作者:史俊庭 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2015/10/23 8:51:01
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把泥沙留在黄土高原
黄河水利科研院水土保持研究所65年发展回眸

 

科学网郑州讯 (记者史俊庭)黄河哺育了中华民族并孕育了灿烂的中华文明,同时也使得黄土高原成为世界上水土流失面积最广、侵蚀强度最大的地区,进而引发了环境恶化、生态脆弱、水资源短缺和荒漠化等问题。

为此,黄河水利科学研究院一直将水土保持研究作为该院的主要研究领域之一。该院水土保持研究所(以下简称水保所)的前身为1956年设立的水土保持研究组,2002年11月设立水土保持研究所。

全所现有职工29人,包括教授级高级工程师6人,高级工程师10人,有土壤侵蚀、流域生态、水土保持工程技术和水土保持信息技术等4个研究室。有先进的测验仪器和大型扫描、绘图设备等近30台(套)。拥有甲级《编制开发建设项目水土保持方案资格证书》、甲级《水土保持监测资格证书》和水土保持设施验收技术评估3个资质。

建所初期,水保所研究方向主要为单一的土壤侵蚀和水沙变化规律研究。近年来,研究领域逐步扩展并涉及黄土高原侵蚀产沙规律、遥感技术与地理信息系统在水土保持工作中的应用等,研究方向逐步向水土流失过程与模拟、黄河中游砒砂岩区抗蚀促生治理理论与技术、流域水文过程及其生态效应等方面拓展。

自2000年以来,水保所先后获得国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步奖7项、黄委科技进步奖及其他成果奖励50余项;发表论文近300篇,其中,被SCI、EI、ISTP等三大检索收录近100余篇;出版专著10余部。同时,通过重大科研项目的历练,水保所还涌现出享受国家政府特殊津贴、水利部“5151人才工程”部级人才、河南省优秀专家、黄委优秀青年科技工作者等一批优秀科研人才。

激动人心的创新

几十年来,水保所承担并完成的科研成果逾百项。近10年来,水保所承担并完成国家自然科学基金项目、国家重点基础研究发展计划项目、水利部公益性行业专项等40余项,同时承担并完成西气东输、南水北调、水电站等国家重大战略性工程建设的水土保持方案编制、水土保持设施验收技术评估和水土保持监测等项目近200项。

黄河数学模拟系统研发首席专家姚文艺所带领的团队历经近20年,研发的水土流失数学模拟系统“黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型及工程应用研究”荣获2010年度河南省科技进步奖一等奖。

荣获2012年度黄委科技进步奖一等奖的“黄河流域水沙变化情势分析与评价”,在揭示黄河上中游1997~2006年水沙变化的机制与成因,定量评估水利水土保持、开矿、大型灌区引水等因素对水沙变化的贡献率等技术创新方面有所突破。

荣获2014年度黄委科技进步奖一等奖的国家自然科学基金面上项目“土壤抗蚀性对植被响应的力学机制研究”,采用35场野外小区水沙监测资料和72组野外坡面力学土样,通过24场室内人工模拟降雨试验,阐明了天然降雨和模拟降雨条件下植被措施的减流减沙作用,揭示了基于不同被覆条件的坡面侵蚀产沙水动力学机制,构建了坡面流阻力系数与降雨强度、坡度、覆盖度、地表粗糙度等因子的复合非线性模型,建立了植被增强土壤抗蚀性的力学模式,分析了临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系,定量表征了植被坡面抗蚀力和侵蚀力的力学效应,从力学层面认识了坡面侵蚀产沙的过程机制。有15篇核心期刊以上发表的论文对该项研究进行了诠释,其研究成果阐述了土壤抗蚀性对植被建设响应的力学过程的新认识。

2003年至2014年的12年间,水保所在黄委“黄河河情年度咨询及跟踪研究”重大项目中持续开展水土保持专题研究工作,并取得了重要的创新成果。

一直在前行的路上

2011年以来,水保所先后承担了多项国家重大科研项目和课题,已经取得了阶段性研究成果。

砒砂岩是黄河中游黄土高原上一种松散岩层,遇水如泥,遇风成沙,水土流失非常严重,治理难度大,被中外专家称为“世界水土流失之最”、“地球环境癌症”等,是黄河下游河床沉积的粗泥沙主要来源区,也是黄河河床淤积抬高酿成洪水灾害的“罪魁祸首”之一。

承担“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术集成与示范”的研究团队,向砒砂岩发起了“总攻”。

研究团队通过开展砒砂岩抗蚀促生与原岩改性治理关键技术研究,实现了砒砂岩地区抗蚀促生材料措施、生物措施与工程措施的集成技术及立体配置模式的优化,创新了砒砂岩区水土流失综合治理新措施、新模式。

项目选择具有代表性的砒砂岩小流域,开展基于植被重建立体配置模式研究,建设水土保持材料—工程—生物措施、坡面—沟道系统二元立体配置技术集成与多学科交叉综合示范区一处,建设砒砂岩改性筑坝和改性材料施工工艺优化的淤地坝示范工程一座,推动了黄河中游砒砂岩区水土流失的综合治理。

该项目也是探索有效促进砒砂岩水土流失区生态文明建设、减少进入黄河的粗泥沙、改善当地百姓生产生活条件、保障我国能源核心基地生态安全和黄河下游两岸及相关地区防洪安全的一条新途径。

即将结题的国家重点基础研究发展计划课题“沙漠宽谷河道水沙关系变化及驱动机制”,通过泥沙运动学、河床演变学、水文学、现代物理学、土壤侵蚀与水土保持科学等多学科交叉,地理信息技术、数学模拟、野外勘测与试验、室内实体动床模型试验、非线性数理统计等多技术多方法集成创新,辨识了百年尺度下黄河沙漠宽谷河段水沙变化趋势及自然和人类活动复杂系统多元驱动因子对近30年水沙变化的贡献率,原创性地提出定量评估长时序水沙变化趋势的计算方法;揭示了大型水库对沙漠宽谷河段水沙关系变异的影响及其调控动力机制;认识到沙漠宽谷河段悬移质泥沙组分特征及空间分异、不同粒径悬移质泥沙输移变化规律;发现了十大孔兑泥沙来源和人工植被与自然修复植被减蚀作用的差异性;创建了基于GIS的大型灌区水循环—河床演变过程耦合模型,突破了对灌区地表水循环、地下水循环、河道水沙运移、引水引沙多元水沙运行过程进行耦合描述的关键点;建立了描述多形态河床演变对水沙变化响应关系的动力模型,认识到水沙变化机制及多因素对水沙变化的贡献率,为黄河治理开发决策和上游重大水利工程布局提供了基础支撑。

与此同时,该项目还建成了“神木坡面水沙关系变化径流试验场”“十大孔兑典型区产流机制演化野外试验场”“沙漠宽谷河流水沙过程响应实体动床模型”“大型灌区水循环试验基地”等功能配套、目标明确的试验基地体系。其中,布设的大型灌区水循环试验基地面积达4万亩。

另据了解,水保所目前还有4项在研国家自然科学基金项目。其中,青年基金项目“坡面土壤侵蚀实体模型侵蚀产沙相似规律研究”以黄土高原典型坡面为研究对象,采用室内模拟降雨和野外定位监测相结合的研究方法,基于土壤侵蚀产沙的特殊自然规律,借鉴河流模拟理论与技术,探讨了坡面侵蚀产沙实体比尺模型的模拟理论与方法,研究了基于动力相似和运动相似基本原理,保证模型侵蚀产沙、泥沙运动输出结果相似的必要条件下,利用“非完全闭合比尺体系”的方法,揭示了坡面侵蚀实体模型几何相似及动力相似的必要条件,初步提出了坡面土壤侵蚀产沙实体比尺模型的相似方程即预测模型,并用野外原型数据进行了验证和修正。

青年基金项目“黄土坡面细沟形态量化描述及侵蚀产沙响应规律”以细沟形态变化为切入点,研究了坡面细沟时空演变规律、形态量化参数评价、“状态—时间”演化过程定量描述、坡面降雨—产沙—细沟形态定量响应规律,旨在克服现有水蚀预报模型中未能解决的坡面空间变异性问题,通过对细沟形态的科学量化达到揭示坡面降雨侵蚀产沙过程响应机制的目的。项目还综合运用非线性科学、拓扑学、熵等理论,建立了体现坡面地貌形态信息和侵蚀信息的描述方法,形成了较完整的细沟形态量化参数评价体系,从细沟形态的角度阐明了坡面降雨侵蚀产沙机制,为提高水土流失预报模型的可靠性和准确性提供科学依据。

建好平台做好研究

科研平台是开展高水平科学研究、聚集和培养优秀科研人才、开展学术交流的重要基地。近年来,水保所在科研平台建设上取得重要进展。

2008年10月,世界上最大的水土流失人工模拟降雨大厅在黄河水利科学研究院“模型黄河”试验基地开工建设,2010年7月建成。模型厅总建筑面积5265平方米。其中,试验厅长108米、宽45米,建筑面积4860平方米;试验分析及控制用房两层,长45米、宽4.5米,建筑面积202.5平方米。

模型厅内布设有可调坡度坡面模型、坡面—沟坡试验模型、沟道模型和小流域自然模型。试验厅的建成,为研究水土流失规律、建立水土流失数学模型提供了支撑平台,进而为水土保持措施规划设计、水土保持效益评价等提供了新的技术手段。

2011年12月,黄河水利科学研究院申报的“黄土高原水土流失过程与控制重点实验室”顺利通过水利部的认定和批复。

该实验室主要针对黄土高原水土保持生态与环境建设关键科学问题,以水土流失过程和控制机制为核心,通过系统研究黄土高原水土流失过程与机制、水土流失过程模拟与预测、水土流失过程控制理论与技术、水土流失监测与评价新技术新方法,以期取得黄土高原水土保持领域相关基础原理创新和关键技术突破。

该实验室的成立,对于推动我国水土保持科技进步,保障我国能源核心基地生态安全,实现国家水土保持重点建设目标和黄河长治久安,具有重要作用和科学价值。2012年9月27日,该实验室揭牌,标志着黄土高原水土流失规律研究部级支撑条件平台正式建立。

今年是黄河水利科学研究院成立的65周年,水保所始终以黄河流域为立足点,以黄土高原为中心,面向世界、面向未来,密切关注水土保持热点问题和技术难题,基础研究和应用研究并重。今后,水保所将进一步提高科研水平,加强成果推广应用,力争为水土保持学科发展和黄土高原水土流失有效治理做出更大的贡献。

 
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