长江科学院水土保持专业以服务治江事业为宗旨,立足长江、面向南方,紧密围绕土壤侵蚀机理,水土流失与江湖泥沙、地质灾害、面源污染等关系,水土保持共性关键技术等,积极开展基础科研与技术咨询,切实履行长江流域水土保持科技支撑职责,积极承担相关社会公益责任,为治江事业和国家生态文明建设做出了应有的贡献。经过10 a的发展,取得的主要研究成果有:首创移动式坡面水土流失高精度快速测评系统、完善创新以长江上游“排水保土”为代表的长江流域水土保持基础理论、区划理论首次用于中国山洪灾害防治领域、建立泥石流监测预报预警系统,且提出并解决了以工程开挖面与堆积体水土流失测算技术和水利行业标准《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》为代表的水土保持共性关键技术。
三峡库区是我国主要水土流失区之一,水土流失面积2.8万km2,三峡库区作为长江上游水土保持重点治理的“四大片”之一,从1989年开始实施了长江上游水土保持重点防治工程(简称“长治”工程)以来,经过20 a的连续治理,取得了较好的生态、社会和经济效益。在对库区湖北省秭归县、夷陵区、重庆市云阳县等典型县实地调研的基础上,分析总结了三峡库区“长治”工程20 a来的建设成效,主要体现在通过水土保持综合治理,库区水土流失恶化趋势得到扭转,2007年与1985年相比,水土流失面积减幅高达28%;通过水土保持规模经营,把山区的资源优势转化为经济优势,培育了以茶叶、柑橘为主的经果林等产业的发展,促进了库区群众增产增收,减缓了人地矛盾,提高了环境容量;同时“长治”工程对减少三峡入库泥沙和面源污染也起到了积极的作用。
洞庭湖是重要的水源涵养区,具有丰富的生物资源和土地资源。根据湖南、湖北2省统计资料,结合现场调查,分析了洞庭湖区水土流失面积、水土流失强度、水土流失可能产生的影响,总结了湖南、湖北2省近年来所采取的水土流失综合治理措施,提出了洞庭湖区水土流失防治目标。根据区域特点和地貌特征划分了丘岗区和平原区2个防治分区,针对每个分区提出了相应的治理模式,进一步按照工程措施和植物措施计算了相应工程量。分区规划和分区治理对防治洞庭湖区水土流失非常重要,对促进洞庭湖区生态恢复和可持续发展具有重要意义,同时也强调应做好洞庭湖流域中上游的水土保持工作。
为了在输油管道建设过程中采取合理的水土流失防治措施,减少水土流失,对输油管道工程的项目组成、施工组织进行了分析,重点介绍了一般管道敷设和穿越公路、铁路、河流段管道敷设施工工艺。在平原区和丘陵区作为一级分区的基础上,将输油管道工程分为管道作业带区、穿越工程区、站场阀室区、施工便道区和施工生产区5个防治分区。对分段管道的防治目标值加权平均得到工程的水土流失防治目标值,在此基础上分别确立了平原区和丘陵区输油管道工程的水土流失防治措施体系,分析工程措施、植物措施和临时措施的特点,因地制宜地采取合理措施来减少输油管道工程建设过程中的水土流失。研究成果为输油管道工程的水土流失防治措施提供了参考依据。
以三峡库区中心区域的龙河流域为研究对象,利用1963—2010年流域水沙资料,采用Pettitt突变点检验、累积距平法及双累积曲线法分析了该流域输沙量和降雨量的变化趋势,判别出降雨量在1982年、输沙量在1982年和1990年发生了突变。并采用累积量斜率变化率比较法分析了1963—1981年,1982—1990年,1991—2010年3个时段降雨量和人类活动在龙河流域输沙量变化中的相对贡献率。研究表明:以1963—1981年为基准期,1982—1990年间降雨量和人类活动贡献率分别为29.49%和60.51%,1991—2010年间分别为3.38%和96.62%;以1982—1990年为基准期时,1991—2010年人类活动对输沙减小的贡献率为100%。该研究揭示了1963—2010年输沙量的变化趋势及降雨和人类活动对其贡献率,研究不仅对该区水土流失治理、水土保持效益评价具有重要意义,同时为研究三峡水库区间水沙锐减的原因提供一定的理论支持。
针对生产建设过程中工程开挖引发严重的水土流失问题,通过野外模拟降雨试验,研究了不同开挖坡度(30°,40°,50°)坡面产流、产沙特征。结果表明:坡度、雨强均能对开挖面产流、产沙过程造成重大影响,随着坡度增大,不同雨强(0.65,1.15,1.65 mm/min)下开挖面产流、产沙参数值增大,产流率介于0.47～0.72 mm/min之间,径流系数介于0.39～0.63之间;产沙率介于8.64～49.80 g/(m2·min)之间,径流含沙量介于17.27～77.64 kg/m3之间;但在相同坡度下,随着降雨强度的增大,产流、产沙参数值的变化存在差异。产流率随雨强增大而增大,径流系数的中(1.15 mm/min)、高(1.65 mm/min)雨强无明显差异。坡度30°的开挖面产沙率随雨强的增大而增大,坡度增大时,中、高雨强坡面产沙率接近;50°开挖面产沙率和径流含沙量在3个雨强下呈高—低—高势。试验成果为开挖面水土流失的预测、评价提供数据支撑,同时也为生产建设项目水土流失防治及水土保持监督执法提供科学依据。
采用可变坡的3 m×1 m土槽进行人工降雨和放水冲刷试验,在不同坡度(5°~20°)、不同雨强(0.6~2.5 mm/min)和放水流量(1.6~7 m3/s)情况下,对紫色土坡面的产流产沙特征进行了研究。结果表明:放水冲刷试验中径流流速从坡上到坡脚表现出先增加后减小、逐渐增大和逐渐减小3种趋势,而人工降雨试验则恰恰相反,径流流速从坡上到坡脚表现出逐渐增大的趋势;15 min是2种试验方法产流过程稳定的临界时间;人工降雨试验径流含沙量稳定的时间介于5~50 min之间,放水冲刷试验含沙量稳定的临界时间为20 min。试验成果可为后续紫色土侵蚀相关研究提供数据支持。
为分析不同农作物用地土壤团粒结构稳定性,揭示种植模式和作物生长对土壤质量的作用与影响,以晋西黄土丘陵区主要农作物用地土壤为研究对象,以分形维数D和矩法参数为指标,分析不同种类农作物用地土壤团聚体稳定性。结果表明:基于表层土壤团粒分形维数,土壤结构稳定性变化由强到弱依次为土豆、黍子、绿豆、黄豆、苹果、玉米、向日葵、核桃;基于表层土壤水稳性团粒分形维数,土壤结构稳定性变化由强到弱依次为绿豆、黄豆、土豆、向日葵、黍子、玉米、苹果、核桃;比较不同农作物用地0.25~3 mm粒径土壤团粒含量,得出土壤肥力变化由大到小依次为黍子、绿豆、黄豆、土豆、玉米、向日葵、苹果、核桃。用矩法的理论和特征参数评价得出:农作物用地0~20 cm深度的土壤偏度系数CS普遍小于20~40 cm土层;核桃地表层土壤偏度系数CS甚至转为负值;峰凸系数CE差异不大,均为负值。研究成果表明:人为干扰对表层土壤结构破坏作用明显,农作物用地土壤结构稳定性普遍较差。
通过室内特制的土壤水分入渗试验装置,分别设置正、倒直角三角形单一质地土壤剖面,探讨紫色土的不规则剖面均质土壤入渗特性。参考Green-Ampt模式思路,建立了紫色土典型三角形均质剖面入渗模型。试验结果显示:粗质地的湿润锋随时间推进速度快于细质地;同一质地,正直角三角形剖面铅直面湿润锋随时间推进速度快于倒直角三角形剖面,但入渗速率小于倒直角三角形剖面;入渗前期,正三角形剖面的斜面湿润锋随时间推进速度快于倒直角三角形剖面,随入渗继续,反而逐渐慢于倒直角三角形剖面。各剖面入渗的湿润锋、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。建立的紫色土典型三角形均质剖面入渗模型经实测值验证,模拟值与实测值具有非常好的一致性,且可与经验模型相互转换,模型参数也具有一定的物理意义。
采用室内试验方法,研究不同种类盐分在相同土质、相同供水条件以及相同外界环境条件下,土壤蒸发强度随土壤溶液盐分的种类和浓度的变化规律。研究结果表明:在同等条件下,含盐土壤蒸发强度小于不含盐土壤,而且随着盐分浓度的增加,其蒸发强度逐渐减小,但各试验组蒸发强度随盐分浓度的变化规律有所差异;在一定的浓度条件下盐分浓度的增加对蒸发速率影响不大,超过了一定浓度范围,盐分浓度越大,蒸发速率越小。不同种类含盐试验组处于相同的初始盐分浓度情况下,蒸发速率呈现出比较明显的差异,即KCl > CaCl2 > NaCl > MgSO4。
土壤机械组成是土壤最基础的资料之一,在土壤结构性等方面扮演重要角色,它受到成土母质、气候、地形、生物和人类活动等因素影响。根据《中国土种志》及部分地方土壤志记载的333个红壤剖面数据,研究了红壤机械组成受成土母质和土地利用的影响程度。结果表明:成土母质和土地利用均可以对红壤机械组成产生影响;成土母质与土地利用相比,前者对于红壤机械组成的影响更为深刻;土地利用对红壤机械组成影响不大。成土母质对红壤机械组成的解释程度随着深度的增加而增大,可解释红壤机械组成变异的25%左右。研究成果可为红壤性质的研究以及红壤的改良与农业利用提供理论支持。
以全球变暖为主要特征的全球气候变化导致降雨侵蚀力改变,从而影响区域土壤流失过程。因此,研究气候变化对降雨侵蚀力的影响,对适应和预防全球气候变化、争取环境外交主动权、制定农业发展战略具有积极作用。对相关研究成果进行了总结:国外相关研究由侧重单一的降雨量变化对降雨侵蚀力的影响,发展为气候变暖和土地利用类型的变化对土壤侵蚀环境的综合影响;国内相关研究起步较晚,侧重于不同区域降雨侵蚀力的计算,在长江流域,气候变化对降雨侵蚀力影响的相关研究较少。加强相关研究,既可为长江流域降雨侵蚀力的研究提供理论依据,又可为长江流域降雨侵蚀的防治和气候变化下水保措施的制定提供技术支撑。
强烈的人为作用造成我国西南喀斯特区水土流失严重,并导致了石漠化。而碳酸盐岩风化后残留物极少,土壤形成速度极慢,又导致石漠化的恢复极难。因此,西南喀斯特区石漠化的核心问题就是土壤形成与流失的矛盾。目前对于碳酸盐岩成土速率的计算,都是基于剖面上碳酸盐岩溶蚀速率来推算的,溶蚀速率是通过灰岩标准试片溶蚀速率确定的,只考虑了岩-土接触面上的碳酸盐岩溶蚀速率,不考虑碳酸盐岩岩层间和岩体内部的风化作用。而可以包含以上3种成土模式的流域地球化学平衡法,则是在花岗岩地区建立起来的,应用在碳酸盐岩上,必须对其进行修正。碳酸盐岩的风化成土与花岗岩的差异较大,碳酸盐岩的风化分成2个过程,即碳酸盐岩风化形成残积物和残积物进一步风化形成土壤。在综述前人研究成果的基础上,提出了在风化速率计算中增加残积物风化模块,以区分碳酸盐岩基岩与残积物2个不同风化过程的方法,来修正基于花岗岩建立的流域地球化学平衡法,以适合碳酸盐岩上土壤形成速率的计算。
将诱发山洪灾害的主要因子,分为作用相对稳定的稳定因子和震前震后作用变化较大的复杂因子2类,分别刻画图层,并综合运用逐步回归、AHP等主客观方法分别定量估算它们对震区灾害格局的影响程度,最后通过ArcGIS的叠加分析功能得到震区山洪泥石流灾害危险性分布图。通过与已有近似成果的比较,显示出研究所持评估体系良好的适用性。研究结果可为震区山洪泥石流灾害防治工作提供参考。
灾害预警难易程度评价是我国山洪灾害防治研究的一项基础性课题。基于历史灾害、地理背景、社会经济等数据资料,利用地统计分析方法,从设备投入使用维护环境、致灾过程类型和下垫面复杂性3个方面,初步构建山洪灾害预警难度评价指标体系;并采用层次分析法对各项指标进行打分定权,建立评价模型;最后以长江流域为例,对其山洪灾害预警难度进行评价。结果显示:预警难度较大的区域主要集中在甘肃南部、四川中部、云南北部、贵州东北、湖北西北以及重庆大部分地区,这些地区为滑坡、泥石流多发区,山高坡陡可达性差,设备布设、使用和维护成本高或难以执行,以及经济建设相对比较落后、地区财政压力较大;青海、四川盆地、长江中下游山洪灾害预警难度相对较小,评价结果与典型区实地调研情况有较高一致性。研究结果可为我国山洪灾害防治宏观决策提供新的分析视角和依据。
以赣抚平原灌区内的芳溪湖典型小流域为研究区域,基于改进的SWAT模型,针对典型水文年年内不同降雨条件,模拟灌区氮磷面源负荷的迁移规律,同时对灌区农业面源污染负荷流失量的空间分布规律进行了模拟分析。结果表明,降雨是氮磷负荷流失的主要驱动因子,氮磷流失量随降雨的波动而变化,并与降雨同步达到峰值。因此,在灌区需加强汛期田间水肥管理,以减少氮磷的流失,提高肥料的利用率;在相同降雨条件下,研究区氮、磷负荷流失量空间分布差异较大,呈现出水系上游流失量多下游流失量少的趋势;在防控和治理灌区面源污染时,可适当考虑面源污染的空间分布规律,采用沿途生态沟渠和湿地对灌区内的面源污染负荷进行稀释和净化,以达到减轻和治理面源污染的效果。
目前关于生态需水的研究较多,但相关研究主要是从水资源需求和流量控制这2个角度进行理论方法以及案例应用方面的探讨,未将二者有力地结合在一起。将河道生态需水总量与河流生态需求流量相结合,提出了生态需水系数-水文参数耦合模型,选择西南纵向岭谷区2条典型河流的相似断面进行案例应用研究,分别计算了河道内生态需水量和河流生态需求流量,并对比分析了二者的结果,同时对不同地区的案例应用进行了比较分析。经过计算,结果表明:红河河道内最小、适宜以及理想生态需水量分别占还原径流量的21.55%,34.51%,54.62%;而澜沧江河道最小、适宜以及理想内生态需水量分别占还原径流量的15.61%,27.45%,48.85%;由红河干流生态需求流量推算的河道内生态需水量占还原径流量的42.27%,而澜沧江推算值为19.06%。分析可知:生态需求流量与河道内生态需水量由于应用层面不同而使得其结果有一点差异,通过对二者的综合分析,可以为水资源管理以及生态保护提供一定的科学支持;多元相关性分析结果表明,提出的河流生态需求流量的模拟结果有很强的相关性;将生态需水系数-水文参数耦合模型应用于澜沧江与红河生态需水的计算研究,发现该模型具有很强的实际操作性。
工业化进程的加速和人类活动的加剧引起了一系列的环境变化。其中,由臭氧破坏引起的紫外辐射的增加是目前人们面临的严峻问题。先就目前UV-B(紫外线B波段)辐射增加的现状,以及国内外关于UV-B辐射对植物生理生态的影响研究进行了概述;然后,对国内外关于植物对UV-B辐射增加的响应研究进行了总结;最后指出了研究的不足和后续研究的重点方向。研究成果对后续深入研究UV-B辐射对植物生理生态特征的影响具有一定的指导意义。
人口和社会经济数据及其空间分布,在资源、环境及自然灾害评估中的重要性已被广泛认知。把遥感和GIS技术相结合,是探讨解决社会经济统计数据空间化的重要思路。以东江流域为例,以多期人口、GDP、土地利用数据为基础,建立东江流域人口与土地利用、GDP和土地利用的多元线性回归模型;以土地利用数据和100 m×100 m网格数据为基础,构建东江流域人口和GDP空间分布约束力指标图层;然后结合统计模型和面积内插,实现了东江流域2009年人口、GDP统计数据的空间化。在县域空间尺度上对模拟结果进行了验证,与同尺度研究工作进行了对比,结果显示模拟得到的人口和GDP空间分布数据,与同尺度的研究工作处于同一精度或者略高的精度水平,表明该方法是一种进行流域社会经济数据空间化处理的有效方法。
