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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
作者:姚文艺, 彭乃志,杨  时间:2007/11/25 12:10:00  来源:论文天下论文网

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。

关键词:土壤侵蚀 水土保持治理 河道演变 流域环境系统

 

1 绪论

  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。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,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。

  随着社会经济、科学技术的发展及山地的大规模开发,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,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。

  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及水文学特性、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。此时对有关治理效应研究的现状进行分析并提出加强研究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。

2 研究现状及问题

  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()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10×108m380年代的为13.98×108m370年代年均拦减沙量为3.56×108t80年代为3.95×108t[2]

  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19691990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]。

  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。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[56],不同类型的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%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。

  坡面及沟道的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,这也是评价治理方案合理性的理论前提。

  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。关于措施对河流动力特性的影响研究却很少。

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