鄂尔多斯砒砂岩区降雨径流资源调控与高效利用研究进展

陈伟伟，姚京威，郜晓辉

(1.黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室， 河南 郑州 450003；2.邯郸市水利水电勘测设计研究院， 河北 邯郸 056001)

鄂尔多斯高原是砒砂岩集中分布区。受区域岩层自身的物理、化学性质以及当地特殊的自然、人文环境等影响，砒砂岩极易发生剥落，遇水如泥、遇风成砂，极易产生水土流失，故被称为“世界水土流失之最”、“地球环境癌症”[1-4]。相关研究表明[5-16]，含水率对砒砂岩的抗剪强度影响明显，黏聚力随含水率的增加呈规律性快速降低，水力、风力、冻融等多动力复合侵蚀剧烈，土壤侵蚀模数高达3×104～4×104t/(km2·a)，暴雨发生时所形成的高含沙洪流是黄河粗泥沙的主要来源。

径流调控理论是有效防治水土流失的科学指南，该理论认为坡面径流是引起水土流失的主要因素[17-20]。合理采用径流调控理论是治理鄂尔多斯高原水沙问题的关键[21-23]。经过多年治理，该区域生态环境明显改善。但是，如何对鄂尔多斯砒砂岩区的雨水径流资源进行高效利用仍是亟待深入研究的科学问题。近年来，国内外学者[24-32]系统分析了砒砂岩区岩性特征与物质成分，以“砒砂岩资源化”的创新思维提出了雨水径流资源高效利用途径，开展了抗侵蚀促生态治理方式的探索，这对于根治砒砂岩区粗泥沙之源，保障黄河安澜等具有重要意义。可见，着力增加区域生态环境的可持续性，不断提高生态系统质量和稳定性，对于加固鄂尔多斯高原生态安全屏障尤为重要[33-35]。

本文在国内外同行研究成果的基础上，对当前有关降雨径流规律、径流高效利用与调控等进行了综述，分析了研究中存在的主要问题，提出了未来的研究方向，可为开展相关课题研究提供参考。

1 砒砂岩区水沙规律研究进展

对于砒砂岩区降雨径流规律的研究，许多学者开展了室内模拟实验、野外原状砒砂岩区产流模拟试验和数值模拟研究。杨吉山等[36]在野外通过放水冲刷试验，研究了白色、红色人工原状砒砂岩坡面的产流产沙过程，结果表明，原状砒砂岩坡面水流平均流速与流量呈幂函数关系。魏霞等[37]利用室内模拟实验，探索了陡坡坡面发育细沟的水动力学特性。Zhang等[38]在不同降雨强度和坡度条件下开展了降水模拟实验，结果表明，砒砂岩斜坡上沉积物颗粒的选择性和运移主要受地表水动力参数的影响。苏涛等[39]通过室内模拟实验，对不同冲刷流量和不同坡度的坡面径流水动力学特征进行研究，结果表明，雷诺数随着冲刷流量的增加而增大，但弗劳德数的变化态势与其相反；当冲刷流量大于4 L/min时，径流流态为紊流和急流，其余坡面流态为层流和急流。卫午毓等[40]通过模拟室内风力、水力、冻融条件，进行了单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀三种营力组合实验，揭示了复合侵蚀条件下砒砂岩区产流产沙规律。郭雒敏等[41]采用人工模拟降雨开展溅蚀试验，分析了砒砂岩区的击溅侵蚀机理。此外，还有一些学者采用水文模型对砒砂岩区的水沙过程进行了研究。李二辉等[42]根据黄河中游砒砂岩区9个水文站长系列实测水沙资料，应用SWAT模型对流域水沙产输过程进行模拟，结果表明SWAT模型具有良好的适用性。胡剑汝等[43]利用WEPP模型对不同侵蚀治理措施下的砒砂岩区径流泥沙情况进行了模拟预测，表明WEPP模型可有效模拟砒砂岩区坡面的径流及泥沙过程。亓潘[44]采用AnnAGNPS模型对砒砂岩区石灰川流域进行产流产沙模拟，但由于模型所需数据庞大，部分参数通过经验获得，其在砒砂岩区的适用性尚未得到充分验证。

总之，砒砂岩区域的水沙关系研究在现场试验和数值模拟方面均取得了一定进展，为深入研究砒砂岩区降雨径流规律提供了有力的科学理论支撑。未来仍有待于从砒砂岩区域的产流、产沙机理过程研究着手，并对数值模型不断改进，以期为区域生态环境治理提供更加科学合理的参考依据。

2 砒砂岩区水沙调控研究进展

砒砂岩区径流调控主要包含植物措施和工程措施。其中，植物措施主要有防护林带、护岸林、经济林、沟底防冲林、防护埂、护坡植物以及沙棘“柔性坝”等。植物的存在对径流在坡面流动有明显的阻挡和缓冲作用，产流初期速率增加较快，随着降雨历时的延长，水分不断入渗土壤，产流速率增幅很小，直至达到稳定产流状态。随着流量增加，产流时间提前，产流速率随流量增大呈明显增加趋势。小流量情况下植物阻碍水流推进、调控作用更明显。

王浩等[45]根据砒砂岩区沙棘“柔性坝”野外试验，研究了沙棘“柔性坝”对砒砂岩沟道泥沙的影响，验证了单座沙棘“柔性坝”具有“淤粗排细”的分选功能和良好的拦沙效果。杨方社等[46-47]基于野外试验研究了不同含沙水流条件下沿程含沙量变化主要受沙棘“柔性坝”阻力的影响，开展了基于PIV技术的沙棘“柔性坝”影响下水流表面流速沿程变化特性试验分析。李浩等[48]基于沙棘“柔性坝”拦沙试验，分析了不同种植参数对砒砂岩沟道水流含沙量及粒径分布的影响，为沙棘“柔性坝”在砒砂岩区推广应用提供理论依据。Yang等[49]提出了一种新型生态工程沙棘“植物柔性坝”，利用一维沉积物和水的数学模型模拟了双重沙棘柔性水坝在砒砂岩区沟道内7 a后沉积物的保留效果，为砒砂岩区双重沙棘柔性水坝的设计和种植提供了技术支撑。Liang等[50]在沙棘“柔性坝”的基础上提出了一种采用固结材料与植被相结合的新型综合控制模型，在实验室和实际现场演示中均取得了较好的效果，为进一步研究生态承载力提供了依据。

径流调控工程措施主要有水平沟、鱼鳞坑、沟边埂等坡面工程，以及沟道工程和沟头防护工程。坡面工程可有效调控坡面径流，进而防止坡面水土流失，并且能将分散的坡面径流集中输送到蓄水工程，大幅度提高水资源利用率[51]。沟道工程主要包括拦沙坝、淤地坝和小型水库等，可有效防止沟头前进、沟床下切、沟岸扩张，并且调节山洪洪峰流量，进而减少径流中的泥沙含量[52]。沟头防护措施可有效制止坡面暴雨径流由坡面进入沟道或调控进入沟道，制止沟头前进，保护地面不被沟壑切割破坏[53]。

上述工程措施基本属于点状措施，各种措施协同配合的治理模式不仅大幅度保留了原状坡面形态，又有局部微地形的塑造，从而实现了坡面纵向径流集中位置的横向拦截，增加径流定向、定位富集能力，提高降雨入渗率，起到了拦截径流和沉积泥沙的作用[54]。

3 雨水径流资源高效利用研究进展

水土流失和干旱缺水并存是制约黄土高原地区可持续发展的关键核心问题。20世纪90年代，朱显谟院士提出了以“全部降水就地入渗拦蓄利用”为核心的黄土高原国土整治28字方略[55]。在“九五”科技攻关、“十五”重大科技专项(863计划)等的研究过程中，“新型高效雨水集蓄与利用技术研究”被列为前沿与关键层次创新课题。

近年来，科研人员在黄土高原相继开展了降雨入渗过程以及地表径流拦蓄、疏导、储存、调控和利用等方面的研究，为雨水资源化奠定了基础。吴普特等[55]从降雨产生的地表径流和降雨入渗补给的土壤有效水两方面分析了黄土高原的雨水资源化潜力。高学睿等[56]、张宝庆等[57]基于可变下渗容量模型计算了黄土高原近40 a逐月雨水资源化利用潜力，提出土壤有效水是雨水资源化潜力的主要组成部分。赵旗[58]基于黄土高原产流特征和水循环规律，利用SWAT模型对气候变化以及人类活动对雨水资源化利用潜力进行定量评估，结果表明，气候变化为雨水资源化利用潜力的主要因素且为正面影响，土地利用变化为次要因素且为负面影响。Zhang等[59]利用VIC模型量化了黄土高原地区雨水收集潜力，根据可变的入渗能力模型描述过去40 a的时空变化特性，为指导世界范围内雨水收集技术研发提供参考。杨振华等[60]结合喀斯特地区土石界面对蓄满产流、超渗产流的影响以及坡面流、壤中流、裂隙流相互作用转化机理，研究了喀斯特地区坡地产流过程及其利用技术。

当前，雨水径流资源化利用技术主要包括雨水收集、雨水储存、雨水净化和雨水灌溉技术[61]。蔡瑜等指出对坡地径流进行汇-引-集于一体的综合利用可有效调节水资源时空分配不均的问题。此外，大型水库可对地表径流进行调控，在汛期有效拦蓄洪水，并在枯水期保障充足的灌溉用水[62]。

提高砒砂岩区域降雨径流资源的利用效率具有重要的现实意义。因此，需要对其产流机制开展深入研究，构建砒砂岩区降雨径流产流水文模型，研发降雨径流汇集、储存以及集雨补灌等新技术、新方法、新措施，以达到合理调控利用地表径流、减缓水土流失的目标。

4 砒砂岩区径流资源高效利用模式

根据不同下垫面条件下的产汇流特点，结合已有相关研究成果，提出了覆土区、覆沙区、裸露区三种砒砂岩区域的径流高效利用措施与模式，见图1—图3。

注: A为坡顶，B为45°以上沟坡，C为45°以下坡面，D为沟道

注: A1为油松，A2为柠条，A3为沙棘，A0为水平沟

注: D1为沙棘，D2为人工牧草，E1为沙柳

覆土区模式可概括为：“坡顶梯形沟网截流，林草甘草间作”，即采用水平截流沟+分流沟径流拦蓄模式、枣树+甘草间种经济产业模式、柠条+油松分行种植+径流利用模式、汇水面出口集水桶径流收集+苔藓+滴灌+径流利用模式、坡顶苔藓砖路面水土流失(侵蚀沟)治理模式、鱼鳞坑+竹节沟+截流沟综合径流拦蓄模式等。

覆沙区模式可概括为：“坡顶等高挖沟，沟间植沙柳甘草防风蚀，沟间草障固沙，竖向节节设池蓄渗，地衣结皮护梗”，即采用水平截流沟+纵向沟径流拦蓄模式、沙障+草苜蓿(红花色)+紫花苜蓿(紫花色)模式、截流沟苔藓基质+深根植物(沙打旺，或当地相关属性的植物)拦蓄利用阻渗综合治理模式、汇水面出口集水桶径流收集+滴灌+径流利用模式、柠条+沙棘+甘草+截流沟(截流埂)植物综合措施模式等。

裸露区模式可概括为：“坡顶沟网纵横拦水保塬，林果混交经济灌草提效”，即采用水平+截流沟拦蓄模式、坡顶苔藓+串根植物(地椒、细叶韭、乌拉甘草等，可适当增加相关同属性草本植物)模式、山桃+山杏+甘草混合种植经济产业模式、汇水面出水桶径流收集+滴灌+径流利用模式、柠条+油松分行种植径流利用模式、鱼鳞坑+截流沟综合径流拦蓄模式等。

5 展 望

本文主要回顾了鄂尔多斯高原砒砂岩区有关降雨径流水文模拟、径流调控以及径流资源高效利用等方面的研究进展，提出了三种砒砂岩区径流高效利用模式。但是，有关砒砂岩区水文模拟研究尚处于起步阶段，对于砒砂岩区产汇流机制、雨水径流资源调控与高效利用等有待深入研究。

(1) 当前砒砂岩区小流域径流产生过程研究亟需深入。选择适用性较强的模型对砒砂岩区径流进行模拟，探索砒砂岩区小流域产汇流机制，通过野外试验与室内实验相结合的方式对各因子物理意义、参数确定等进行验证，模型模拟结果不仅可为砒砂岩治理技术效果提供基本支撑，而且有助于探索径流利用的最佳时期、位置和对应的技术手段，对于拦蓄径流的非工程措施和工程措施的选择提供科学依据。

(2) 鄂尔多斯高原水文过程不仅要以精确的试验设计和长期的精准观测为基础，更需要融合多学科。可见，有关砒砂岩区生态水文过程尺度转换将是重要的科学技术问题。基于同位素示踪技术和探针技术，从元素平衡与质量守恒两方面探讨生态水文过程中水分在不同界面的转移与分配模式，这对于定量研究区域水资源承载力具有重要意义。同时，采用多尺度、多要素、多时空的综合观测与模拟，从微观和宏观角度分析生态水文过程以及集成化研究，完成水文过程由土壤-植被-流域-区域直至景观格局的尺度转换。

(3) 随着全球气候的变暖，本已十分缺水的鄂尔多斯面临着更加严峻的缺水局面。鄂尔多斯高原复合侵蚀的严重性会导致其生态系统急剧退化，同时，其发生区域也属于生态环境脆弱区。因此，搭建野外径流小区观测体系，融合水力、风力、冻融等模拟技术，提出基于多动力复合侵蚀模型试验的相似理论，研究全链条的相似模拟技术体系，可为砒砂岩区有限水资源和脆弱地质条件下充分挖掘雨水资源利用潜力提供科学依据。