本书以1996年以前黄河中游水沙变化研究成果为基础，通过系统分析黄河中游近期（1997～2006年）水沙变化特点，剖析了人类活动对黄河中游近期水沙变化的影响程度，分析计算了黄河中游近期水利水土保持综合治理等人类活动的减水减沙作用。主要研究内容包括黄河中游环境特征及近期水沙变化特点、黄河中游水沙变化水文分析、黄河中游水沙变化成因分析、淤地坝拦沙的泥沙级配组成分析、减水减沙计算结果的合理性论证等。同时，对黄河中游近期水沙变化若干重要问题进行了探索研究，包括河龙区间近期水保措施拦减粗泥沙的不同作用、粗泥沙集中来源区拦沙工程的拦沙减淤效果、基于最大减沙效益的水保措施配置比例、生态修复对北洛河流域近期水沙变化的影响、近期治理对典型支流水沙关系的影响、泾河流域淤地坝拦沙对降雨的响应和基于暴雨的水保措施减洪减沙作用、流域减沙效益的尺度效应、晋陕蒙接壤地区生产建设项目对水土流失和水资源的影响评价等。
本书紧密结合黄河治理开发与管理的重大科技需求，可供水土保持、河流泥沙、流域生态环境等研究领域的科技工作者和高等院校相关专业师生参考。
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第1章绪论
1.1研究背景
黄河流域黄土高原地区，西起日月山，东至太行山，南靠秦岭，北抵阴山，涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南等七省（自治区），总面积64万km2，其中水土流失面积45.4万km2，占总面积的70.9%，是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区。黄土高原地区水土流失面积中，侵蚀模数大于5000t/（km2?a）的强度水蚀面积14.6万km2，占黄河中游地区水土流失面积的32%，占全国同类面积的39%；侵蚀模数大于8000t/（km2?a）的极强度水蚀面积8.5万km2，占黄河中游地区水土流失面积的18.7%，占全国同类面积的64%；侵蚀模数大于15000t/（km2?a）的剧烈水蚀面积3.67万km2，占黄河中游地区水土流失面积的8%，占全国同类面积的89%。局部地区的侵蚀模数甚至超过30000t/（km2?a）。黄土高原多年平均进入三门峡的泥沙达16亿t，年均含沙量37.8kg/m3，居世界各大河流之冠。黄土高原由于自然条件与人类活动的交织作用，形成了严重的水土流失。黄土高原的水土流失具有以下特点：①水土流失面积大、强度高；②形态多样，而沟蚀特别严重；③产沙区域集中；④水土流失的年际和年内季节分布不均；⑤人为破坏新增水土流失十分严重。
黄河中游黄土高原地区水土流失类型多样，成因复杂。黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、土石山区、风沙区等主要类型区的水土流失特点各不相同。水蚀、风蚀等相互交融，特别是由于深厚的黄土土层和其明显的垂直节理性，沟道崩塌、滑塌、泻溜等重力侵蚀异常活跃。严重的水土流失不仅造成了该地区的贫困，制约了经济社会的可持续发展，而且加剧了荒漠化的发展和其他灾害的发生，特别是大量泥沙淤积在下游河道，使河床不断抬高，成为地上悬河，大大加剧了洪水威胁。同时，为减轻下游河道淤积，必须保证一定的冲沙用水，客观上又减少了黄河流域的可调水量，加剧了水资源的供需矛盾（黄河水利委员会，2002）。黄河流域水资源利用率已达到70%，远大于40%的国际限制标准。黄河已由过去的“善淤、善决、善徙”转变为“水少、水脏、河悬”。黄河中游7.86万km2的多沙粗沙区尤其是1.88万km2的粗泥沙集中来源区，水土流失尤为严重，是黄河流域水土保持综合治理的重中之重。
1997年以来的10年间，黄河中游水土保持综合治理力度明显加大，水土保持生态工程建设、生态修复和封禁治理、淤地坝“亮点工程”建设等多种治理手段齐头并进，治理速度明显加快，治理度迅速提高。与此同时，煤矿开采、交通设施建设、水资源开发利用等各种人类活动日益强烈。由于黄河中游下垫面发生了比较明显的变化，由此对黄河中游水沙变化产生了新的影响并带来了一系列新的问题，径流泥沙锐减趋势更为明显，急需开展研究。为此，“十一五”国家科技支撑计划重点项目――“黄河健康修复关键技术研究”第一课题“黄河流域水沙变化情势评价研究”（课题编号：2006BAB06B01）和黄河水利委员会小浪底基础研究项目――“小浪底水库入库水沙条件分析研究”（项目编号：XLDYX07130）中，同时设立了“黄河中游水沙变化成因分析”专题，在以往研究的基础上，对黄河中游近期（1997～2006年）水沙变化继续开展研究。
1.2黄河中游近期水土保持概况
1997年以来，黄河中游地区水土保持工作进展迅速。特别是江泽民同志作出“再造一个山川秀美的西北地区”的重要批示以来，黄河中游地区水土保持工作进入了快速发展的新阶段。1997年国家开始实施西部大开发战略；2000年以来黄河中游地区水土保持生态工程建设全面展开，生态修复和封禁治理试点工作相继开展；2003年开始全面启动“亮点工程”――黄土高原地区水土保持淤地坝工程建设。黄河中游地区成为黄土高原和黄河流域水土保持工作大力开展的主战场，以小流域为单元，打坝淤地，植树种草，禁伐封育，退耕还林，实施综合治理，水土流失治理速度明显加快，综合治理工作成效显著，硕果累累。
近期黄河流域水土保持工作以黄河粗泥沙集中来源区和沟道拦沙工程为重点，坚持综合治理与预防监督并进、人工治理与生态自我修复相结合。水土保持综合治理工作继续稳步推进，取得了新的成绩。水土保持措施初步治理面积累计达21万km2。根据有关资料统计，2006年黄河流域共完成水土流失综合治理面积1.238万km2，其中，建设基本农田140822hm2，营造乔木林181666hm2、灌木林296517hm2、经济林135114hm2，人工种草220594hm2，实施封禁治理263309hm2。全年完成淤地坝建设326座，建成小型水利水保工程38552座（处）。
作为黄河中游地区水土流失最为严重省份之一的陕西省，多沙粗沙区面积4.35万km2，占黄河中游多沙粗沙区面积7.86万km2的55.3%；粗泥沙集中来源区面积1.504万km2，占黄河中游粗泥沙集中来源区面积1.88万km2的80%。改革开放30年来累计投入治理资金60亿元，实施综合治理小流域2600多条，累计治理水土流失面积4.5万km2，年均拦蓄泥沙1.3亿t。建设淤地坝4万座，其中延安、榆林两市共有3.56万座；淤地6.6万hm2，年增产粮食3亿kg。全省有72个县实施了封山禁牧，封禁面积达到900万亩（折合60万hm2），退耕还林面积1528.8万亩（折合101.92万hm2），位居全国第一。全省林草覆盖率已由30%提高到45%。
根据黄河中游水土保持委员会原主任委员、陕西省原省长袁纯清（现任中共山西省委书记）2007年9月在宁夏银川召开的黄河中游水土保持委员会第九次会议上所作的工作报告，2003年以来，在党中央、国务院的高度重视和关怀下，在国家有关部委的大力支持下，黄土高原地区水土保持生态建设取得了显著成效，特别是作为全国水利建设“三大亮点”工程之一的淤地坝工程，建设速度加快，成效显著，黄河上中游地区水土流失综合防治工作取得了新的进展。2003～2007年的4年间，国家先后安排专项资金开展了125条小流域坝系试点工程建设，目前已建成各类淤地坝2995座，其中，骨干坝629座、中小型坝2366座，形成了宁夏聂家河、青海景阳沟、甘肃称钩河、内蒙古西黑岱、陕西碾庄沟、山西康和沟、河南砚瓦河等一批防护体系完善、综合效益好的坝系。这些淤地坝，使3000多平方千米的水土流失面积得到了控制，可蓄滞洪水4亿m3，拦截泥沙5亿t，淤地8万多亩（折合约5333hm2），发展水浇地、保护下游农田10多万亩（折合约6667hm2）。黄河中游水土保持委员会第八次会议召开以来的两年间，黄河上中游地区共完成水土流失初步治理面积2.5万km2，其中，建设基本农田470万亩（折合约31.33万hm2），营造水土保持林草2600万亩（折合约173.33万hm2），实施生态修复面积4500km2；黄河水土保持生态工程、国家农业综合开发水土保持工程等重点建设项目取得了新进展，建成了一大批示范工程。水土保持预防监督工作深入开展，完成了涉及10余个行业的300多个大中型开发建设项目的执法督察，大幅度提高了开发建设项目的水土保持方案审批率、监测监理实施率、规定费用收缴率和竣工设施验收率，使水土保持“三同时”制度得到进一步落实，有效遏制了人为的水土流失现象。
长期的水土保持实践经验证明，淤地坝是黄土高原水土流失防治的重要措施，在水土流失治理中具有不可替代的作用；它是快速减少入黄泥沙、减轻黄河下游河道泥沙淤积、实现“河床不抬高”最有效的工程措施，在黄土高原地区小流域治理中对泥沙具有绝对的控制性作用。根据以往研究成果（冉大川等，2000），作为黄河中游多沙粗沙区淤地坝分布最为集中的河口镇至龙门区间（简称河龙区间），1970～1996年淤地坝减沙量占水土保持措施减沙总量的64.7%。1970～1996年，河龙区间淤地坝较多的四条典型支流皇甫川、窟野河、无定河和三川河流域的淤地坝减沙量分别占水土保持措施减沙总量的57.8%、37.2%、62.1%和72.2%。因此，淤地坝是拦减黄河中游泥沙的关键措施和主要工程措施。根据有关资料统计，黄土高原现有10万多座淤地坝，截至2006年年底，黄土高原淤地坝累计拦截入黄泥沙逾210亿t。
黄土高原地区水土流失十分严重，每年输入黄河的泥沙达16亿t。黄土高原土质疏松、沟壑纵横，长度大于0.5km的沟道就有27万多条，入黄河泥沙总量的60%以上都来自这些沟道。在长期的治理实践中，当地农民群众创造出了在沟道建设淤地坝的水土保持工程措施。根据调查，一座大型淤地坝平均可拦截泥沙8000t，中型淤地坝平均可拦截泥沙6000t，小型淤地坝平均可拦截泥沙3000t。从2003年起，水利部安排专项资金，启动实施了黄土高原地区水土保持淤地坝试点工程。淤地坝试点工程涉及陕西、甘肃、宁夏、青海、山西、内蒙古等6省（自治区）。到2006年年底，这些省区总共建成各类淤地坝2995座，形成了一批防护体系完善的坝系。根据水利部初步测算，加上早年建设的淤地坝，目前黄土高原的淤地坝已达10万多座。仅2003年以来建设的淤地坝就使3000多平方千米的水土流失面积得到控制，累计蓄滞洪水4亿m3，拦截泥沙5亿t。
根据国家“十一五”科技支撑计划重点项目第一课题第二专题承担单位黄河水利委员会（简称黄委会）黄河上中游管理局2008年10月30日提供的最新数据，截至2006年年底，黄河中游地区（河龙区间及泾洛渭汾河）水土保持措施累计保存面积1122.33万hm2。其中，梯田累计保存面积285.25万hm2，林地累计保存面积595.3万hm2，草地累计保存面积144.0万hm2，坝地累计保存面积13.12万hm2，封禁治理累计保存面积84.66万hm2，治理度为39.1%。
1.3黄土高原近期生态变迁
退耕还林种草和实施生态修复是黄土高原近期生态变迁的主要影响因素。自1997年8月江泽民同志发出“再造一个山川秀美的西北地区”的号召以来，国家实行“退耕还林，封山绿化，个体承包，以粮代赈”的政策，大大促进了黄土高原地区的生态环境建设。近年来，退耕还林种草规模很大，进展很快。根据有关资料统计，退耕还林工程自1999年开始试点，2002年全面启动，实施范围涉及25个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团的2279个县（含县级单位）、3200多万农户、1.24亿农民。
截至2007年，已累计完成退耕地造林1.39亿亩、荒山荒地造林2.05亿亩、封山育林0.2亿亩，国家已投资1300多亿元。
黄土高原近期生态变迁以陕西省最为明显。陕西省地处黄土高原腹地，西部大开发10年来，生态环境有了明显改观，生态状况实现了从“整体恶化、局部好转”向“总体好转、局部良性循环”的历史性转变。陕西省把生态环境建设作为实施西部大开发的切入点，组织实施了退耕还林、天然林保护和“三北”防护林建设等林业重点工程和大规模的水土保持生态建设工程，森林覆盖率由1999年的32.55%提高到现在的37.26%，是历史上增幅最大、增长最快的时期。退耕还林染绿了陕西版图，2000年的《陕西遥感植被覆盖图》上陕西北部一片土黄色，2009年的图上整个陕西基本被绿色覆盖，长城沿线风沙区由2000年的黄色变为2009年的绿黄色，部分区域变为淡绿色；陕北黄土高原、渭北旱原一带由2000年的绿黄色变为2009年的淡绿色，延安市北部各县（区）现已基本转变为中覆盖度植被，部分区域已成为高覆盖度植被。国家作出退耕还林的重大决策后，延安市在全国率先开展了大规模的退耕还林，全国退耕还林第一县――吴起县通过退耕还林还草，使森林覆盖率由1997年的13.2%提高到2009年的38.2%，土壤年侵蚀模数由1.53万t/km2下降到0.54万t/km2。退耕还林使延安市林地面积覆盖率提高了9个百分点，水土流失治理程度提高了25%，生态环境恶化的势头已初步遏制（赵侠，2010）。
生态修复是在特定的区域内，依靠生态系统的自组织和自调控能力的单独作用，或依靠生态系统的自组织和自调控能力与人工调控能力的复合作用，使部分或完全受损的生态系统恢复到相对健康的状态。水土保持生态修复是具有普遍意义的生态修复的一种类型（杨爱民等，2005）。根据黄委会黄河上中游管理局有关资料（梁其春等，2007），1998年以来，黄河上中游各省（自治区）按照水利部治水新思路，结合黄土高原实际，将水土保持生态修复工作作为生态环境建设的一项重要内容来抓，积极开展生态修复试点工作。2001年，黄委会在黄河上中游地区启动实施了两期水土保持生态修复试点工程，涉及7省（自治区）20个县（旗），封育保护面积达1300km2；2002年，在总结首批试点经验的基础上，水利部又在黄河上中游7省（自治区）22个县的6300km2范围内，启动实施了全国水土保持生态修复试点工程。目前黄河上中游7省（自治区）已有54个地（市）、294个县（市、旗）实施封禁保护面积近30万km2，陕西、青海、宁夏3省（自治区）人民政府发布了实施封山禁牧的决定；山西、内蒙古、甘肃、河南4省（自治区）的36个地（市）、168个县（旗、区）出台了封山禁牧政策。青海省在黄河源区12万km2范围内实施了水土流失预防保护工程。黄河上中游地区的封山禁牧在规模、范围和成效方面取得了历史性突破。
实施生态修复后，修复区灌草萌生的速度明显加快，裸地自然郁闭，植被覆盖度大幅度提高，生态环境明显改善。根据黄河上中游地区24个试点县的监测结果，修复区林草总盖度在60%以上的面积由修复前的297km2增加到1262km2，林草覆盖度由实施前的27.5%提高到60%，草场每公顷平均产草量由3000kg提高到30000kg。植被由单一种类向复合型、多种群发展。项目区最明显的变化是山变绿、水变清、动物种类数量明显增多。宁夏盐池县和灵武县修复三年后，基本控制了风沙危害，连片的浮沙地和明沙丘基本消失，冬春两季大风弥漫的现象基本得到控制，水土流失强度明显降低。通过封山禁牧、疏林补植、退耕种草、人工抚育等措施，地上生物量、枯落物量明显增加，植被截持降水能力和土壤拦蓄径流能力有了不同程度的提高，水土流失强度明显减弱。
植被的恢复或重建是黄土高原生态环境建设的核心，也是建立一个“山川秀美”
的黄土高原的基础。中国科学院地理科学与资源研究所信忠保等通过分析国际广泛使用的美国航空航天局（NASA）全球监测与模型研究组（GIMMS）发布的MVC和比利时佛莱芒技术研究所发布的SPOTVGT两种植被遥感数据，揭示了1981～2006年黄土高原植被覆盖变化情况。研究表明，黄土高原地区植被覆盖经历了以下4个阶段：①1981～1989年植被覆盖持续增加时期；②1990～1998年以小幅波动为特征的相对稳定时期；③1999～2001年植被覆盖迅速下降时期；④2002～2006年植被覆盖迅速上升时期。黄土高原地区植被覆盖变化存在显著的空间差异。内蒙古和宁夏沿黄农业灌溉区和鄂尔多斯退耕还林还草生态恢复区的植被覆盖明显提高，而黄土丘陵沟壑区和六盘山、秦岭北坡等山地森林区的植被覆盖明显退化。从不同的植被类型来看，沙地、草地和耕地的归一化植被指数（NDVI）上升趋势显著，而森林植被的NDVI呈明显的下降趋势。植被覆盖变化是气候变化和人类活动共同作用的结果。黄土高原地区气候变暖在加剧土壤干燥化、抑制夏季植被生长的同时，提高了春、秋季节植被生长活性，延长了植被生长期。黄土高原地区植被覆盖和降水关系密切，降水变化是植被覆盖变化的重要原因。农业生产水平的提高致使农业区NDVI在不断上升，同时，正在黄土高原大规模进行的退耕还林还草工程建设，其生态效应也正在呈现（信忠保等，2007）。
这一研究从另一个角度证明了我国自退耕还林政策试点实施以来，虽然降水量有所下降，但黄土高原的植被覆盖率明显提高，这对退耕还林政策的效果是一个肯定。
该研究还表明，气候变化是黄土高原地区植被覆盖时空变化的重要影响因素，但人类活动也是不可忽视的驱动因素之一。这一研究工作的创新之处在于，基于两种遥感植被数据，从气候变化和人类活动两个方面探讨了植被覆盖变化的驱动机制，其研究结果对于理解植被变化对全球气候变化的响应，特别是帮助理解陆地生态系统的动态变化驱动机制有着重要的意义，也对评估当前黄土高原生态植被恢复的效果有一定意义。
其他众多研究表明，1998年以来，黄土高原林草覆盖率的显著增加可能是黄土高原生态环境变化的最大因素。黄土高原近期生态环境变化与水土保持措施实施进度的加快、大面积退耕还林草的实施、淤地坝建设力度的加强、大面积封禁治理的实施和大规模农村剩余劳动力的转移有密切的关系（许炯心，2010）。
1.4研究目的与意义
黄河中游黄土高原严重的水土流失是黄河泥沙问题和下游河道淤积的根源，也是我国的头号生态问题。黄河中游河龙区间流域面积13万km2，占黄河流域总面积79.5万km2的16%，来水量仅占全河水量的15%，来沙量却占全河沙量的56%，多年平均含沙量高达128.0kg/m3，是黄河流域的主要产沙区；龙门至潼关区间流域面积为19万km2，占黄河流域总面积的24%，来水量占全河水量的22%，来沙量占全河沙量的34%，多年平均含沙量53.8kg/m3，仅次于河龙区间（水利部黄河水利委员会，2006）。
泾河、北洛河、渭河（不包括泾河）、汾河等四大支流即在龙门至潼关区间。黄河为患，根在泥沙；害在下游，根在中游。黄土高原严重的水土流失不仅直接威胁着黄河流域作为“能源流域”的生态安全，制约着我国能源、矿产开发等经济发展重大战略布局的实现，且多年平均进入黄河的16亿t泥沙所形成的“地上悬河”一直威胁着黄河下游的防洪安全。黄土高原生态脆弱区生态系统功能的恢复重建既是我国生态环境建设的重点，也是我国中长期科技发展的重点研究领域和优先主题。虽然关于黄土高原水土流失规律、治理技术有了很多成果，取得了年均减少入黄泥沙量3.0亿t的显著效果，但与该地区经济发展和生态建设的要求相比还有很大差距。加之气候变化及不断增强的多种人类活动所形成的多元干扰环境，使得黄土高原水土流失仍然相当严重，在黄土高原水土流失治理及黄河中游水沙变化评价研究中仍有很多关键技术没有突破，需要进行系统、深入的分析。
目前，黄河水资源的开发和综合利用程度在我国各大江河中是比较高的，黄河治理也取得了巨大成就。然而，随着流域水利建设的不断发展，水土保持工作的深入扩大，水资源开发利用程度的持续提高以及气象水文的变化，黄河水沙情势不断改变，特别是自20世纪80年代中期以来，来水来沙量明显减少，水沙关系也发生很大调整，并由此给治河和水资源开发利用带来一系列新问题。其中，黄河中游近期（1997～2006年）水沙变化问题尤为突出和明显。1997年以来，在黄河流域仍呈降水持续偏枯的同时，人类活动的影响更为强烈，特别是中游水土保持治理力度逐渐加大，如1997年以来国家西部大开发战略决策的实施；2000年以来河龙区间水土保持生态工程建设的全面展开及生态修复和封禁治理试点工作的开展；2003年开始全面启动的“亮点工程”――黄土高原水土保持淤地坝工程建设等。随着退耕还林还草、淤地坝建设等水土保持治理力度逐渐加大，煤矿开采、交通设施建设、水资源开发利用等人类活动也显著加剧。由于黄河中游水土流失治理速度明显加快，治理标准不断提高，大规模、高标准的水土保持生态建设和日益强烈的人类活动已经对河龙区间和泾河、北洛河、渭河、汾河等四大支流的水沙变化产生了新的影响。
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