长江科学院水土保持专业研究进展

张平仓，程冬兵，丁文峰

(长江科学院 水土保持研究所，武汉，430010)

长江科学院水土保持专业研究进展

张平仓，程冬兵，丁文峰

(长江科学院 水土保持研究所，武汉，430010)

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。

水土资源;水土保持；水土流失；成果;长江

1 研究所诞生背景

水是生命之源，土是生存之本，水土资源是人类社会生存和发展不可替代的基础资源。水土保持是我国一项基本国策，科学开展水土保持工作，有效防治水土流失，保护和合理利用水土资源，是我国生态文明建设的基础，是落实科学发展观、全面建设小康社会的重要任务。《中国人民共和国水土保持法》中明确要求加强水土保持科学技术研究，为我国水土流失防治和生态环境建设提供科学依据。

长江流域是我国水土流失最为严重的区域之一[1]。2007年《长江流域水土保持公报》显示，长江流域水土流失面积为53.08万km2，年土壤侵蚀总量约19.36亿t，严重的水土流失不仅造成区域生态环境恶化，而且严重影响了全流域经济社会的可持续发展。经过60多年，特别是改革开放后30多年来的水土流失治理，长江流域水土保持取得显著成效，水土流失得到有效控制，水土流失面积大幅减少[1]。然而长江流域幅员辽阔，自然情况千差万别，水土流失治理任务依然十分严峻，科研滞后于生产，由于缺乏流域层面的专门水土保持科研机构，水土流失基础研究非常薄弱，诸多治理关键技术急需解决。20世纪90年代末，尤其是1998年长江流域特大洪水后，水土保持工作引起了党中央和国务院的高度重视，如何加快水土流失防治进程，如何更好地为生态环境建设服务被提到议事日程。在这种形势和背景下，为及时准确地掌握长江流域水土流失现状、动态趋势及发生发展规律，科学利用高新技术与最新研究成果来解决长江流域水土流失问题，长江科学院水土保持研究所于2003年7月正式挂牌成立，其定位是立足长江、面向南方，研究水土流失规律及其与江湖泥沙、区域环境灾害关系，为长江流域水土流失治理和生态建设提供科技支撑，并在全国水土保持行业开展科技研发与咨询服务。

2 专业发展现状

在水利部、长江水利委员会、长江科学院各级领导的支持和关怀下，在国家政策的支持下和市场经济的引导下，水土保持专业发展迅速，项目数量从无到有、从少到多，项目来源从水利部、科技部、环保部发展到三建委、中科院、国家基金委、国家林业局等部门，国际合作也稳步开展。10 a来，水土保持研究所先后承担完成了国家科技支撑计划、“973”计划、国家农业科技成果转化、国家自然科学基金、环保部水专项、水利部修缮购置项目、水利部公益行业专项、水利部“948”项目、水利部科技推广项目、水利部科技创新项目、水利部技术标准、水利部引智项目、欧盟第七框架项目、中德合作交流项目等80余项基础科研项目，同时还积极参与完成了全国山洪灾害防治规划、全国水土保持规划、长江流域水土保持规划、三峡库区水土保持规划、三峡库区后续规划及其他多个区域综合规划，为机场、核电、水电、火电、风电、码头、原油管道、原油储备库、金属矿、河道整治、公路、铁路、移民安置、输变电等多个行业的800余项生产建设项目提供了技术咨询服务。

根据水土保持专业发展需求，除在武汉沌口建设有水土保持试验基地外，还设有商南秦巴山区山洪灾害野外观测站、宜昌前坪水土流失控制技术示范推广基地、长江上游水土流失与面源污染岷江流域宜宾监测站、赤水河流域毕节和遵义监测站、乌江流域龙里监测站等野外科研基地，是水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心、水利部江湖治理与防洪重点实验室、湖北省水土保持工程技术中心、流域水资源与生态环境湖北省重点实验室的主要依托单位和参与单位，创建了具备开展水土保持及相关学科研究的优越科研平台。目前，水土保持专业发展已得到国内同行高度肯定，是中国水土保持学会理事单位、中国水土保持学会滑坡泥石流专业委员会副主任单位、中国土壤学会土壤侵蚀与水土保持专业委员会委员单位、中国南方水土保持研究会理事单位、湖北省水土保持学会副理事长单位，是国内外水土保持科研领域、咨询服务的一支不可或缺的科研劲旅。

3 主要专业成果

水土保持研究所成立以来，始终把履行长江流域水土保持科技支撑职责放在首位，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积极贡献。10 a来，长江科学院水土保持专业发展及主要成果如下。

3.1 首创移动式坡面水土流失高精度快速测评系统

针对国内外传统土壤侵蚀和水土流失监测手段与方法存在获取数据周期长、数据精度不高、人力物力投入高等问题，研发了国内首个移动式坡面水土流失高精度快速测评系统，主要包括以下2个方面的内容：

(1) 水土流失移动实验室。依托2006年水利部修缮购置项目“水土流失移动实验室”，以坡面水土流失过程实验数据采集为切入点，创建现代化的水土流失过程实验采集系统，成功将人工模拟降雨装置、可变坡侵蚀土槽、高压供水装置、土壤理化性质测试装置等集成，真正实现了移动、模拟实验一体化。水土流失移动实验室不仅能满足开展坡面土壤侵蚀产流、产沙规律、坡面流水动力学特征等方面的基础研究，更加适用于生产建设项目水土保持现场监测。因为水土流失移动实验室无需在现场额外布设水土保持监测土建设施，可以节省大量人力、物力和财力，同时还可大幅度提高水土保持监测精度，特别是通过不同类型扰动和原状土壤侵蚀实验对比，可以直接获得扰动土壤加速侵蚀模数，以及原状土壤的侵蚀背景值，对于水土保持方案编制过程中的水土流失预测及生产建设项目水土流失防治提供科学依据[2]。目前，水土流失移动实验室已被用于多个国家自然科学基金的科学实验和生产建设项目的水土保持监测，其新颖的实验过程和水土流失参数快速获取引起了社会广泛关注。

(2) 基于HDS3000的坡面侵蚀形态高精度信息获取技术。依托2005年水利部“948”项目“水土流失过程与数据集成试验研究系统技术引进”，在国内率先将三维激光扫描系统(HDS3000)应用于土壤侵蚀和水土保持监测领域，并进行技术消化吸收再创新。通过对侵蚀坡面实时、动态、高精度扫描采集数据，获取坡面数字空间信息，结合CYCLONE三维数据处理和建模软件，建立高精度三维模型，然后分析计算坡面土壤侵蚀的空间分布，为土壤侵蚀高精度研究提供了一种全新的技术手段。与传统研究方法对比，该技术具有精度高、速度快、效率高、信息直观、信息量大、应用范围广等优点[3-4]。目前该技术已相继应用到多个国家自然科学基金的科学实验和生产建设项目的水土保持监测。

3.2 完善创新长江流域水土保持基础理论

以国家重点基础研究发展计划(973)项目“中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控”、国家自然科学基金“紫色土坡耕地壤中流养分输出特征及模型研究”、国家“十一五”科技支撑课题“坡地高效生态农业的基础设施配套技术研究”、水利部科技创新项目“基于土壤抗侵蚀特征原位测试的坡面石漠化过程研究”等一批国家级项目为依托，完善创新了多项长江流域水土保持基础理论。

(1) 首次提出了长江中上游紫色土地区普遍存在“壤中流”现象的概念。采用人工模拟降雨试验方法对长江中上游典型侵蚀地区的坡面产流产沙过程进行了研究，发现地表径流并不是产生土壤侵蚀的唯一动力，“壤中流”在总产流量中占有较大比例，普遍存在的“壤中流”在土壤侵蚀尤其是重力侵蚀中起到了相当重要的促发作用，由此揭示了长江中上游地区不同于其他区域的土壤侵蚀机理，并提出了同时收集地表径流“壤中流”小区修建的改进方法[5-6]。

(2) 提出了长江上游“排水保土”的具有区域特色的水土保持原理。针对长江上游土壤入渗速度快，蓄水容量小的特点，通过深入研究坡面土壤侵蚀机理，提出实施以“排水保土”为核心的土壤侵蚀过程调控方略，其核心为排除多余径流，减少土壤入渗，加固坡面土体稳定，从而减少土壤侵蚀。措施上主要通过利用池、渠、沟(路)等坡面小型水利水保工程对坡地降雨径流进行调控，扼制产生水土流失的主要因素，达到能排、能蓄、能灌，从而控制水土流失的目的。由此，总结出长江中上游地区水土保持的28字方略为“全部降雨就地渠排池蓄，米粮上梯下川，林果上坡进岔，草灌上山下沟”[7]。

(3) 首次提出了田间道路设计方法。针对目前路网密度设计大多为高等级公路服务，而很少涉及坡面田间道路的缺陷或弊端，通过数学模型手段，建立了确定小流域坡耕地田间道路网密度的理论方法，并根据微分方程稳定性理论给出了模型的解。以重庆忠县虾子岭小流域为案例，计算出了劳动生产率最大和道路修建成本最小的田间道路网设计密度值，为长江小流域坡耕地治理中田间道路网的设计提供了一定的理论依据[8]。

(4) 首次构建了长江中上游地区石漠化危险程度的评价指标体系。结合GIS技术和BP神经网络模型，对长江中上游地区的石漠化危险程度进行分级，将长江中上游划分为无石漠化危险、石漠化轻度危险、石漠化中度危险、石漠化强度危险区，并分区提出了防治原理的初步探讨，为开展长江中上游地区石漠化防治工作提供了重要参考[9-10]。

3.3 区划理论首用于中国山洪灾害防治领域

在开展全国山洪灾害形成条件研究的基础上，分析了山洪灾害的激发因素、主导因素及致灾过程，探索了暴雨强度和历时与不同类型山洪灾害形成的对应关系。分析了山洪灾害空间分布和动态变化特征，采用遥感与地理信息系统相结合的方法，首次将区划理论用于山洪防治领域，将全国山洪灾害划分为东部季风区、蒙新干旱区、青藏高寒区3个一级区和东北地区、华北地区、黄土高原地区、秦巴山地区、华中华东地区、东南沿海地区、华南地区、西南地区、内蒙古高原地区、西北地区、藏南地区、藏北地区等12个山洪灾害防治二级区，分区提出了防治对策与规划措施，为山洪灾害的综合治理提供了重要基础，丰富了山洪灾害防治理论[11-14]。

3.4 建立泥石流监测预报预警系统

基于泥石流产生、运动、危害的各个阶段的特点，建立了雨量遥测、地声遥测、泥位遥测以及有线泥位、冲击力和摄像监测等子系统和综控中心组成泥石流自动化监测系统。系统的各监测站均可自带动力和自动控制，仪器设备集成度高，便于进行各种工况下的野外监测[15-16]。

3.5 提出并解决水土保持共性关键技术

以水利部公益行业专项“工程开挖面与堆积体水土流失测算技术研究(201201048)”、“生产建设项目水土流失测算共性技术研究(201001036)”、中央级公益性科研院所基本科研业务费“南方红壤丘陵区坡面侵蚀产沙机制及预报模型研究”、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”、“全国山洪灾害防治规划”、农业科技成果转化资金项目“假俭草新品种”涵宇一号“技术转化与示范”等项目为依托，提出并解决了多项水土保持共性关键技术。

(1) 工程开挖面与堆积体是人为水土流失的主要来源之一，准确、快速测算工程开挖面与堆积体水土流失量具有重要的现实意义。在对全国不同区域、不同工程类型的开挖面与堆积体充分调查的基础上，提出了全新的开挖面与堆积体分类体系。通过野外天然降雨观测、室内人工模拟降雨实验、放水冲刷实验、三维激光扫描等方法与技术手段，研究了各类工程开挖面和堆积体水土流失过程与机制，首次构建了具有普适性的工程开挖面与堆积体水土流失测算模型，并提出了模型参数的定值方法，为正在起草的水利行业标准奠定坚实基础，直接服务于生产建设项目的水土流失防治与预防监督[17-18]。

(2) 南方红壤丘陵区是我国水土流失最严重的区域之一，由于自然条件独特复杂，水土流失特点与其它区域有很大差异。一方面在典型红壤丘陵区野外布置不同草种，采用不同种植方式、不同农艺耕作方式、不同土地利用结构及不同水土保持措施等整治坡面小区，通过天然降雨观测，研究不同措施处理的坡面产流产沙特征，筛选出在南方红壤丘陵区经济实用的水土保持措施及组合，探讨坡面侵蚀产沙机制，建立了南方红壤丘陵区侵蚀产流产沙预报模型，为南方红壤丘陵区水土流失防治，合理利用红壤水土资源提供科学依据和技术支持。另一方面全面总结南方红壤丘陵区水土流失治理经验和特色，主编了水利行业标准《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL 657—2014)。该标准对促进南方红壤丘陵区水土流失防治进程及建设区域生态文明具有重要意义[19-20]。

(3) 工程水土流失防治是水土保持学科新的研究领域。通过室内模拟试验和具体工程实践应用，研发了绿化喷播技术在植被恢复和护坡工程中的应用。该技术主要采用特有的喷播组合机械，将土壤、长效肥料、保水材料、植物种子、黏接材料等混合干料加水混合后直接喷射到岩土边坡上，配套一定的养护，植物在坡面上生根、发芽及生长。该技术为植物的生长和自然演替创造了有利条件，从而达到岩土边坡快速恢复植被、改善景观和保护环境的目的[21]。

另外，积极研发水土流失防治新材料、新措施。在收集不同地区野生假俭草的基础上，进行田间种植试验，对其生态学特性、生物学特性等进行综合评价。结果表明，假俭草“涵宇一号”具有抗逆性强、根系发达、绿期长、成坪速度快、维护简便等优点，在水库、堤防等水利工程中具有广泛的应用前景，是防治水土流失和改善环境的理想植物[22-23]。

4 结 语

以服务治江事业为宗旨，长江科学院水土保持专业研究经历了从无到有，从小到大，从少到多。经过10 a的潜心研究，在土壤侵蚀机理，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基础科研与技术咨询等方面取得了可喜的研究成果，主要成果有移动式坡面水土流失高精度快速测评系统、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、中国山洪灾害防治区划、泥石流监测预报预警系统、及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，切实履行了长江流域水土保持科技支撑职责，为治江事业和国家生态文明建设做出了应有贡献。

当前我国正处在推进生态文明建设、全面建成小康社会的关键时期，党中央、国务院高度重视水土保持工作，同时也对水土保持提出了愈来愈高的目标与要求。面对新形势，长江科学院水土保持专业研究也将与时俱进，开拓创新，以实现国内领先及国际领先为目标，为我国及全球水土保持事业提供科技支撑。

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[21]高 强,汪在芹,李 珍，等.岩土坡面植被恢复及护坡技术研究[J].长江科学院院报,2005,22(2):25-28.(GAO Qiang,WANG Zai-qin,LI Zhen,etal.Research on Vegetation Restoration and Slope Protection Technology in Slope of Rock Mass[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2005,22(2): 25-28.(in Chinese))

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(编辑：赵卫兵)

长江科学院主编的《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》

(SL657—2014)正式发布

《中华人民共和国水利部公告》(2014年第12号)正式批准发布《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL657—2014)，并于2014年6月19日正式实施。

为总结南方红壤丘陵区水土流失治理经验和特色，更好地指导该区水土流失综合治理工作，自2009年起长江科学院水土保持研究所组织专门技术力量开始编制《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》，历经3年多，克服各种技术难点，于2013年9月27日顺利通过水利部标准化工作主管部门组织的审定会，是当时同一批标准中唯一一个仅需稍做修改即可上报行业主管部门发布的标准。

《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL657—2014)主要适用于南方红壤丘陵区水土流失综合治理工程的规划编制、可行性研究报告编制、初步设计报告编制、措施设计及其合理性论证、水土流失防治效益分析、水土保持措施的总体评估与竣工验收。标准分9章，主要内容包括：总则、术语、土壤侵蚀分类分级、水土流失治理分区、治理措施布设与设计、治理措施配置、崩岗治理、林地水土流失治理、经果林地水土流失治理。《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL657—2014)作为指导南方红壤丘陵区水土流失综合治理的规范性文件，总结了该区20多条水土流失综合治理实践经验，内容全面扼要，条款清晰，科学实用，具有较强的针对性和可操作性。

《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL657—2014)是长江科学院作为主编单位首次承担的水土保持方面的水利部行业标准，标准的颁布实施将为长江科学院在水土保持行业奠定更加扎实的基础和提升重大影响力。

(摘自：长江水利科技网)

Research Progress of Soil and Water Conservation inYangtze River Scientific Research Institute

ZHANG Ping-cang ,CHENG Dong-bing,DING Wen-feng

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

In the aim of serving river regulation,the department of soil and water conservation in Yangtze River Scientific Research Institute provides service for the south area of China based on the Yangtze River.It conducts fundamental scientific research and provides technical consultancy in the following aspects: soil erosion mechanism,the relation between soil/water loss and river/lake sedimentation,geological disaster,and non-point source pollution,and technology of soil/water conservation.It also undertakes relevant social responsibilities and makes contribution to the national ecological civilization construction.Through efforts in the last decade,the department has made gratifying achievements.It has established a mobile system to precisely and rapidly measuring the soil and water loss on slope,enriched the basic theory of soil and water conservation in the Yangtze river basin featuring “drainage to conserve soil” in the upper Yangtze river,applied the theory of zoning to mountain torrent disaster prevention and control in China,established monitoring and forecast warning system for debris flow,and has proposed key technologies including the technology of measuring soil and water loss on engineering excavation slope and accumulation body,and the industry standardTechnicalstandardsforcomprehensivecontrolofwaterandsoilerosionintheredsoilhillyregioninsouthernChina.

water and soil resources;soil and water conservation;water and soil loss;achievement;the Yangtze River

2015-01-16

长江科学院创新团队项目资助(CKSF2012052/TB)

张平仓(1961-)，男，陕西渭南人，教授级高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀与山洪灾害防治研究，(电话)027-82927550(电子信箱)zhangpc@mail.crsri.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.001

S157

A

1001-5485(2015)03-0001-06

2015,32(03):1-6