浅析生态冗余理论与流域综合治理

袁龙凯

(临汾市水土保持科学研究所)

生态系统的稳定性是生态学研究的核心问题之一。基于生态学稳定性的机制，生态学家先后提出了各种理论，而冗余理论就是其中重要的一种。与此相似，流域治理的基本问题，就是流域抵御一定频率降雨径流侵蚀力的能力，也就是解决在一定频率降雨径流下的流域相对稳定性的问题。因此，从生态学、生态冗余角度研究流域治理及各种水土保持措施的优化配置，无疑有益于流域治理在理论和实践上的创新与发展。

1 生态冗余理论

1.1 冗余与系统稳定性

冗余(redundancy)概念，来源于自动控制系统可靠性理论。一般系统由多个元件组成，元件一定程度的冗余可使系统或设备获得高可靠性、高安全性和高生存能力，即有益于系统的稳定性。

1.2 冗余度

冗余理论还有一个十分重要的测度概念“冗余度”，用于具体评判、测度系统的稳定性。因此，系统的冗余大小对系统的稳定性具有重要影响。系统的冗余过小，系统将难以长期保持在相对稳定状态上，冗余过大对增加系统的稳定性固然有好处，但往往造成浪费，加重系统的负担。

系统的冗余程度可用冗余度来衡量。冗余度(redundancy degree)以备用的倍数来表示，即备用元件数与工作元件数之比。

1.3 生态冗余

生态冗余理论是冗余理论在生态学方面的具体运用，是用冗余理论解决生态的稳定性。

从系统学的角度来看，区域生态系统由多种有联系的组件(各种动物、植物)构成，这种构成方式也是多种多样的。按元件或组分的排列组合方式构造形式，生态系统中的组件有些按并联方式组合，另一些按串联方式组合，或者兼而有之。多种多样的构造组合形式，形成了一个相对独立的生态系统，并决定着它的稳定性程度。

在串联结构中，当系统的组件数目增大时，链长增大，系统的可靠性或稳定性便急剧下降，并且任何一个组件损坏或失效，都会引起整个系统的崩溃。

在并联结构中，当备用组件的数目增大时，冗余组件增加，整个系统的可靠度也迅速增大，且当某个组件因意外或超强干扰而失效时，其余组件仍能正常工作，保持系统功能的正常发挥，不会导致系统崩溃。采用这种并联结构，即以备用组件来提高整个系统的可靠度或稳定性，就叫做“冗余”。

因此，提高系统可靠性的途径之一是为可靠性低的组件提供备用组件。从这点可进一步提出另一种途径，即提高可靠性低的组件的可靠性，使其成为可靠性高的组件。

生态系统的冗余程度也可用相应的冗余度来衡量。党承林等研究［1］冗余度在3－20倍之间，生态系统的稳定性比较适宜，即生态系统的稳定性和经济性可兼备。冗余度低于2的系统十分罕见，即使有也是暂时的。

2 流域治理的生态学分析

从生态学角度看，流域是一个相对独立的生态单元，即生态系统。因此，流域的生态稳定性也是流域的核心问题。这里，特指进行水土保持综合治理的流域。

从流域水土保持治理来看，其本质是增强流域对一定频率的降雨、径流等的水力侵蚀抵抗力，使流域在一定频率暴雨径流侵蚀力下保持的相对土体稳定，也就是流域的稳定性，其显著标志是流域出水口出流出持续的清水或较小泥沙的水流。

流域各个部位的各种水土保持措施(组件、成分)，构成流域的水土保持防护体系，这种防护体系的稳定性就成为流域的稳定性。当这种体系有较高稳定性时，流域土壤、土体得到有效保护。同时，因流域治理水与土的辨证关系，治理水土流失与保持水和蓄存水的统一，流域水资源也得到了相应的保护。因此，可以说流域治理达到预期目标，流域治理获得成功，流域水土保持防护体系完整高效，流域稳定性可靠。

3 流域治理的生态冗余分析

3.1 流域的水土保持措施串联形式

流域是一个流水地貌，降雨形成的径流，从流域分水岭或塬面开始，经坡面汇向沟道。在这个过程中，径流量逐步增大，破坏力逐步增强，直至流出流域，完成对流域的侵蚀。

流域治理主要是在流水经过的各个地貌部位，布设相应的水土保持措施，以减少、减轻降雨、径流对土壤和土体的破坏力，并形成整体的水土保持防护体系。由此可见，在这种情况下，不同流域部位的水土保持措施，更多地表现为组件的串联结构形式。

从生态稳定性的串联形式分析看，串联形式的组件越少越好，越有利于流域的治理。在实际治理实践中，对相对沟长长的流域应给予更多的关照度，提高相应的设计标准;同时，采取科学的规划，合理分段分区保持局部的相对独立性，集中划片，减少组件，缩短链长，使得治理措施的分布更有目的性，以取得更好的治理效果。

此外，对于提高系统可靠性低的组件的可靠性，使其成为可靠性高的组件，以增加稳定性的方法，在具体的治理活动中是十分困难的。这是由于水土流失形式的多样性和复杂性，导致单项措施运用的防护效果不理想。如在我国南方某些地域的乔木防护林，郁闭度在90%以上，但防护性能却很差，这是由于地面无地被物，从生态冗余角度看，即组件单一，没有生态冗余所致。

3.2 流域的水土保持措施并联形式

从流域各个部位来看，降雨首先对地面进行击溅侵蚀，继而形成层状面蚀，进一步形成细沟状面蚀。措施组件更多的表现为并联形式。例如造林，树冠对雨滴的拦截缓冲分流，地被物进一步缓冲雨滴对地面的冲击，各种造林整地形式，如截水沟、鱼鳞坑、水平条、反坡梯田、径流林业整地等，形成稳定的并联结构。再如道路侵蚀治理，首先需对路面进行硬化，道路内侧修筑排水沟，收集路面及旁侧坡面径流并引向蓄水设施，再加上道路绿化和路坡植被建设，如此形成完整的道路治理的并联结构。即使沟道治理工程措施也具有这种特性。

从生态稳定性的并联形式分析看，并联形式的组件越多越好，越有助于提高治理效果。从流域治理的实践看，就是增加一定地段或区域的水土保持措施数量，使措施高覆盖地面。从生态系统的稳定性对冗余度的要求来看，这种组件的冗余度应达到3，也就是说，一定地段的水土保持措施起码应达到4种以上，才能使该地段的水土流失治理达到相当程度的稳定。

3.3 流域治理中生态冗余理论的具体应用

在进行治理的流域，实际上是一个“流域—人”的复合生态系统。作为流域治理的主体，人对林业、农业的抚育管理措施和沟道工程措施产生影响，这种影响的持续性、普遍性、能动性和深刻性，使得人的活动目的性增强。作为一个冗余度，这也体现了治理流域与自然生态系统的不同之处，也体现了人作为流域治理主体的重要性，使得生态冗余理论在实际应用中具有较高的可操作性。因此，在具体确定稳定生态冗余度时，考虑人的因素组件后，其他措施组件冗余度可以为2，也就是说，一定地段或区域的水土保持措施应达到3种以上。

如对于塬面，首先进行塬面梯田(软埝田)建设，并保持向内的反坡。同时，进行横坡等高耕作，并在梯田上培埂，进一步防止径流流出塬面，达到3种以上措施，可使冗余度至少等于2。

如对于坡面的水土保持防护林，首先进行不同形式的整地，种植适宜的水土保持树种，林地上部还应设一道截水沟，以防止径流冲刷林地。在造林初期，为尽快提高植被覆盖率，应加强对空白间隙的种草措施布置。

对于居民区治理，首先每个院落都应有设施完善且有一定蓄水量的旱井或旱井群，院落空地可开辟一定面积的菜园，增加对降雨的入渗与利用，其余部分可进行不同形式的硬化，以减少进入旱井的泥沙。同时，应设置一定的排水设施，将多余水量排出院落。对于村庄，也应在低洼处设置蓄水工程，以集蓄地表径流，满足公共需要。

对于沟道地段，在梁峁(塬面)、沟坡、道路等区域进行有效治理的基础上，沟道来水量将会大幅度减少，如淤地坝等沟道工程的应用就会少得多且降低标准，小型淤地坝甚至各种型式的谷坊或谷坊群，就能起到较好治理效果，从而节省投资。治沟工程也应配套排水、排洪工程，使沟道得到理想的治理。

4 结论

从现有的各种流域治理措施设计及流域治理规划来看，流域水土流失治理防护体系的稳定性都是在一定频率降雨径流下的防护性能。目前，虽然对评价流域治理效果的具体降雨径流频率不能精确确定，但在具体实践中，不影响我们直观地评价流域治理优劣的辨识。而生态冗余理论在流域治理上的应用，增加了对流域治理效能的评价和比较手段，并使对治理措施布置的可靠性奠定了一定的理论基础。即使初步地、十分粗浅地在流域治理中应用生态冗余理论，我们仍能得到一些有益的启示和初步结论，可见该理论具有一定的实际应用价值。

［1］党承林，等.生态系统的能量冗余与热力学第二定律［J］.生态学杂志，1999(1):51－58.