浙江省水土保持科技创新探索与实践

邬杨明,叶永棋,叶碎高,马昌臣

(1.浙江省水土保持监测中心,浙江 杭州 310009；2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020；3.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

水土资源是人类赖以生存的基础条件和重要前提,保护水土资源既是保护现实生产力,也是保护经济社会可持续发展的能力。在全面建设小康社会、加快推进社会主义现代化建设的新历史时期,水土保持的基础地位和作用更加凸现。2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》[1]中明确做出了“搞好水土保持和水生态保护,采取小流域综合治理、坡耕地整治、造林绿化、生态修复等措施,有效防治水土流失。进一步加强重点区域及山洪地质灾害易发区的水土流失防治”,相配套的《中共浙江省委浙江省人民政府关于加快水利改革发展的实施意见》 (浙委 [2011]30号)[2]中,也相应提出了 “加强水土保持,推进易灾地区、江河源头区、水源涵养区水土流失防治,……加大造林绿化、生态修复、坡耕地退耕还林力度”的要求；充分体现了党中央对水利、水土保持工作的高度重视。十八大[3]提出了“大力推进生态文明建设”,并指出“加大自然生态系统和环境保护力度,……推进水土流失综合治理,坚持预防为主、综合治理,……强化水、大气、土壤等污染防治”、实施“建设美丽中国”等,对水土流失防治提出了明确要求,为新时期水土保持事业发展指明了方向。

浙江省各地仍有不少坡耕地、园地、经济林地存在严重的水土流失问题。近几年,大量的低丘缓坡开发、土地整理,在提供土地资源、促进农民增收的同时,由于部分地区未采取相应的水土流失防治措施或措施不当等原因,造成的水土流失问题也较为突出。因此,为有效防治水土流失,保护土地开发利用和社会经济建设中的水土资源,推动水土保持各项事业的进程,提高整个社会对水土保持工作的认可,近年来浙江省在水土保持科技创新方面进行了有益的探索和实践。

2 浙江省水土流失的特点与危害

浙江省日照充足雨量丰沛,森林覆盖率高达60%。自然条件下,水源涵养能力、土壤保育能力较强,水土流失较少且轻微。根据全国水利普查水土保持情况普查浙江省普查结果及2012年度全省水土流失样地调查结果,2012年全省共有水土流失面积9677km2,占全省总土地面积的9.34%。全省以轻、中度为主,轻度水土流失面积占到水土流失总面积的69.9%,中度水土流失面积占水土流失总面积的20.8%。

浙江省陆域面积10.18万km2,山地多平地少,素有“七山一水二分田”之称。根据2010年第六次全国人口普查结果,浙江全省常住人口5442.69万,主要集中在平地。人口密度大,基础设施建设、低丘缓坡开发、开发园区建设、经济林地等各类生产建设活动频繁,加之降雨强度大,导致水土流失分布广、强度大,水土保持问题不容忽视。

浙江省水土流失的危害具有鲜明地方特色,主要表现在：

(1)山区土层薄,稍有流失,土地即丧失生产能力,危及山区农业(经果林业)的可持续生产。一方面,由于水土流失带走的细粒级组分是土壤中质量最高的部分,结果造成土壤中有机质和养分的大量流失,土壤肥力下降；另一方面,水土流失带走大量的肥沃表土。浙江省山地和丘陵面积占陆域总面积的70.4%,山区土层薄,加之浙江省降雨强度大,土壤再生能力差。

(2)污染河道及水库水环境、危及城镇供水水源安全。浙江省县以上城市有69%以水库为水源地,占到全省集中式供水人口的62.7%,水库已成为浙江省城乡供水的生命线[4]。而水土流失的水土携带大量的有机质、重金属和化肥、农药,流入江河湖库,为水体富营养化提供补充,污染水质,危及城镇供水水源安全。据统计研究,水土流失已成为我国水源氮、磷、钾污染的主要原因。长江中上游宜昌站年均输沙量5.3亿 t,估算其中含氮、磷、钾500万t[5]。

(3)泥沙淤积平原河网,加剧洪涝灾害和城市内涝,影响工程效益的发挥。20世纪60年代以来,浙江省八大水系因泥沙淤积,河床普遍抬高0.5～1.0m,内河航程缩短了1000多公里。水流中裹挟的大量泥沙进入水库后,造成水库淤积,库容减小,严重影响了工程效益的发挥。浙江省新安江水库因周围山地的水土流失量增加,其使用寿命预计将缩短至原设计的1/5[6]。

3 浙江省水土保持科技的探索实践

3.1 水土保持监测技术与设备研发

为提高水土流失监测精度与效率,高效开展水土保持工作,提高整个社会对水土保持工作的认可,近年来开展了土壤侵蚀监测设备研制、核示踪监测技术应用研究以及无人机航拍监测试验研究工作。

3.1.1 土壤侵蚀监测设备研制

2006 年在浙江省水利厅的支持下,浙江省水利河口研究院开展了“水土流失实时监测关键技术研究”,包括径流中的泥沙含量监测、数字采集、数字传输、数字分析处理技术和监测仪器设备等方面的研究开发,在我国首次对传统的水土流失监测设备设施进行自动化改造、设计,全面提升了监测系统的自动化水平和监测数据的准确性,并完成了土壤侵蚀实时监测仪的设计与原型机制作工作[7-9],获得实用新型专利2项[10-11],发明专利1项[12]。目前该仪器已在浙江省水土保持监测网络推广应用。浙江省水利河口研究院自主研发的 “便携式侵蚀沟测量仪”[13]采用了传统地表糙率仪并结合激光扫描技术,实现了对坡面土壤侵蚀沟的自动化跟踪测量,具备了侵蚀沟地貌特征、侵蚀量变化和侵蚀过程的时空变化的动态监测能力,大大提高了坡面侵蚀沟监测的工作效率。通过该仪器的研发,获得了实用新型专利和发明专利各1项[14-15]。该设备被浙江大学实验室采用,并应用于林下水土流失监测。在此基础上,浙江省水利河口研究院开发了一种能较好应用于三维面状水土流失场地的监测工具—转角结构激光土壤侵蚀监测仪。该仪器通过更加精准地对监测对象的定位观测,实现对监测区域水土流失量准确测量和动态演变的把握。获得实用新型专利1项[16],申请发明专利1项[17]。

为了解决土壤侵蚀观测的自动化问题,中国水电顾问集团华东勘测设计研究院自行研发了一种不同于传统人工读取数据的自动化观测技术—“用于土壤侵蚀观测的光电测尺”,以及一种专门针对开发建设项目的、廉价的、采样数量少的无人值守式设备— “用于开发建设项目土壤流失观测的自动采样瓶”,并分别获得了实用新型专利[18-19]。

3.1.2 核示踪技术在水土流失监测中的应用研究

依托浙江省科技计划项目“137Cs在生态环境监测中的应用研究”,浙江省水利河口研究院开展了137Cs核示踪技术研究,揭示了浙江省典型用地的土壤侵蚀规律、分布特征及水土流失背景值,并建立了全省水土流失背景值分区计算模型[20-21]。

中国水电顾问集团华东勘测设计研究院则开展了7Be(铍)核示踪技术研究,并应用于大型开发建设项目背景值的估算中,取得了较好效果[22-24]。

3.1.3 无人机技术在水土保持监测中的应用研究

在浙江省水利河口研究院科研基金支持下,2008年开展了 “无人机低空遥感影像在水利行业应用”项目研究。分别开展了滩涂资源调查、浙东引水工程水土保持监测等试验研究,取得了较好效果。遗憾的是由于当时无人机售价昂贵、操作困难,得出了技术上可行、经济上不合理的结论。近几年来,随着无人机技术的不断成熟,造价逐步下降、操纵日趋简化,无人机在水土保持监测中的应用又被提上了议事日程。目前,浙江省水利河口研究院已组织开展无人机研制和应用研究,适用范围逐步扩大到水域监测、水土保持监测、水旱灾情监测和海洋测绘、资源调查等领域。

中国水电顾问集团华东勘测设计研究院无人机遥感技术在江苏省走马塘拓浚延伸工程、舟山电厂二期4号机“上大压小”扩建工程、浙能舟山六横电厂工程(2×1000 MW机组)等工程中得到了应用。

3.2 水土流失规律试验研究

从浙江省水土资源状况来看,一是人口密度大,人均拥有土地资源不足全国的1/3,土地资源相对匮乏；二是全省丘陵山地面积占总土地面积的70%,土地后备资源严重不足,部分农业生产仍分布在坡陡、土薄的山坡上,土壤保水、保肥性差,不仅开发利用价值较低,而且人为的耕作、经营等扰动,还导致了更加严重的水土流失,引发了土地资源利用的恶性循环；三是水资源时空分布不均,水质型缺水问题比较突出,水资源供需矛盾非常尖锐,伴随着水土流失而产生的江河、水库水体富营养化,水质下降的现象已十分普遍。针对浙江省水土流失特点,近年来先后开展了 《小流域水土流失规律研究》、《钱塘江流域降雨侵蚀力模型研究》、《水源地滨水缓冲带植物净污能力研究》、《浙江省典型经济林水土流失防治模式研究》、《浙江省生态清洁小流域建设技术体系及评价指标研究》、《浙江省小流域水土流失综合治理技术导则》以及其它一些省水利厅科技项目等一系列研究课题,对浙江省典型小流域水土流失规律进行了探索[25-28],从而研究、提炼适用于浙江省社会经济发展特点的小流域水土流失治理技术和水源地保护技术。

3.3 低丘缓坡水土流失防治对策研究

低丘缓坡作为浙江省重要的土地后备资源,将成为浙江省未来土地开发利用的重点。低丘缓坡开发利用过程的大范围挖填扰动,存在着较严重的水土流失隐患,开发建设与生态环境保护的矛盾日益凸显。为探索研究不同开发方式低丘缓坡土地的水土流失防治对策,有效遏制低丘缓坡土地开发过程中的水土流失,2007年开展了“浙江省低丘缓坡土地利用与水土流失现状调查研究”、“浙江省低丘缓坡水土流失防治对策研究”等研究工作。对不同开发利用类型水土流失成因及变化规律进行了探索[29-33],提出了不同类型的低丘缓坡水土流失的防治措施及管理模式,为低丘缓坡土地资源开发利用过程中保护生态环境提供技术支撑。

3.4 浙江省水土保持应用技术研究

为适应新形势下生产建设项目和生态建设项目水土保持工作的需要,2011年浙江省组织相关技术服务及科研单位对近十多年来浙江省生产建设项目和生态建设项目水土保持设计的新理念、新技术和新方法进行了系统整理和分析,完成《浙江省生产建设项目水土保持技术和管理手册》、《浙江省水土保持防治实用技术指导手册》和 《浙江省水土保持植物应用指导手册》等系列技术指导手册,为水土保持监督管理人员、方案设计人员及现场施工人员提供技术参考材料。

此外,由于生产建设过程中产生的水土流失量的监测,是目前水土保持监测的一个难点。根据浙江省暴雨强度大、地表组成物质以石为主、地貌为丘陵山区的特点,积极探索适宜于浙江省生产建设项目水土流失地面监测技术。2008年完成了《浙江省开发建设项目水土保持监测技术指导手册》。根据新时期水土保持发展要求和项目建设特点,2013年立项《浙江省水土保持监测技术规范研究》。

3.5 水库水源地水土保持技术研究

水库是浙江省重要饮用水源地,目前全省主要供水水库中,绝大部分已经进入中、富营养化状态,水库水源地的地形、地貌特征以及水系特点,决定了面源污染具有分散、不易收集等特点,面源污染防治有其特殊性。根据面源污染与水土流失的相关性高的特点,将水土流失防治与面源污染防治相结合,依托浙江省重要供水水库(汤浦水库、珊溪水库等),开展并完成了《水源地滨水缓冲带植物净污能力研究》、 《浙江省水库生态浮床适宜植物遴选研究》、《水库人工湿地技术研究》、以及以水源保护为中心的《浙江省生态清洁小流域建设技术体系及评价指标研究》等研究课题。经过近10a的探索与实践,在工程实践的基础上,开展了技术研究与探索,形成了从山上到水体的水源地保护水土保持技术体系,包括生态修复与水源涵养技术、农业农村面源污染治理技术、滨水缓冲带防污减污技术、人工湿地技术、生态浮床技术等水源地保护技术[34-39]。以水源地保护为主要目标的“浙江省水土保持生态修复规划报告2006—2010”荣获2008年度浙江省优秀工程咨询一等奖。

3.6 河道生态建设水土保持技术研究

浙江省地处东南沿海,境内河流众多,水网密布。据初步统计,浙江共有河道6万余公里,其中95%以上为农村河道。河道既承担着防洪排涝的重要功能,也是农村水资源和水环境的重要载体,与群众生产生活和农村经济社会发展密切相关。因多种原因,长期存在着河道淤积严重、行洪排涝能力不足、水污染问题严重、河道脏乱差等多种问题。河道长期没有得到全面有效治理,淤积和污染问题比较严重,不仅削弱了农村防洪排涝能力,而且制约着农村经济社会发展环境,甚至影响到广大农民的健康生活[40]。浙江省2003年开始开展以“水清、流畅、岸绿、景美”为目标的 “万里清水河道工程”建设。2006年以植物措施为突破口,开展植物措施在河道生态建设中的应用研究。经过多年的实践和研究,形成了以防止土壤、营养物质流入到水体,恢复河道生态系统为目标的河道生态建设水土保持技术体系,包括生态护岸技术、河道植物技术、生态浮床技术、人工水下森林技术等。“植物措施在‘万里清水河道建设’的应用研究”获2009年浙江省水利科技创新一等奖。

4 结 论

浙江省水土保持工作者结合本地实际,开展了一些创新性的探索与实践,遇到了不少困难、发现了不少问题,也取得了一些的成果,促进了浙江省水土保持科技的进步。随着社会经济的发展,政府和民众对生态环境的要求不断提高,对水土保持的要求也将随之提高,水土保持的工作领域将不断扩展。今后一段时间,除了对上述领域进行深入研究外,尚需在不同土地利用情况下的水土流失规律、城市水土保持以及水土保持与防灾减灾等方面做进一步的探索和实践。

4.1 水土保持基础研究

水土保持能够有效地保护和培育水土资源,实现水土资源的可持续利用。通过采取工程、植物和农业耕作措施,改变原来土地的立地条件,增加地面覆盖,可有效控制土壤侵蚀,提高土地生产力和资源利用率。因此,为有效防治水土流失,保护农业开发利用中的水土资源,有必要对不同土地利用情况下的水土流失规律进行研究,从而有针对性地提出水土保持措施优化配置方式,为浙江省水土保持工作提供技术支撑。

4.2 城市水土保持研究

随着我国现代化进程的推进,越来越多的农村人口涌入城市,房地产开发飞速增长,城市施工建设规模逐渐扩大,这就使城市的水土流失、环境问题日益突出。“逢雨必涝,遇涝则瘫”一时之间成为我国城市建设的面临的重要问题。究其原因,除了暴雨强度大的客观原因外,其中一个重要原因是城镇化过程中不注意保护水、土资源,忽视了生态保护与恢复,特别在降雨较多、强度较大、经济较发达的浙江省,水土保持工作显得尤为重要。

4.3 水土保持与防灾减灾研究

浙江省有“七山一水二分田”之说,丘陵山地切割强烈,地形破碎,地表坡度大；但同时又是我国降水较丰富的地区之一。由于独特的地貌特点和气候条件,历来是洪涝台旱灾害的多发地区。近年来由于水土流失,河道淤积,行洪、调洪能力下降,山体滑坡、泥石流等地质灾害增多,严重影响经济社会发展和社会的安定,因此需在水土流失与洪涝灾害的发生机理、防灾减灾等方面进行探索研究,更好地发挥水土保持在区域生态安全保障中的作用。

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