黄土高原以严重的水土流失闻名于世, 总面积62.40万km², 土壤侵蚀面积达39.08万km², 占总面积的62.63%。黄土高原地区的水土流失面积集中:土壤侵蚀模数≥5 000 t/(km²·a)的强度以上水蚀面积达19.1万km², 占全国同类面积的38.8%;侵蚀模数≥8 000 t/(km²·a)的极强度以上水蚀面积8.51万km², 占全国同类面积的64.1%;侵蚀模数≥15 000 t/(km²·a)的剧烈水蚀面积3.67万km², 占全国同类面积的89%;局部地区的侵蚀模数甚至超过3万t/(km²·a)^[1]。

为遏制严重的水土流失, 我国政府在黄土高原开展了大规模的生态治理措施。截至2012年^[2], 黄河上中游地区梯田面积为349万hm², 黄土高原地区平均植被覆盖度提升至60%^[3], 黄土高原共建成淤地坝9万多座^[4], 其中骨干坝5 500多座, 淤成坝地28.63万hm²。

经过治理, 黄河及主要支流输沙量显著下降, 以黄河干流头道拐、潼关、花园口以及利津4个代表性水文站实测数据为基础, 分析近年来黄河水沙变化特征, 不同年代径流量及输沙量统计见表 1。根据M-K检验, 4站年径流量及年输沙量均呈极显著减少趋势(P < 0.001)。以潼关站为例, 1952—1959年, 年均径流量为426.34亿m³, 年均输沙量为18.04亿t, 2010—2015年, 年均径流量为268.38亿m³, 年均输沙量仅1.66亿t。

表 1(Tab. 1)

表 1 黄河干流主要水文站径流量及输沙量变化 Tab. 1 Runoff and sediment yield of the main streams of the Yellow River 时段 Period 头道拐 Toudaoguai 潼关 Tongguan 花园口 Huayuankou 利津 Lijin 年均径流量 Annual mean runoff/108 m3 年均输沙量 Annual mean sediment/108 t 年均径流量 Annual mean runoff/108 m3 年均输沙量 Annual mean sediment/108 t 年均径流量 Annual mean runoff/108 m3 年均输沙量 Annual mean sediment/108 t 年均径流量 Annual mean runoff/108 m3 年均输沙量 Annual mean sediment/108 t 1952—1959 238.38 1.51 426.34 18.04 485.30 16.19 473.96 13.68 1960—1969 271.03 1.83 444.01 14.23 505.97 11.13 501.16 10.89 1970—1979 233.15 1.15 357.35 13.15 379.45 12.34 311.22 8.98 1980—1989 239.11 0.98 369.17 7.81 413.30 7.79 285.97 6.39 1990—1999 157.15 0.41 248.79 7.90 256.89 6.84 140.75 3.90 2000—2009 146.76 0.40 210.43 3.12 231.57 1.03 140.95 1.34 2010—2015 194.65 0.49 268.38 1.66 292.92 0.81 190.75 1.13 多年平均 Mean annual 211.67 0.98 328.52 9.63 367.37 8.21 292.76 6.74

表 1 黄河干流主要水文站径流量及输沙量变化 Tab. 1 Runoff and sediment yield of the main streams of the Yellow River

但是, 在暴雨条件下, 黄土高原局部地区河流输沙量仍然维持在高位。2017年7月25—26日, 无定河流域普降暴雨, 暴雨中心位于绥德赵家砭和四十里铺, 雨量分别为252和247 mm。受暴雨影响, 大理河绥德站洪峰流量达3 290 m³/s, 最大含沙量达837 kg/m³, 为1959年建站以来最大洪水, 无定河白家川站洪峰流量达4 480 m³/s, 最大含沙量达837 kg/m³, 场次洪水输沙量达到7 756万t, 为1975年建站以来最大洪水。

大规模生态治理形势下, 黄土高原侵蚀源地有无变化？典型小流域侵蚀特征如何？防治对策如何？为解决以上问题, 笔者在2017-08-10—08-13对无定河7月26日暴雨进行了调查。

王茂沟是无定河下游的一条小流域, 位于黄土高原丘陵沟壑区腹地, 是黄土高原小流域治理的典范, 坝系布局完善, 坡耕地少, 梯田比例大, 植被覆盖较高。王茂沟流域沟口布设有把口站, 监测径流和泥沙过程, 流域中部安装全自动气象站。2017-07-26暴雨后, 笔者于8月10日对坝地淤积厚度进行调查, 共调查62处。调查点见图 1。

图 1(Fig. 1)

图 1 王茂沟流域监测图 Fig. 1 Monitoring map in Wangmaogou watershed

此次暴雨从2017年7月26日00:05:00起, 2017年7月26日08:15:00止, 降雨历时8 h10 min, 总雨量148.8 mm, 最大5 min降雨强度120 mm/h, 最大30 min降雨强度81.6 mm/h, 最大1 h降雨强度51.2 mm/h, 平均降雨强度18 mm/h。降雨过程见图 2。

图 2(Fig. 2)

图 2 2017-07-26王茂沟雨量站降雨过程线 Fig. 2 Rainfall process in Wangmaogou meteorological station on July 26, 2017

王茂沟把口站最高洪水深度为2 m, 洪峰流量为24.26 m³/s, 最大含沙量为381 kg/m³, 把口站输沙总量为3.56万t, 输沙模数为5 965 t/km²。坝地最小淤积厚度为3 cm, 最大为80 cm, 平均淤积厚度为21 cm, 淤积总量为11.53万t(表 2), 坝地洪水深度最低为15 cm, 最高为250 cm, 平均为59 cm。根据淤积量与输沙量可得知, 本次暴雨产生的侵蚀总量为15.09万t, 土壤侵蚀模数为2万5 280 t/km², 泥沙输移比为0.24。

表 2(Tab. 2)

表 2 2017-07-26次暴雨王茂沟坝地淤积量调查 Tab. 2 Sedimentation investigation in Wangmaogou dam land after rainstorm on July 26, 2017 坝名 Check dam name 坝地面积 Area of dam farmland/m2 平均淤积厚度 Average siltation thickness/cm 淤积量 Sediment amount/t 贝塔沟坝 Beitagou 8 397 9 975 公路坝 Gonglu 5 767 80 6 228 关地沟1号坝 Guangdigou No.1 32 686 17 7 313 关地沟2号坝 Guangdigou No.2 3 837 13 673 关地沟3号坝 Guangdigou No.3 4 251 30 1 712 关地沟4号坝 Guangdigou No.4 21 752 12 3 609 黄柏沟1号坝 Huangbaigou No.1 5 248 10 708 黄柏沟2号坝 Huangbaigou No.2 6 109 12 1 010 康和沟1号坝 Kanghegou No.1 4 539 8 490 康和沟2号坝 Kanghegou No.2 5 354 13 958 康和沟3号坝 Kanghegou No.3 4 003 25 1 332 麻圪凹坝 Mageao 10 314 5 696 马地嘴坝 Madizui 17 487 26 6 125 埝堰沟1号坝 Nianyangou No.1 10 403 64 8 958 埝堰沟2号坝 Nianyangou No.2 25 830 27 9 457 埝堰沟3号坝 Nianyangou No.3 16 181 6 1 404 埝堰沟4号坝 Nianyangou No.4 7 060 4 407 死地嘴1号坝 Sidizui No.1 36 810 32 15 661 死地嘴2号坝 Sidizui No.2 2 299 12 372 王塔沟1号坝 Wangtagou No.1 7 671 12 1 219 王塔沟2号坝 Wangtagou No.2 4 549 17 1 044 王茂沟1号坝 Wangmaogou No.1 41 780 25 14 019 王茂沟2号坝 Wangmaogou No.2 67 670 34 30 936 总计 Total 349 996 - 115 308 注:泥沙质量分数取1 350 kg/m3。Notes:Sediment bulk density:1 350 kg/m3.

表 2 2017-07-26次暴雨王茂沟坝地淤积量调查 Tab. 2 Sedimentation investigation in Wangmaogou dam land after rainstorm on July 26, 2017

表 3(Tab. 3)

表 3 王茂沟流域2012年7月15日暴雨与2017年7月26日暴雨侵蚀特征对比 Tab. 3 Comparison of storm erosion characteristics between 2012-07-15 and 2017-07-26 in Wangmaogou watershed 参数 Parameter 2012-07-15 2017-07-26 降雨量 Precipitation 历时2 h 45 min, 降雨量90.5 mm, 最大1 h降雨强度75.7 mm/h。Duration:2 h 45 min; precipitation:90.5 mm; I60:75.7 mm/h 历时8 h10 min, 降雨量148.8 mm, 最大1 h降雨强度51.2 mm/h。Duration:8 h 10 min; precipitation:148.8 mm; I60:51.2 mm/h 径流 Runoff/(m3/s) 洪峰流量  Peak discharge:4.95 m3/s 洪峰流量  Peak discharge:24.26 m3/s 输沙 Sediment delivery 输沙总量 Total sediment:2.79×104 t, 最大含沙量 Maximum sediment concentration:559 kg/m3, 最大输沙率 Maximum sand transport flux:1 300 kg/s 输沙总量 Total sediment:3.56×104 t, 最大含沙量 Maximum sediment concentration:381 kg/m3 泥沙沉积 Sediment deposition/万t 15.90 11.53 侵蚀总量 Total erosion amount/万t 18.69 15.09 土壤侵蚀模 Modulus of soil erosion 3.13×104 t/km2 2.53×104 t/km2 泥沙输移比 Ratio of sediment transport/万t 0.15 0.24

表 3 王茂沟流域2012年7月15日暴雨与2017年7月26日暴雨侵蚀特征对比 Tab. 3 Comparison of storm erosion characteristics between 2012-07-15 and 2017-07-26 in Wangmaogou watershed

2012年陕北7月15日暴雨, 笔者也曾对王茂沟流域进行过调查, 2012-07-15王茂沟降雨历时2 h 45 min, 降雨量为90.5 mm, 1 h最大降雨量达到76 mm, 坝地共淤积泥沙15.90万t, 王茂沟把口站输沙总量为2.79万t, 流域出口与坝地泥沙总量为18.69万t, 土壤侵蚀模数为3.13万t/km², 泥沙输移比为0.15。2012年总雨量低于2017年, 但是最大1 h降雨强度高于2017年, 导致2012年流域土壤侵蚀模数高于2012年, 同时, 2012年暴雨后, 王茂沟大部分中小型淤地坝溃决, 部分淤地坝后期未进行修补, 部分淤地坝淤满, 导致2017年泥沙输移比提高, 坝系拦沙能力降低。

暴雨条件下, 黄土高原丘陵沟壑区产沙路径为:梯田下部田坎→坡耕地→土质道路→沟壁→淤地坝垮坝→沟道及河道堆土。

1) 梯田下部田坎:暴雨和大暴雨是影响梯田蓄水保土效益的重要因素之一, 随着降雨增大, 保土效益有降低的趋势^[5], 暴雨和大暴雨也是造成梯田破坏的主导因素。李慧娟等^[6]调查发现, 极端降雨下, 梯田侵蚀均以面蚀为主, 并伴随有沟蚀, 自上而下面蚀、沟蚀所占比重及其侵蚀强度越来越大。下部的第8阶梯田, 其侵蚀模数是上部第1阶梯田的60多倍。黄土高原地形较陡, 故田面较窄, 梯田阶数多, 因此, 梯田下部田坎是暴雨条件下黄土高原侵蚀泥沙的1个重要源地(图 3(a))。

图 3(Fig. 3)

图 3 暴雨下黄土高原泥沙来源(a.梯田下部田坎, b.坡耕地, c.道路, d.河道堆土, e.沟壁, f.淤地坝垮坝) Fig. 3 Sediment source on the Loess Plateau under storm (a.Terraced fields.b.Sloping farmland.c.Road. d.Spoil in channel.e.Gully.f.Check dam break)

2) 坡耕地:经过大规模退耕还林(草), 黄土高原坡耕地面积显著减少, 但是部分地区, 坡耕地仍然分布较广, 根据国家发展改革委、水利部印发的《全国坡耕地水土流失综合治理“十三五”专项建设方案》, 黄土高原耕地总面积为1 154万hm², 其中坡耕地面积为460万hm², 占耕地总面积的40%。坡耕地中, 5°~15°缓坡耕地比例为60%, 15°以上陡坡耕地面积为40%。坡耕地一直是黄土高原的主要泥沙来源地, 暴雨条件下, 侵蚀量更高(图 3(b))。

3) 土质道路:土质道路是黄土高原重要的运输通道, 广泛分布在村及地块之间, 在农业生产与经济建设活动中具有重要作用^[7]。土质道路经长期人畜践踏和车辆碾压后, 路面下凹, 成为周围坡面径流汇集与输送的通道, 加之黄土抗侵蚀能力差; 因此, 土质道路侵蚀是黄土高原普遍存在的一种相当严重的侵蚀类型(图 3(c))。

4) 沟壁:沟壁位于峁边线以下的沟谷地带, 坡度极大, 黄土裸露, 难以治理。暴雨条件下, 坡面来水加大, 且坡面经过治理, 含沙量降低, 清水下沟挟沙力增加, 加大了沟壁的侵蚀量(图 3(e))。

5) 淤地坝垮坝:淤地坝垮坝也是黄土高原泥沙的1个重要来源, 超标洪水引起的渗流破坏、放水建筑物受损和漫顶溃坝是造成黄土高原淤地坝溃坝的主要原因。溃坝后, 坝体和坝地泥沙顺流而下, 成为泥沙来源。根据实地察看, 淤地坝溃坝后, 被破坏的坝地面积不大, 但是冲蚀沟很深, 下切严重(图 3(f))。

6) 沟道堆土:随着社会经济发展, 黄土高原地区生产建设项目众多, 生产建设项目产生的弃土, 防治措施不力、不及时, 或者倾倒进入河道, 成为泥沙来源(图 3(d))。

1) 完善小流域→支流→黄河干流三级输沙通道, 保障排沙畅通。在小流域尺度上, 重点应加强淤地坝溢洪道建设, 加快淤地坝除险加固, 提升淤地坝系排洪能力。具体而言, 就是在坝地阴坡一侧(阳坡一般为居民地和道路), 构建完善的排洪渠道。溢洪道下段, 为了防止沟道下切, 破坏已淤满坝地, 应修建为浆砌石溢洪道。对于骨干坝和中型坝, 都应该修建排洪渠道, 以提高支沟内部以及支沟和主沟的连通度, 提升流域排洪能力。

在支流上, 随着我国城镇化进行加速, 城市扩张, 原有河道受到不同程度的挤占, 行洪区修建违章临时建筑。以绥德县为例, 根据遥感解译, 2017年绥德城区面积较1999年增加到800多hm², 增幅达到7倍多, 而河道面积减少了270多hm², 减幅达到68.2%。根据笔者统计, 黄河中游地区, 省会城市有西安和太原, 西安跨渭河、太原横于汾河。地级市有东胜、榆林、延安、天水、离石以及三门峡等17座, 除东胜和西峰外, 其余地级市所在地均临河而建。县(旗、市)级居民地共有172座, 其中临黄河而建的有7座, 跨黄河一级支流的有55座, 跨黄河二级支流的有44座, 其他66座。因此, 城市扩张过程中, 应该科学规划, 给河流预留充足的行洪空间, 对于已经建成的且侵蚀河道的城市, 应实行退城还河, 提高河道的过洪能力。

在黄河干流体系上, 应加快建设完善黄河水沙调控体系, 上游修建黑山峡河段水利枢纽工程, 配合龙羊峡和刘家峡水库调控水沙, 中游修建古贤水库和碛口水库, 与小浪底、三门峡水库配合调控水沙, 将有效地调控黄河上中下游和河口水沙量及其过程, 解决黄河水沙关系不协调的问题, 保障黄河的长治久安^[8]。

2) 持续推进退耕还林(草)和坡改梯工程, 加强坡耕地治理。经过退耕还林(草)后, 黄土高原坡耕地面积大幅减少, 但面积仍然较多。根据笔者调查, 坡耕地单产一般为1 000 kg/hm²左右, 黄土高原460万hm²坡耕地, 粮食总产量为460万t, 2013年, 黄土高原粮食总产量为4 712万t, 坡耕地以40%的比例贡献了大约10%的产量。因此, 仍应推进退耕还林(草)工程以及坡改梯工程, 力争做到黄土高原无坡耕地的理想状态。

3) 加强农村道路建设和坡面径流调控能力, 防治道路和沟壁侵蚀。道路侵蚀与沟壁侵蚀防治是黄土高原土壤侵蚀治理的难点。对于道路侵蚀防治, 要加大投入, 加强农村公路建设以代替土质道路, 达到减少土壤侵蚀与带动农村经济发展的双重目的, 实现生态建设与社会发展双赢。

随着坡面植被恢复程度的提高, 坡面径流含沙量降低, 挟沙力增强, 一定程度上加大了沟壁侵蚀, 新形势下, 呈现出“缓坡产流, 陡坡产沙”态势。对于沟壁侵蚀防治, 应该从“异位”入手, 即减少对沟壁的干扰, 从上应加大坡面径流拦截, 减少清水下沟, 从下应加强沟道治理, 提高侵蚀基准面, 减少沟壁侵蚀。

4) 加强梯田管护。刘晓燕等^[9]发现当梯田上方汇水面积大于下方梯田面积的3倍左右时, 梯田将很难完全容纳上方来水, 极可能出现田埂或边壁破坏现象。新修梯田, 应从峁顶开始, 或是峁顶修建集雨场等, 加强降水集蓄工程建设, 应该因地制宜修建排水渠道、水窖、涝池等径流调控设施, 减少径流下沟, 降低梯田上方汇水面积^[10]。

从产沙角度看, 有埂水平梯田的产沙对降雨强度并不敏感^[9], 因此应加强田埂维护, 有条件的地方可以修建反坡梯田, 降低流速, 减少冲刷。在气候变化条件下, 极端暴雨事件突显, 梯田设计标准应提高。目前, 梯田的防御标准为20年一遇, 应适当提高至50年一遇。

5) 加强生产建设项目监管, 管控建设项目弃土。推进水土保持监测“天地一体化”, 综合应用地理信息科学技术, 通过水土保持监督管理信息系统的信息汇集、处理、传送、自动识别与判断功能, 对生产建设项目水土流失防治责任范围、扰动地表情况、弃渣场数量与位置、水土保持措施落实情况等实施全天候、全覆盖监管, 为水土保持检查、监督执法等提供及时、全覆盖、精准的技术支持, 全面提升水土保持监管水平和能力。加强施工单位生态环境保护宣传, 使低影响开发和环保理念深入人心, 杜绝弃土进入河道。