来自 科技创新 2019-09-26 16:12 的文章
当前位置: 金沙澳门官网4066 > 科技创新 > 正文

记黄河水利科学研究院土壤侵蚀研究团队,研究

姚文艺:敢教黄土高原披新绿

一爿“黄”土与一群“傻”博士 记黄河水利科学研究院土壤侵蚀研究团队

研究揭示一种砒砂岩区生态恢复的新途径

图片 1

■史俊庭 赵何晶

砒砂岩,是古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪所形成的由砂岩、砂页岩、泥质砂岩构成的岩石互层,属于大陆相碎屑沉积岩类,位于黄河流域鄂尔多斯高原的砒砂岩区土壤侵蚀剧烈,生态退化严重,是黄河粗泥沙来源的核心区,被称之为“地球生态癌症”。

不了解姚文艺的人,与他短暂接触后就能深切感受到他对工作的认真和热情。从他编出中国第一本水土保持专业泥沙课程中专教材开始,他在水土保持研究领域里已经“泡”了30多年。

人迹罕至的内蒙古砒砂岩地区,一群背着面粉袋子的人风尘仆仆地走着……

黄河水利科学研究院、水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室、东南大学的姚文艺、刘慧和梁止水在新近出版的一期《水土保持通报》上

认识姚文艺的人,都知道他是一个工作狂;不了解他的人,与他短暂接触后就能深切感受到他对工作的认真和热情。从他编出中国第一本水土保持专业泥沙课程中专教材开始,他在水土保持研究领域里已经“泡”了三十多年。

前几天,记者到水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室采访,在研究人员的桌子上,这样一张照片吸引了记者的注意。

发表研究成果,揭示出砒砂岩部分化学成分性质活跃、岩石结构不稳定及部分岩石成分遇水膨胀进而导致孔隙关闭是易被侵蚀的机理,并在此基础上通过包裹—聚合改性,研发成功一种抗蚀促生材料可以在砒砂岩表面通过物理化学作用,形成具有包裹层的单体改性颗粒,起到了疏水保水及防胀作用,并具有促进植物生长的功能。同时,这种抗蚀促生材料还有着良好的力学性能和耐紫外线降解、耐风蚀抗冻融、耐水解等性能,且对土壤、水质不会形成污染。

作为黄河水利科学研究院副院长、教授级高工,无论到哪儿都说一口标准河南话的姚文艺,最近又把眼光投向了被称为“地球生态癌症”的砒砂岩,发誓要将这种满眼光秃秃的地貌都披上绿色。

单看照片,这群人应该是一群农民工。但实际上,这群人全都是博士或高工甚至教授,他们正是记者此次要采访的土壤侵蚀研究团队。

他们又根据野外试验观测结果显示,应用这种抗蚀促生技术使全坡面径流试验区的产流量、产沙量分别减少了70%和90%以上,示范小流域的植被覆盖度由25%提高到75%以上,说明其可为砒砂岩区水土流失治理和生态恢复一种新技术或途径。

姚文艺出生在河南省西华县的一个工农结合家庭,“文化大革命”结束后恢复高考让他有了选择人生的机会。1983年武汉水利电力学院毕业后,姚文艺到黄河水利学校教书,主动请缨,前后用一年的时间编出了全国第一本关于水土保持专业泥沙课的大中专教材。

这支团队由12名研究人员组成,在黄河水利科学研究院副院长姚文艺带领下,多年来致力于黄土高原水土流失规律与治理技术研究。不久前,在黄河水利委员会召开的全河劳动模范先进集体表彰大会上,该团队荣获先进集体荣誉称号。

文章相关信息: DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2018.04.020.

1989年,他到河海大学攻读水力学及河流动力学硕士研究生,在毕业论文中首次提出了“坡面流水力学”的概念和定义。毕业后,他来到专门从事黄河科研的黄河水利科学研究院工作。

在黄土高原取土样,常常会爬上爬下,取样后背着四五十斤的土样走上几公里不说,还得忍受当地较强的紫外线。研究人员从当地回来一两周后,一洗澡,身上的皮肤就开始一片片地脱落。

到了黄科院,姚文艺便因加班在院里出了名。当初跟在同一单位的女朋友,也是现任妻子王卫红商量结婚的理由,竟然是结婚后能有一间自己的房子,不会因为加班吵到住集体宿舍的单身同事们。结婚后的大半辈子,姚文艺留给妻子的唯一印象除了工作就是加班。

姚文艺说,为了取得有代表性的土样,必须到现场去,不管路有多么难走,土样有多么难取,都必须取到并背到数公里外的车上。

担任院领导后,在姚文艺的词典里,似乎仍是只有“工作”二字。团队成员刘慧博士说,他们在外地取样一整天,到晚上即便骨头散架也得给千里之外的姚文艺电话汇报。每年的春节大年初二,姚文艺都会给团队的成员发短信:第一句是新春祝福,第二句是工作安排。正是在这样的氛围中,姚文艺和其团队获得了一项项殊荣,姚文艺也早在2007年就获得了国际泥沙研究领域最高奖——“钱宁科学与技术奖”。

团队成员李勉博士说,一些跟着实习的研究生,哪怕是年轻的小伙子,也受不了这样的工作环境,三四天之后就提出要休息一天。“平时我有失眠的习惯,但是在取样的时候,从来没失眠过。”李勉说。

30多年的积淀,让姚文艺在水土保持领域建树颇丰。他建立了水土保持与河流泥沙学科交叉的新的研究方法,首次论证了土壤侵蚀与产沙的区别及联系、河道系统对流域水土保持治理的响应关系,提出了“流域治理措施配置最大效应”的概念,从生态学的角度划分了黄土高原小流域治理模式;首次提出了水土保持措施优化配置的相关参数指标;首次提出了河道萎缩的科学定义;首次揭示了多泥沙河流河道挖沙减淤的机理;首次研究提出了多泥沙河流河型变化段河工动床模型设计方法。

在郑州模型黄河基地,有一个数千平方米的人工模拟降雨大厅,这是黄科院水土保持研究团队获得宝贵实验数据的地方之一。

目前,黄河泥沙的90%来自于黄土高原,高原沟道密度大。多年从事土壤侵蚀研究的姚文艺常常说:“黄土高原是世界上最具有吸引力和挑战性的地方,这里是做水土保持与泥沙研究的最好天然试验场。”

别看这个大厅的设施挺先进,但是试验起来却不是那么轻松。申震洲博士说,在观察雨滴对坡面的打击作用时,为了防止风对雨滴的影响,就是40多摄氏度的酷暑,大厅的窗户也得关闭。开展此项试验,要穿着雨衣在模拟降雨中拿着秒表站上至少两个小时,观测坡面的水土流失侵蚀变化。等试验结束后,雨衣已经被淋透了,根本分不清身上到底是汗水还是雨水。而如果在冬天,即便是穿着雨衣也会冻得浑身直哆嗦,到最后,手指都冻僵了,连秒表都按不动了。

为此,姚文艺曾一个多月奔走在无定河流域,手拿一把卷尺,丈量农民开垦的荒地。一次,为了丈量公路建设开垦的土方,姚文艺爬到公路边几十米深的沟底下,因为坡度几乎达到40多度,他脚下一滑,连人带东西摔了下去,万幸的是,往下掉的时候正好抓住了一棵树,才得以脱险。

记者还听说一件事,该团队在野外观测雨滴对土壤的侵蚀变化时,睡在简易的试验棚里,由于累了一天,即使夜里下雨有时也很难发现。为了解决这个问题,他们发明了一个方法:找来一张30公分长的纸条暴露在室外,一端用绳子系在室外的桩子上,一端用绳子系在一本书上,而书就悬挂在他们的头顶。如果外面下雨了,雨滴落在纸上,很快就能打湿纸条,湿了的纸条很快就会断掉,然后书就会掉下来,砸醒正在酣睡的研究人员。于是,他们赶紧爬起来观测。

正是凭着这种韧劲儿和满腔热情,姚文艺对黄土高原形成了自己的见解。他认为黄土高原强暴雨形成陡涨陡落洪水且水量往往不大,大部分泥沙就是在这个时间形成的,小水带大沙,水沙关系不协调,导致大量泥沙淤积在河道,通过科学实施水土保持生态建设,重点治住暴雨侵蚀产沙,就可以保土、固沙、富高原。

“我常常说,自己领了一群不图名不图利的‘傻’博士。”姚文艺感叹。但正是这些看起来“傻乎乎”的博士,让试验数据从无到有,从少到多,最后凝聚成一个个为治黄提供重大决策的科研成果。

在距黄河水利科学研究院10公里的郑州北郊,有一个凝聚着姚文艺心血的科学试验基地——“模型黄河”。它被誉为“搬进实验室的黄河”,对研究黄河这条“水少沙多,水沙不协调、河势游荡多变、河床冲淤剧烈”的真实河流,立下了汗马功劳。

作为研究骨干团队之一,这支团队走过数万平方公里的丘陵、沟壑区,终于找到了1.88万平方公里的黄河下游粗泥沙来源区。该成果直接促使了国家对黄河粗泥沙专项治理工程的实施建设,结束了多年来由于基础研究不够国家无法决策的局面。

为了弄清国内学术界对黄土高原是先治理坡面还是沟道的长期分歧,姚文艺带领团队在模型黄河基地还建起了4000多平方米的人工模拟降雨试验大厅,开展坡面—沟道系统暴雨侵蚀产沙规律与治理技术研究。

“泥沙不上岸,水保不下河,治河和水保两张皮是国内曾长期存在的河流治理现状。”姚文艺说,从20世纪50年代开始,国内学术界对黄土高原是先治理坡面还是沟道长期存在分歧。他们团队经过大量科学试验观测,揭示了坡面—沟道系统产输沙自反馈的耦合机制,从而为黄土高原水土流失治理必须采取沟坡兼治的实践提供了理论依据。同时,他们研发出侵蚀产沙关键过程的模拟模块,建立可应用于多尺度流域的次暴雨产沙机理模型、年产沙经验模型和洪水泥沙预报模型,形成了一套集治理方案优化、效益评估预测及水沙预报于一体的模拟技术。

随后,姚文艺研究团队获取了海量的观测数据,结合野外小区水沙监测资料,揭示了黄土高原陡坡环境下的侵蚀机理和规律,明晰了坡面沟道系统侵蚀产沙耦合关系、自反馈调控机制和植被对侵蚀产沙过程的调控机理,建立了沟道重力侵蚀、流域次洪水泥沙输移比模式,从而为黄土高原水土流失治理必须采取沟坡兼治的实践提供了理论依据。

如今,年过半百的姚文艺又带着他的“傻”博士们,承担起“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,向黄河下游地上悬河主要成因、被称为“地球生态癌症”的砒砂岩发起了“总攻”。

对于有些人来说,姚文艺及其团队取得的成绩已经相当出彩了,但他却常说,这点成绩不值一提。而今,年过半百的姚文艺又带领着自己的团队,对黄河下游粗泥沙的主要来源区——砒砂岩区发起了总攻,誓要将这种给下游带来沉重历史伤害的“地球生态癌症”彻底根治。

《中国科学报》 (2014-04-10 第4版 综合)

2015年11月,姚文艺获得河南省的院士后备工程荣誉称号——中原学者,是在评审现场,姚文艺对专家们提出的关于砒砂岩的问题对答如流才顺利当选。

而在之前,姚文艺已经带着团队踏踏实实地在内蒙古砒砂岩集中区进行了连续三年的专门研究攻关。

砒砂岩是黄河粗泥沙的主要贡献者,这种平时硬如磐石,水、风和重力均可以侵蚀的岩石最大的特点就是遇水立即粉身碎骨,被洪水冲进黄河后成为黄河粗沙的主要供应者,然后淤积在黄河下游,形成地上悬河。

国内外专家试遍所有常规水土保持措施治理砒砂岩,基本上是无功而返。深思熟虑后,姚文艺萌生了往砒砂岩坡面上喷洒化学材料抗冲固土促生的想法。2013年2月25日,“十二五”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”在内蒙古鄂尔多斯市顺利启动。

姚文艺说,他想通过3种途径治理砒砂岩:一是在坡度大、不适宜种植植物的砒砂岩陡坡喷涂抗蚀固结材料,增加砒砂岩立面上部陡坡的稳定性;二是在缓坡及梁峁喷涂抗蚀促生材料,种植适宜的植物,保水保肥;三是就地取材,对砒砂岩进行改性,作为砒砂岩区淤地坝筑坝材料。

“我们的目标是,既要治标又要治本。”姚文艺说。

项目进展让人喜出望外:原本植被稀少的砒砂岩坡面上长出了一人多高的野牛草,当地人惊呼从来都没见过如此繁茂的植被,减少坡面产流70%以上,减少产沙达到90%以上。

此外,项目组还做了另一件让从不用砒砂岩筑坝的当地人诧异的事情:用改性的砒砂岩建造了一座淤地坝,不但汛期安然无恙,坝坡面还长出郁郁葱葱的小草。

“现在我们可以自豪地说,以科技的手段让砒砂岩不但可以长草,还能用来筑坝。同时,作为建筑材料具有广阔的应用前景。”姚文艺说。

目前,他们正对降低抗蚀促生材料造价、提高抗蚀促生材料性能等方面作进一步研究,以这项技术让砒砂岩地区披上绿装。

《中国科学报》 (2016-06-17 第2版 人物)

本文由金沙澳门官网4066发布于科技创新,转载请注明出处:记黄河水利科学研究院土壤侵蚀研究团队,研究

关键词: