河岸沖刷量。但也未涉及流域治理對河流的沖淤演變影響問題。圖2不同年代單位動量沖淤量Quantityofscouringandsiltingperfloodmomentumindifferentdecades近來，張仁、程秀文等人就黃河中游攔減粗泥沙下游河道沖淤變化影響作了探討12，認為黃河中游河口鎮(zhèn)龍門區(qū)間攔減1108t泥沙，下游河道可減淤0.5108t0.7108t；吳堡以上減少1108t較粗泥沙，下游可減淤0.7108t0.9108t。該項研究主要分析了黃河中游從1965年1989年長時段、大區(qū)間干流水文站歷年來水來沙和粗泥沙(d0.05mm)對黃河下游河道沖淤變化的影響,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問題,對流域治理后河流能量及水力特性的變化亦未研究。正是由于缺乏關于水土保持治理對河道系統(tǒng)影響的深入、廣泛研究，目前，在制定水土保持治理的原則時，往往未能考慮到水土保持治理對河道系統(tǒng)的復雜影響，總是力圖希望通過水土保持治理減少水土流失，攔截進入下游河道的泥沙，從而，自然達到減輕泥沙淤積災害的目的。實際上，這可能是難以實現(xiàn)的。因為流域系統(tǒng)的演化具有更多的非線性和非確定性的特征，產(chǎn)水產(chǎn)沙、水沙運行是一種復雜的非線性的流域環(huán)境演化過程。而如前述，水土保持治理在改變侵蝕過程的同時，也改變了徑流過程，問題是對這兩個過程改變的結果并不一定能滿足原有的非線性演化關系。但囿于上述認識，在確定水土保持治理模式時人們考慮更多的則是農(nóng)業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)效益。例如，針對黃土高原治理，有人提出了“全部降水就地入滲攔蓄”和以提高經(jīng)濟效益為主的方略。再如有人提出的黃土丘陵溝壑區(qū)小流域水土保持措施優(yōu)化配置的原理和依據(jù)：第一減少土壤侵蝕，就地就近攔蓄入滲；第二充分利用水肥光熱自然資源；第三優(yōu)化土地利用結構；第四各項水保措施有機結合，發(fā)揮整體功能。仍然忽略了水土保持治理對河道系統(tǒng)影響的問題。國外對流域治理模式也進行了不少探討，如Sharma,Ishwar.P.根據(jù)印度Dehradun丘陵區(qū)的自然、社會因素，提出了采用植物措施治理的模式，伊朗選定以發(fā)展農(nóng)業(yè)作為主要核心指標的流域綜合治理模式13。鄧志強等人近期針對河流治理提出了EST314，對研究流域治理措施配置體系的比選具有一定的參考價值。該模式把河流作為生態(tài)系統(tǒng)來管理，強調河流治理必須滿足河流系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的要求，符合生態(tài)系統(tǒng)理論、最大熵原理?？梢钥闯?，這些治理模式或原理基本上均是以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和減少土壤侵蝕作為約束指標選配水土保持治理措施配置體系的，而忽視了對河流演變影響這一涉及到整體流域的社會、環(huán)境問題的重要因素。近期，中國科學院院士殷鴻福等7位著名專家、教授在提出的“21世紀黃河流域系統(tǒng)整體演化趨勢及全流域多維臨界調控模式研究”的建議中指出，在有人類活動和社會系統(tǒng)參與的復雜環(huán)境巨系統(tǒng)演化過程中，存在著制約系統(tǒng)整體行為的“臨界閾值集”。黃河流域環(huán)境系統(tǒng)各要素之間具有相互作用和影響的定性和定量關系，流域治理應當滿足其中的水保措施與產(chǎn)沙的平衡、植被與水沙輸移的平衡等臨界“均衡”點要求。顯然，這也是強調了水土保持治理對河道系統(tǒng)影響的必然性和開展有關問題研究的客觀性、必要性。總之，既然河道是流域系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，而且河道泥沙災害所造成的損失往往是巨大的。因此，在進行水土保持治理時，就必須考慮河道系統(tǒng)的反饋效應，適應河流系統(tǒng)動平衡及可持續(xù)發(fā)展的要求，使水土保持治理建立在整體流域環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調演化的科學基礎之上。3主要基礎理論問題3.1流域治理對河流能量輸入的影響在一定的邊界條件下，河流能量對河床演變趨勢起著制約作用。例如，若動能減小，輸沙能力降低，就不利于泥沙的輸