黃河中游地區(qū)水土災害機理與災害鏈效應研究進展

祝艷波 蘭恒星 彭建兵 李軍華 張攀 張彤煒 朱興華 張亞國 劉鑫 谷天峰 李郎平

摘 要：黃河中游地區(qū)水土災害分布廣、類型多、突發(fā)性強，且往往災害鏈生、后果嚴重，威脅人居安全與社會穩(wěn)定，制約區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)文明建設，亟待從根本上厘清水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋機制，深化對黃河中游地區(qū)水土災害群發(fā)機理及鏈生效應研究。為此，立足于分析黃河中游地區(qū)水土災害問題，詳細梳理了與之有關(guān)的山洪成災規(guī)律、崩滑流災害群發(fā)機理、水土災害鏈效應、水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋作用等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，探討了黃河中游地區(qū)水土災害研究趨勢和面臨的挑戰(zhàn)，分析了未來水土災害研究亟須突破的關(guān)鍵科學問題，并基于地球系統(tǒng)科學思想提出了相關(guān)研究建議。在復雜地質(zhì)條件、極端氣候變化和強烈人類工程活動影響下，黃河中游地區(qū)水土災害群發(fā)機理與災害鏈效應研究的主要方向有：極端降雨作用下山洪成災規(guī)律，地貌-氣候耦合作用下崩滑流災害群發(fā)機理，考慮生態(tài)影響的水土災害鏈放大與消減效應，水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋作用機制。亟待突破的關(guān)鍵科學問題有：從耦合聯(lián)動孕災角度揭示地質(zhì)、地表、氣候過程與土水災害群發(fā)響應機制，從致災效應角度揭示水土災害鏈動力學過程與致災效應評價，從地質(zhì)安全與生態(tài)安全角度建立水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋理論，進而提出基于水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋效應評價的生態(tài)減災技術(shù)。研究建議：以地球系統(tǒng)科學理論為指導，突出學科交叉融合，從“地、域、河”空間尺度闡明黃河中游地區(qū)水土災害的區(qū)域模式、動力學機制、災害鏈生與生態(tài)環(huán)境互饋效應，從人地協(xié)調(diào)觀角度建立黃河中游地區(qū)水土災害綜合風險評估模型與防控理論。

關(guān)鍵詞：水土災害;崩滑流;災害鏈;生態(tài)環(huán)境;互饋效應;地質(zhì)安全;生態(tài)安全;黃河中游地區(qū)

中圖分類號：S157.1;TV122;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.020

引用格式：祝艷波，蘭恒星，彭建兵，等.黃河中游地區(qū)水土災害機理與災害鏈效應研究進展[J].人民黃河，2021，43（8）：108-116，147.

Abstract： In the middle reaches of the Yellow River Basin， water-soil disasters are widely distributed with many types and strong suddenness. Moreover， these disasters are often chain-generated and have serious consequences， which are harmful to the safety of ecological environment and human settlement security of the Yellow River Basin. Therefore， it is necessary to clarify the mutual feedback mechanism between water-soil disasters and ecological environment， and strength the research on the mechanism and chain effect of water-soil disasters in the middle reaches of the Yellow River Basin. In this paper，based on the problem of water-soil disasters， we firstly reviewed the research status and development trends of the laws of mountain torrents， the occurrence mechanism of loess collapse， landslides and debris flow， the chain-effect of water-soil disasters， and the mutual feedback effect of water-soil disasters and ecological environment. Then we discussed the research trends and challenges of water-soil disasters in the middle reaches of the Yellow River Basin. Lastly we analyzed the key scientific issues to be solved in the research of water-soil disasters， and put forward relevant research suggestions based on the idea of earth system science. The main research directions of water-soil disasters are as follows： the laws of mountain torrents under the action of extreme rainfall， the mechanism of water-soil disasters under the coupling effect of geomorphology and climate， the amplification and reduction effects of chain- effect of water-soil disasters considering ecological impact， and the mutual feedback effect of water-soil disasters and ecological environment. The key scientific issues to be solved urgently are to reveal the response relationship between geological， geomorphic and climatic processes and the water-soil disasters from the perspective of coupled linkage， to reveal the dynamic process and disaster effect evaluation of soil-water disasters chain from the perspective of disaster effect， to establish the theory of mutual feedback between water-soil disasters and ecological environment from the perspective of geological security and ecological security， and finally to propose the disaster reduction technology based on the feedback effect evaluation of water-soil disasters and ecological environment. The research suggestions are that： based on the theory of earth system science， we should emphasize the interdisciplinary integration， and clarify the regional model， dynamic mechanism， disaster chain and feedback effect of ecological environment and water-soil disasters in the middle reaches of the Yellow River from the spatial scale of land， region and river. We should establish a comprehensive risk assessment model， and prevention-control theory of water-soil disasters in the middle reaches of the Yellow River from the perspective of human geography relations coordination theory.

Key words： water-soil disasters; collapse or landslides and debris; disaster chain; ecological environment; feedback effect; geological safety; ecological safety; middle Reaches of the Yellow River Basin

1 深化黃河中游地區(qū)水土災害研究的戰(zhàn)略意義

黃河是中華大地上一條奔騰不息、生機勃勃的大動脈，也是一條歷經(jīng)九磨十難的苦難河。黃河曾有“哀河”（sorrow river）[1]、“害河”[2]之稱，皆因歷史時期地質(zhì)災害頻發(fā)、水土流失嚴重、洪水破壞性大。流域內(nèi)的中華兒女世世代代依存于河、受制于河，生生不息地治理黃河、保護黃河，使黃河有了翻天覆地的變化，但黃河流域仍然是全球生態(tài)最脆弱的流域系統(tǒng)之一[3]，其根源之一是流域內(nèi)頻發(fā)的水土災害，如中游黃土高原地區(qū)黃土松散、溝壑縱橫、地形破碎、降雨集中，導致山洪、崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等水土災害分布廣、類型多、突發(fā)性強[4-7]。據(jù)統(tǒng)計，中國至少有1/3的滑坡災害發(fā)生在黃土高原，僅陜北地區(qū)就有黃土崩塌23 000多處、黃土滑坡16 600多處，部分地區(qū)黃土崩塌、滑坡密度超過10處/km2，且常常形成災害鏈[8-10]，曾造成群死群傷和重大財產(chǎn)損失，如：2013年天水大溝黃土滑坡泥流災害曾摧毀村鎮(zhèn)[11];2015年蘭州什川鎮(zhèn)一治溝造地填土壩潰決，泥流沖入黃河，造成4人遇難和2人失蹤，一座廠房被毀[12]。

黃河含沙量世界排名第一，導致下游河道淤積嚴重[13]。黃河的泥沙主要來源于上中游黃土高原[14]。新中國成立以來，黃河流域水土保持工作取得了巨大的成就[15]，水土流失面積明顯減少，但依舊存在水土流失量大面廣、中度以上侵蝕面積占比高等問題[16]，水土災害仍未得到有效控制，尤其是重力侵蝕造成的水土流失仍未得到有效控制[17]。近年來，隨著全球性氣候變化，極端氣候事件頻發(fā)，加劇了部分區(qū)域的水土災害，造成局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化，如：2013年天水市遭遇罕見暴雨，引發(fā)地質(zhì)災害708處，其中滑坡415處、崩塌102處、泥石流100處[18];2016年“8·17”暴雨，在西柳溝造成的平均侵蝕強度達7 672 t/km2[19]。黃河中游地區(qū)溝壑縱橫、支流眾多、河道比降大、地表支離破碎、生態(tài)環(huán)境脆弱，導致的山洪、崩滑流、水土流失為該地區(qū)水土災害的主要形式。黃河中游地區(qū)廣泛分布的黃土是一種特殊的易災土體，具有強烈的災變敏感性，主要表現(xiàn)為極強的水敏性、脆弱的結(jié)構(gòu)性、獨特的強度衰減性、復雜的劣化過程、對動力擾動敏感等，為崩滑流等水土災害提供了“優(yōu)質(zhì)”的孕災環(huán)境[4]，加之黃河中游地區(qū)降水年內(nèi)分配極為不均、短歷時暴雨頻發(fā)，崩滑流等水土災害往往呈現(xiàn)出流域集中性、群發(fā)性、鏈式特征。頻發(fā)的水土災害威脅中游地區(qū)人居安全與社會穩(wěn)定，制約區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)文明建設，亟待從根本上厘清水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋機制，深化對黃河中游地區(qū)水土災害群發(fā)機理及鏈生效應研究。

黃河中游地區(qū)是我國實施“一帶一路”建設、新時代西部大開發(fā)、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域，流域內(nèi)城鎮(zhèn)、線性工程、水利水電等工程建設及能源開采規(guī)模大、范圍廣、速度快，改變著地質(zhì)地貌和生態(tài)環(huán)境。由于工程建設與地質(zhì)環(huán)境互饋易誘發(fā)工程災變，使得水土災害直接威脅工程安全與運營，進而制約流域高質(zhì)量發(fā)展，因此面向黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家重大戰(zhàn)略需求，進一步深化黃河中游地區(qū)水土災害機理與災害鏈效應研究，保障流域地質(zhì)安全與生態(tài)安全，促進人地協(xié)調(diào)，具有重要意義。

2 黃河中游地區(qū)水土災害機理與災害鏈效應研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量關(guān)于水土災害群發(fā)規(guī)律、群發(fā)機理及其與氣候、植被、土壤、巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等因素相關(guān)性的研究，表明其災變機理往往涉及多因素作用的耦合，相互關(guān)聯(lián)的災害鏈生與放大效應加劇了災害危險性。

（1）黃河中游地區(qū)山洪成災規(guī)律研究：極端降雨作用下山洪成災規(guī)律研究需進一步深入，不同致災情景下暴雨洪水的模擬仍有難度。

黃土區(qū)山洪從發(fā)生到成災，與崩滑流群發(fā)災害緊密關(guān)聯(lián)，是黃河中游地區(qū)水土災害及災害鏈孕災機制研究的基礎[11]。受暴雨、土地利用和地形等多種因素時空分異的影響，山洪的發(fā)生在時空尺度上表現(xiàn)出顯著的分異特性。區(qū)域大范圍暴雨的時空變化監(jiān)測常用來分析和揭示山洪形成和發(fā)展，如衛(wèi)星遙感降雨資料用于大范圍的降水和暴雨研究[20-21]。山洪的產(chǎn)匯流過程受制于下墊面地理、地質(zhì)和地貌等因素[22-23]，在充分利用各種致洪因素空間分布信息的同時，可建立數(shù)字水文預報模型實現(xiàn)對山洪過程的模擬和預報[24]。山洪在溝道—流域—區(qū)域等不同空間尺度間的傳遞、轉(zhuǎn)化特征，降雨特征與山洪分布的多尺度關(guān)系等仍是當前研究的薄弱之處[25]，雖然學者們已對我國山洪的時空分布特征[26]、時空分布規(guī)律[27]進行揭示，但以往有關(guān)山洪災害的研究中多以地域為研究對象，對具有鮮明水文地質(zhì)地貌特點的大流域尺度專題研究較為少見。

對山洪形成機理及演進特征的研究表明：暴雨是誘發(fā)山洪的動力因素[28]、臨界雨量常作為判別山洪發(fā)生的關(guān)鍵性指標[29]，對山洪形成演進機理的研究均全面考慮了降雨、土壤含水量以及下墊面三大因素[30]。國內(nèi)對山洪災害臨界雨量的研究以確定其方法為主，提出的方法有模型法、統(tǒng)計法、臨界曲線法等[31-32]。在黃河中上游地區(qū)山洪研究中，有學者認為產(chǎn)匯流分析法獲得的結(jié)果相對較為合理[33]。形成山洪的臨界雨量具有較大不確定性，山洪是否形成、發(fā)展還與流域內(nèi)植被、土壤、地質(zhì)地貌等因素密切相關(guān)，考慮臨界雨量與下墊面狀況的耦合、發(fā)布較可靠的實時臨界雨量已成為新的研究熱點[34]，而黃土高原地區(qū)關(guān)于臨界雨量的研究成果相對較少。黃河中游山地丘陵區(qū)土壤侵蝕嚴重，地表支離破碎，地質(zhì)環(huán)境脆弱，臨界雨量對降雨變化和初始濕潤條件十分敏感[35]，準確解釋黃土地區(qū)山洪產(chǎn)生的驅(qū)動因素及其發(fā)生發(fā)展的內(nèi)在機理存在較大困難，應深入探究水土相互作用及其時滯效應，將山洪災害作為小流域滑坡—崩塌—泥石流等災害鏈中的重要環(huán)節(jié)進行深入研究。

在氣候變化和人類活動耦合下暴雨山洪的致災機制方面的研究表明：山洪致災機制及預測預警的研究難度較大，是學術(shù)界長期關(guān)注的瓶頸問題[35]。隨著全球氣候變化和人類活動等的耦合，暴雨規(guī)律和下墊面條件變化，導致區(qū)域山洪致災機制也發(fā)生變化[36]，使其研究難度加大并成為研究熱點，考慮資料非一致性的水文分析已經(jīng)成為現(xiàn)代水文學領(lǐng)域的一個重要研究方向[37]。長期以來，有關(guān)山洪致災機制的研究多以暴雨這一外部動力條件為主，而對變化環(huán)境下流域下墊面等自身條件的改變考慮較少[38]。黃河中上游地區(qū)降水的時空分布差異較大，受氣候變化影響強烈，水文要素發(fā)生變異給山洪災害防治帶來了新問題和新挑戰(zhàn)。因此，氣候變化條件下黃河中游暴雨的時空分布規(guī)律以及基于對極端降雨山洪反演與情景模擬的研究亟待深入開展。

（2）黃河中游地區(qū)黃土崩滑流災害群發(fā)機理：地貌-氣候耦合作用下崩滑流災害區(qū)域模式與時空分異特征研究不足，崩滑流災害與河流互饋機制研究相對較少。

厘清黃河中游地貌-氣候耦合作用模式、概化黃土崩滑流群發(fā)的孕災背景，是揭示災害群發(fā)機理的理論基礎。基于萬年及千年尺度的地質(zhì)災害和氣候響應分析表明，黃河中游地區(qū)地質(zhì)災害主要集中發(fā)生于氣候轉(zhuǎn)型期與溫暖濕潤期，與黃土中的古土壤發(fā)育期對應，表明了黃河中游黃土高原氣候和地質(zhì)災害的關(guān)聯(lián)性[39-40]。針對地貌-氣候耦合作用模式的研究，大都傾向于大尺度空間規(guī)律研究，而忽略了小流域地貌演化過程的典型性。黃河中游地區(qū)黃土分布面積大、厚度大，氣候變化具有特殊性[41]，定量描述地貌、氣候演變規(guī)律及耦合作用下崩滑流區(qū)域模式仍缺少有效辦法，尤其是在時空分異特征方面。宮清華等[42]考慮了氣象、地形、水文、地質(zhì)等多因素耦合的滑坡空間分異性，但對時間尺度的分異規(guī)律未進行研究。邱海軍等[43]對陜北黃土高原不同地貌類型區(qū)黃土滑坡頻率分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)黃土丘陵區(qū)受滑坡災害威脅最為嚴重，黃土滑坡災害發(fā)育受地貌演變影響。區(qū)域性、季節(jié)性的氣候變化（如降雨、凍融等）也是誘發(fā)崩滑流災害的重要因素[44-47]，因此厘清地貌-氣候耦合作用下崩滑流群發(fā)的時空變異性仍是當前的重要研究課題。

崩滑流災害群發(fā)性機理與識別方面的研究表明：地質(zhì)和地貌差異是崩滑流群發(fā)的必要條件[48]，地震和大氣降水為崩滑流提供強大動力條件[49-50]，黃河中游部分地區(qū)植被不發(fā)育和人類活動頻繁是崩滑流群發(fā)的重要因素[51-52]。Hewitt等[53]認為山體滑坡會持續(xù)影響區(qū)域地貌發(fā)育和流域演化，進而誘發(fā)泥石流災害。羅昌謨[54]通過總結(jié)三明市群發(fā)性地質(zhì)災害發(fā)生的臨界雨量，認為5 d內(nèi)降雨量大于250 mm時滑坡、崩塌、泥石流等群發(fā)性災害開始出現(xiàn)。黃土高原地區(qū)崩滑流群發(fā)在空間上具有不均勻性、流域集中性等特征，因此其群發(fā)機理除了受降雨落區(qū)影響外，還受地形、地層巖性、地震等多因素影響[18]。崩滑流群發(fā)的易發(fā)性識別非常重要，基于多源高分遙感、無人機技術(shù)和監(jiān)測手段對滑坡、泥石流災害易發(fā)性進行評價，已經(jīng)從定性逐漸發(fā)展為定量的數(shù)學分析方法，代表性模型有物理確定性模型、SINMAP模型、TRIGRS模型、模糊集數(shù)理統(tǒng)計模型、以斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎的GMD模型等[55-57]。張春山等[58]對黃河上游地質(zhì)災害進行綜合分區(qū)，并利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法確定了各因子對崩滑流災害影響的權(quán)重值。Baartman等[59]指出，流域地貌變化模型與土壤侵蝕模型存在時間尺度上的差異，需要通過基于事件的土壤侵蝕與堆積體積計算對流域地貌演化的參數(shù)進行校正。Bout等[60]將兩相泥石流方程、無限坡度法與全流域水文模型進行耦合，提出了淺層滑坡、泥石流和流域水文的綜合建模方法，以期為崩滑流群發(fā)災害的易發(fā)性評價提供新的途徑?；跒暮π纬杀尘暗囊蜃幼R別是認知黃河中游地區(qū)崩滑流群發(fā)成災機理的重要方法，但是崩滑流成災過程與流域氣候、水文及地質(zhì)條件的互饋作用存在時間和空間尺度的差異性，其動力過程研究依賴于精確的多尺度物理模型及巖土體的力學參數(shù)，而目前黃河中游地區(qū)崩滑流群發(fā)成災機理的因子識別模型中缺少對植被和人類活動的考慮。

崩滑流災害群發(fā)與河流交互作用方面的研究表明：河流與崩滑流災害發(fā)育存在明顯的相互影響關(guān)系，江河流域群發(fā)的崩滑流災害會與河流產(chǎn)生交互作用。河流作用是誘發(fā)崩滑流災害的重要因子之一，如水位波動越大的地帶崩塌滑坡分布越密集[61]，河流的急流下切作用易導致邊坡失穩(wěn)進而引起崩塌、滑坡、泥石流等災害[62];相反地，崩滑流的發(fā)生對河流會產(chǎn)生一定的作用。在崩滑流災害與河流相互作用機理與演化過程方面，可基于多種模型[63]、利用多種軟件[64]對崩滑流與河道交互運動學過程，包括運動路徑、運動距離、影響范圍、形態(tài)演化等進行模擬，研究松散碎屑物崩滑入河后對河流泥沙供給和河道形態(tài)的改變機理。然而，對黃河中游地區(qū)群發(fā)崩滑流災害與河流的互饋作用過程與機理研究目前相對匱乏。

綜上所述，黃河中游地區(qū)崩滑流成災過程與流域地貌-氣候作用存在時間和空間尺度上的差異性，其動力成災成鏈過程研究須結(jié)合精確的多尺度物理模型及巖土體力學參數(shù)，并考慮動力過程與生態(tài)環(huán)境的互饋作用，該方面研究目前相對匱乏。

（3）黃河中游水土災害鏈效應研究：水土災害鏈區(qū)域模式與鏈式結(jié)構(gòu)不明，考慮生態(tài)環(huán)境影響的災害鏈效應與影響預測模型缺乏。

水土群發(fā)災害具有從不明顯的連續(xù)蠕變到瞬時突變的特點，在山洪—蠕動—滑動—泥流整個過程中各個事件相關(guān)，因此災害鏈研究受到國內(nèi)外學者的廣泛重視。如瑞士Schimbrig滑坡使大量顆粒物質(zhì)沿河道堆積，造成山洪侵蝕并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鱗65]。在黃土水土災害鏈的區(qū)域模式與成災機理方面的研究表明，災害鏈形成是多種致災因子共同作用的結(jié)果，且與孕災背景相關(guān)。汶川地震誘發(fā)了大量災害鏈，帶來的災害鏈效應為相關(guān)研究提供了豐富的素材[66-67]，其中崩—滑—成災、崩—滑—湖—成災、崩—滑—流—成災是地質(zhì)災害鏈的主要形式[68-69]。災害鏈形成機理研究須揭示巖土體災變從孕育、發(fā)展直至止息的全過程，而災害鏈致災因子往往不是單一的，存在多種致災因子，并伴隨著災害類型、災害狀態(tài)的轉(zhuǎn)化[70-71]。

黃土災害往往以災害鏈形式出現(xiàn)，從一個災種迅速轉(zhuǎn)化為另外一個災種，災種之間呈現(xiàn)出因果關(guān)系[72]，例如黃土地裂縫會促使黃土滑坡的孕育、發(fā)展和形成，黃土滑坡形成后，在降雨、徑流的作用下會演化成黃土泥流，造成更大的危害。黃土災害鏈的相關(guān)研究總體較少，朱興華等[73]將黃土災害鏈的鏈式結(jié)構(gòu)歸納為水力的擾動作用—土體濕陷變形—土層沉降—地裂縫—崩塌滑坡—泥流。目前，還沒有關(guān)于黃土災害鏈演化機制和動力學過程的系統(tǒng)性研究成果，零散的研究主要集中在沉降濕陷—地裂縫—崩滑轉(zhuǎn)化機制的研究[74-75]、滑坡泥石流轉(zhuǎn)化機制的研究[76-78]這兩個方面。在黃土地質(zhì)災害鏈的動力學研究中，應把握以下研究內(nèi)容（揭示黃土水土災害鏈及動力學過程的突破口之一）：黃土強度與其結(jié)構(gòu)性以及土水相互作用之間的關(guān)系[79]，黃土液化導致黃土滑坡演化成泥流災害鏈的內(nèi)部機制 [80-82]，黃土蠕變行為及強度衰減的致災機理[78，83-84]。

黃土水土災害鏈致災效應與風險判識方面的研究表明：災害鏈在時間與空間上的連續(xù)擴展往往具有累積放大致災效應[85]。目前，關(guān)于災害鏈放大效應的研究從靜態(tài)—描述—解釋向動態(tài)—模擬—啟示的方向發(fā)展[86]，研究手段主要有地質(zhì)調(diào)查[87]、理論模型分析[88-90]與數(shù)值模擬[91-92]等，從災害鏈致災結(jié)果調(diào)查、災情累積放大機制、災害鏈放大致災過程等角度探索災害鏈致災效應。學者們嘗試建立各類災害鏈危害評估的模型（公式），如滑坡壩危害效應評估模型[93]、滑坡的幾何形態(tài)預測公式[94]、泥石流堵江判據(jù)[95]、滑坡最大水平距離與各影響因素的關(guān)系[96]、滑坡堵江壩潰決洪水特征計算公式[97]。黃土水土災害鏈復雜多變，研究表明其鏈式類型多[98-99]、演化過程特殊復雜[100]、運動距離遠[101]、影響范圍大，目前黃土水土災害鏈演化機制尚不明確，災害鏈致災效應定量評價模型研究幾乎是空白。災害鏈致災范圍（滑體運動距離）受滑坡類型、規(guī)模和垂直落距等影響，王念秦等[102]提出了考慮黃土厚度、斜坡坡度、滑坡體平均厚度和滑動前滑體長度的黃土滑坡滑距預測模型，但滑體致災還受地形條件[103]、滑體運動速度[104]等影響，目前還缺乏全面反映孕災條件、運動過程約束（如溝道水文條件及溝道邊界）、滑動物質(zhì)“流固相變”的黃土水土災害鏈放大致災效應評價模型，以及考慮生態(tài)環(huán)境影響的災害鏈消減效應評價模型，亟須開展深入研究。

（4）黃河中游地區(qū)水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋效應研究：水土災害與生態(tài)環(huán)境雙向作用的互饋模式研究不足，基于生態(tài)工程的水土災害調(diào)控技術(shù)體系缺乏。

黃河中游地區(qū)嚴重的水土災害已經(jīng)成為經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)文明建設的最大制約瓶頸。60多a來，黃河流域開展了堅持不懈的生態(tài)環(huán)境建設，但效果明顯的部位主要是坡頂和緩坡地帶，水土災害仍未得到有效控制[105]。近年來全球性的氣候變化，引起與水有關(guān)的極端氣候事件（干旱及暴雨）頻發(fā)，加劇了部分區(qū)域水土災害，引起一系列災害事件，尤其是以重力侵蝕為主的水土災害，如無定河流域2017 年“7·26”暴雨導致溝道重力侵蝕非常普遍、一場暴雨新增切溝侵蝕平均強度達到1 127 m3/km2[106]，2011年連續(xù)強降雨導致西安灞橋滑坡[107]，多年灌溉與降雨共同作用導致涇陽南源和黑方臺滑坡群[100，108]，這些事件都造成局部生態(tài)環(huán)境的進一步惡化。

黃河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)環(huán)境與水土災害的互饋機制極為復雜[109]。傳統(tǒng)的觀念認為，水土保持工程因減少了洪水徑流量和洪水輸沙量而減輕了水土災害，植被對固坡發(fā)揮積極作用，例如植物根系具有固土作用，表現(xiàn)為淺根的加筋效應和深根的錨固作用[110-113]，植物的蒸騰吸水會增大土體吸力，從而降低土體非飽和滲透性、提高土體抗剪強度[114]，因此植被根系對土體的加固效應遏制了面狀水土流失及淺層崩滑[115-116]，促進了生態(tài)環(huán)境的向好發(fā)展。但是也有一些研究表明，水土災害與生態(tài)環(huán)境之間并非簡單的正負互饋關(guān)系，良好的生態(tài)環(huán)境并非完全有利于減輕水土災害，如黃河中游黃土高原植被恢復可造成土壤水分缺乏，使得黃土更加干燥、更易受到風和水的侵蝕，進而導致黃土邊坡破壞與崩滑流災害的發(fā)生[100，117]。因此，生態(tài)系統(tǒng)在緩沖自然災害方面的作用存在很大的不確定性[118]，在森林覆蓋率提高的同時，森林蒸騰量會增加，導致較大的耗水量[41，119]，使土地變得更加干燥[120]、地表及地下徑流量顯著減少[121];當植被根系加固深度遠小于深層滑坡的滑面埋深時，與植物根系相關(guān)的裂隙、根-土間隙和孔洞（根孔和蟲孔等）為水流入滲提供了優(yōu)勢通道，因而土體在短歷時強降雨過程中容易達到飽和狀態(tài)，進而誘發(fā)淺層滑坡[122-124]。例如：1998年8月，連續(xù)6 d的強降雨（累計降雨量1 200 mm）在日本中東部Fukushima縣植被覆蓋度接近100%的100 km2范圍內(nèi)誘發(fā)了1 000多處深度為1～3 m的淺層滑坡[125];2013年7月，位于子午嶺林區(qū)的陜西省北部富縣全境普降暴雨，在植被覆蓋率達90%的任家臺林場發(fā)生37處規(guī)模不等的滑坡，滑坡密度遠高于相近降雨條件下的非林區(qū)滑坡密度[126];2015年9月，暴雨在云南漭水鎮(zhèn)共裕村和麻地村引發(fā)規(guī)模不等的土質(zhì)滑坡千余處，其中絕大多數(shù)為淺層滑坡，這兩個村的植被覆蓋率在90%以上[127]。由此可見，植被對邊坡穩(wěn)定的影響是復雜的，有積極固坡的方面[128]，也有不利促滑的方面[129]。

綜上所述，量化水土災害與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系、明晰生態(tài)環(huán)境與水土災害互饋效應，是當前水土災害生態(tài)防治研究的核心。目前，受限于土壤學、生態(tài)學、工程地質(zhì)學等學科之間的壁壘，水土災害與生態(tài)環(huán)境之間的時空關(guān)系、模式不清，相互作用機制不明，缺乏水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋機制的系統(tǒng)深入研究，缺少基于生態(tài)的防災減災理論體系。

3 黃河中游地區(qū)水土災害研究方向與建議

（1）黃河中游水土災害研究發(fā)展方向。綜上所述，在復雜地質(zhì)條件、極端氣候變化和強烈人類工程活動影響下，黃河中游地區(qū)水土災害群發(fā)機理與災害鏈效應研究方向有：一是極端降雨作用下山洪成災規(guī)律，主要涉及山洪成災的時空響應規(guī)律、不同致災情景下暴雨洪水的模擬等;二是地貌-氣候耦合作用下黃土崩滑流災害群發(fā)機理，主要涉及黃土崩滑流災害群發(fā)的時空分異特征與動力模式、崩滑流災害與河流交互影響機制研究等;三是黃土水土災害鏈效應，主要涉及水土災害鏈效應的區(qū)域模式與鏈式結(jié)構(gòu)、考慮生態(tài)環(huán)境影響的災害鏈放大效應與預測理論模型研究等;四是水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋效應，主要涉及生態(tài)環(huán)境與黃土水土災害的互饋模式、基于生態(tài)工程的水土災害調(diào)控技術(shù)研究等。

黃河流域具有復雜的地質(zhì)構(gòu)造、地貌演化、氣候變化過程，中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，其水土災害孕育過程本質(zhì)上是復雜的地球內(nèi)外動力共同作用的結(jié)果。而水土災害動力學過程與生態(tài)環(huán)境互饋影響，地質(zhì)安全與生態(tài)安全又影響著人地協(xié)調(diào)關(guān)系，地質(zhì)安全與生態(tài)安全的互饋平衡關(guān)系一直是學術(shù)界探討的熱點與難點，因此亟須厘清黃河流域水土災害的孕育歷史、動力學過程、致災效應。如何從耦合聯(lián)動孕災角度揭示地質(zhì)、地表、氣候過程與水土災害群發(fā)響應機制，從致災效應角度揭示水土災害鏈動力學過程，從地質(zhì)安全與生態(tài)安全角度建立水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋理論，進而提出基于水土災害與生態(tài)環(huán)境互饋效應評價的生態(tài)減災技術(shù)，是研究黃河中游地區(qū)水土災害效應亟待突破的關(guān)鍵科學問題。

（2）關(guān)于黃河中游地區(qū)水土災害研究的建議。黃河中游地區(qū)水土災害表象于河、形成于域、根植于地[130]。黃河中游地區(qū)地貌演化的典型性、氣候過程的多變性和人類活動的強干擾性，使地質(zhì)地貌演變過程與人類活動過程互饋影響，人類依賴于流域又作用于流域，不斷改變著流域的地質(zhì)環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，同時流域災害也給人類工程活動安全帶來挑戰(zhàn)[131]。因此，面對黃河中游地區(qū)水土災害的高風險性，亟須以地球系統(tǒng)科學理論為指導，突出學科交叉融合，從“地、域、河”空間尺度闡明黃河中游地區(qū)水土災害的區(qū)域模式、動力學機制、災害鏈生與生態(tài)環(huán)境互饋效應，從“人地協(xié)調(diào)觀”角度建立黃河中游地區(qū)水土災害綜合風險評估模型與防控理論，以保障流域地質(zhì)與生態(tài)安全。具體建議：闡明黃河中游地區(qū)地質(zhì)環(huán)境-氣候-人類活動耦合作用下水土災害時空分異規(guī)律與區(qū)域群發(fā)機制、災害群發(fā)與河流動力互饋過程;探明水土災害鏈的區(qū)域模式、鏈式結(jié)構(gòu)、災變臨界條件、動力學演化機制，實現(xiàn)不同時空尺度的水土災害鏈致災效應評價;構(gòu)建水土災害與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)互饋平衡理論與互饋效應評價體系，提出基于生態(tài)工程的水土災害調(diào)控技術(shù)方法;給出黃河中游地區(qū)人地失調(diào)的地質(zhì)環(huán)境效應與人地協(xié)調(diào)的地質(zhì)安全保障策略，力爭在水土災害機制與風險防范問題研究上實現(xiàn)原創(chuàng)突破，更好地服務于黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略。

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【責任編輯 張智民】