学术前沿 | 青藏高原重大工程地质环境扰损机制及生态修复技术体系

学术   2024-11-22 08:01   陕西  

青藏高原是我国重要生态屏障区及战略资源基地。近年来,国家在建和拟建的一大批重大工程乃至世纪超级工程都集中分布在青藏高原,在迎来巨大发展机遇的同时,因其地质环境复杂性和生态环境敏感脆弱性,也带来了系列生态地质环境问题,需迫切解决扰损问题识别与影响机制、生态韧性技术、工艺及装备系列“卡脖子”难题。本研究在厘清青藏高原重大工程建设对生态地质环境的主要影响与作用方式基础上,初步构建了青藏高原重大工程建设生态地质环境问题识别与修复技术体系:(1)开展脆弱生态地质环境多尺度全要素系统调查,建立重大工程生态地质环境问题识别与诊断技术;(2)通过“地质-材料-生态-工程”多学科交叉研究突破,解决地质体-工程结构-生物体互馈机理,探明韧性生物技术-工程强度有机适配动态再平衡过程机制与地质灾害防治生态耐久提升与自维护机制;(3)构建碎裂地质体疏排止水、陡立坡面抗冻融、大型松散堆积体渣土熟化-大气集水补灌等多类型复杂场景生态修复模式,研发低碳注浆、矿物-微生物渣土熟化成壤、高分子聚合物冻融促强、干旱区大气集水等高原寒旱山区生态修复新材料,构建近自然植生层重构生态修复技术,研制配套智能化、一体化装备;(4)建立“方案组合-设计优化-生物适配-耐久提升”有机配置技术,提升生态修复自适应维护能力。研究以期为青藏高原重大工程建设生态地质环境影响的总体认识,以及未来生态修复工程方案制定、技术配置、建设工程布局和生态修复耐久性评估、长期监测相关研究提供科学参考和技术支撑。
图  1  青藏高原重大工程扰损诱发水土流失作用机制及其生态地质环境效应
图  2  弃渣场选址方法与流程

图  3  研究技术框架


图  4  生态地质环境系统调查与成图技术
图  5  青藏高原重大工程扰损区生态地质环境系统多元耦合机制及调控对策
图  6  地质体-工程结构-生物体互馈失效案例:(a)某开挖边坡格构断裂;(b)某开挖边坡喷护层脱落;(c)某堆积体生态修复失效
图  7  大型堆积体3层立体生态重构技术
图  8  冻融促强型聚合物固化松散土壤机理
图  9  干旱胁迫下冻融促强型聚合物改性砂土黑麦草生长状况(干旱胁迫下冻融促强聚合物改性砂土黑麦草生长状况,4 d后,未处理砂土和改性砂土都开始发芽,随着时间的增加,未处理砂土黑麦草逐渐出现萎蔫现象,冻融促强型聚合物改性砂土种植黑麦草长势良好)
图  10  空气集水材料的制备与集水机理
图  11  干旱胁迫下未处理、传统保水材料、空气集水材料砂土干旱胁迫后黑麦草的生长状况(干旱胁迫下未处理、传统保水材料、空气集水材料砂土干旱胁迫10 d后黑麦草的生长状况;使用空气集水材料改良砂土种植黑麦草长势最好,且可以明显观察到空气集水材料改性砂土更加湿润)
图  12  “方案组合-设计优化-生物适配-耐久提升”有机配置方案
图  13  生态修复效益综合评估指标体系与模型
图  14  生态修复耐久性提升策略

生态地质环境已经成为地球科学的新兴交叉前沿领域,青藏高原这一国家重大工程主战场,以及孕育极端复杂生态地质环境的世界一极,是研究重大工程建设生态地质环境问题、修复理论,构建生态修复韧性技术的理想实践地。青藏高原重大工程地质环境扰损机制及生态修复技术体系研究,是推动青藏高原生态地质环境保护的重要工作,也为我国生态文明建设与生态保护工作提供系统、可靠、及时的技术支撑。

本文主要结论:

(1)在探究青藏高原地质环境背景与生态本底基础上,以疏排地下水、开挖、弃渣堆填等为主要场景,揭示了重大工程对生态地质环境的主要影响与作用方式。

(2)构建了青藏高原重大工程扰损区生态地质环境系统调查、问题识别诊断、成图技术。

(3)揭示了以岩土-水文-生态多元耦合与材料调控机理及地质体-工程结构-生物体互馈机理为核心的青藏高原重大工程扰损区生态修复理论。

(4)构建了碎裂地质体疏排止水、陡立坡面抗冻融、大型松散堆积体渣土熟化等青藏高原重大工程扰损区多类型复杂场景生态修复模式。

(5)研发了低碳注浆、矿物-微生物渣土熟化成壤、高分子聚合物冻融促强、干旱区大气集水等生态修复新材料,构建了近自然植生层重构生态修复技术。

(6)建立了青藏高原重大工程扰损区防治工程“方案组合-设计优化-生物适配-耐久提升”有机配置与自适应维持技术。 

有以下展望:

通过构建生态地质环境调查技术体系,全面即时掌握青藏高原重大工程建设生态地质环境影响状况和未来发展趋势,构建重大工程建设生态地质环境问题的科学化应对体系;在生态修复韧性技术研发基础上,进一步实现生态修复装备体系化、智能化;通过建立生态修复碳汇核算技术体系,实现青藏高原重大工程影响下碳源向碳汇转换。


致谢: 本文工作是在作者所在研究团队长期配合和支持下完成的。作者感谢张晓超教授、周立宏教授、雷泞菲教授、李琪研究员、杨晴雯教授、罗璟研究员、张佳兴副研究员、李景吉副教授、赵春章教授、曹龙熹研究员、崔圣华副教授、张文翔博士、孙昊博士、魏人杰博士、段宇英博士、秦波博士、胡烨博士、张济宁博士等所开展的工作;感谢科技部、国家自然科学基金委对作者工作给予的资助;感谢九寨沟风景名胜管理局、中国国家铁路集团有限公司、中国中铁股份有限公司、中国铁建股份有限公司、中国电力建设集团、中国华能集团有限公司、蜀道投资集团有限责任公司等对作者工作的支持!


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