水土保持治理對河道系統影響的幾個基礎理論問題

摘要：河道是流域系統的一個重要子系統，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的反饋效應，適應河流系統動平衡及可持續(xù)發(fā)展的要求，使水土保持治理建立在整體流域環(huán)境系統協調演化的科學基礎之上。由此，提出了建議開展水土保持治理對河道系統影響的若干基礎理論問題。

關鍵詞：水土保持治理；河道系統；基礎理論

江河流域多是開放的復雜環(huán)境巨系統。從地貌學的角度而言，該系統是由以坡面為主的能力聚集區(qū)子系統和以河道為主的能量及物質輸移通道子系統構成的。水土保持治理不僅會對坡面生態(tài)環(huán)境變化產生影響，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)境系統下，水土保持的效應具有級聯性。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，將對河流系統的水沙組合關系及其輸移規(guī)律產生大的干擾或破壞，很可能在得到流域局部地區(qū)的經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水產沙的影響，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。此時對有關水土保持治理效應研究的現狀進行分析并提出加強研究水土保持治理對河道系統影響的幾個重要基礎理論問題是十分有意義的。

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，就不利于泥沙的輸移，河床將向淤積抬高方向發(fā)展，引起泥沙淤積災害加重。反之，若動能增加，就有利于河流輸沙，河床淤積減輕。因此，分析不同治理措施配置體系下河流能量流的變化，是認識水土保持治理后河道沖淤演變趨勢和原因的關鍵技術基礎。

河流能量包括水動力因子形成的動能和河流地理因子形成的勢能，以及化學、生物等環(huán)境因子形成的化學生物能。相對而言，水流動能是河流演變的主要動力來源。

2 流域治理對河流水動力學特性的影響

在分析河流能量變化的基礎上，進一步研究不同水土保持措施配置體系對河流水動力學特性的影響。分析內容主要包括河流縱比降、床面糙率、斷面形態(tài)和流速等。同時，進一步分析輸沙水力因子的變化，包括輸沙率、懸移質泥沙組成等等。在分析過程中，通過對河流有關參數的統計，將水力、輸沙因子的變化同流域治理體系的表征值聯系起來，了解治理措施的影響作用。

研究的關鍵技術問題是水土保持措施不同配置體系對河流水動力學特性影響的關聯性數學模擬或反映。對于河流能量而言，其大小與流域降雨等因子具有直接的關聯性，即屬于第一嵌套關系(或顯函關系)，水動力學特性與流域面上的各類因子，尤其是與流域治理因素的關系屬第二嵌套關系，或隱函關系，其關聯性較為復雜，具有一定的模糊性。

3 水土保持治理對河流水文學特性的影響

主要是對洪水特性的影響。目前，不少專家認為水土保持治理對一般洪水有明顯的影響，可使洪水過程趨于坦化，洪峰流量減小，歷時加長。但對大洪水尤其對特大洪水是否有影響，有何影響及影響多大等需要研究，這不僅對認識下游河道的演變趨勢是必要的，而且對制定下游的防洪宏觀決策和規(guī)劃也有十分重要意義。

4 水土保持治理對河道演變的影響

關于水土保持治理對河道的沖淤演變影響有很多問題需要研究，主要有：流域產水產沙與河道沖淤演變的關系、流域治理后河床沖淤變化、橫斷面形態(tài)調整、縱剖面調整等等，及其與流域治理的關系。

在大的流域自然地理系統中，一定的自然地理背景決定著特定的河流演變規(guī)律，這種演變規(guī)律實質上是河流為適應集水區(qū)內各種地理環(huán)境因子繁紛復雜演化過程的一種由無序到有序的自組織功能的體現，就是說，河流的性質和演變過程集中反映了流域控制變量的影響，這些變量共同決定著河流的水文泥沙特征、河道形態(tài)特征和演變趨勢。

尤其對于黃河這類含沙量大的河流，其下游河道特征及其演變規(guī)律是在具有中游水土流失極為嚴重的黃土高原地理背景下經漫長時期形成的，一旦開展大規(guī)模的水土保持治理，不僅直接改變了土壤侵蝕的環(huán)境演化過程，還必然使徑流量及其過程受到調蓄或干擾。而正如上述，在流域環(huán)境系統行為中存在著集水與產沙、供水與河道演變的平衡閾，當水土保持治理達到一定規(guī)模后，流域環(huán)境系統的行為將逾越這種閾，各項控制因子演變過程將處于一種突變性的振蕩態(tài)勢，不過，這種演變過程卻又總是力求達到另一種新的平衡，建立相應的閾。各級支流是直接受到感應的第一層次。因此，分析水土保持治理對河道演變影響的科學關鍵點是搞清水保措施與產沙、產水產沙與河道演變的平衡閾關系，并以支流作為基本層次，研究下游河道演變對水土保持治理的反饋響應。

5 水土保持治理方案的河流效應約束參數的研究

從流域環(huán)境系統的觀點，水土保持治理的主要目標應獲得三方面的效益，即防治土壤侵蝕效益、農業(yè)增產效益及減少河道泥沙淤積災害效益(或作用)，而這三方面的效應具有相互聯系、相互平衡的關系，這種關系受約于流域系統整體穩(wěn)定運行的要求。事實上只有此，才可能實現整體流域社會、經濟等方面的可持續(xù)發(fā)展。關于水土保持治理減少土壤侵蝕效益及農業(yè)增產效益的約束參數已有不少研究，但如何選擇減少河道泥沙淤積效益或水土保持治理的河流效應的約束參數需開展研究，同時，關于河流效應同其它效應間的關系以及在考慮河流效應約束條件下水土保持措施配置體系的比選原理及依據也是應開展研究的重要的基礎理論問題。

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