研究黄土地质灾害及其防治问题, 必须关注黄土学科的进展[1,2]。有关黄土学科及科学研究的基础理论, 是对黄土及其分支衍生学科具有恒定广泛的指导意义, 是科学金字塔的基础。黄土及黄土高原的研究, 上百年来几代国内外相关领域的科学家历尽艰辛开展考察、取样、试验和分析研究, 撰写了大量的文献和著述, 为解释黄土及黄土高原的科学之谜创建了璀璨的科学思想和基础科学理论。其中影响最大的有刘东生[3,4,5,6]、施雅风等[7,8]在20世纪50年代末, 分别带队对黄土高原、青藏高原坚持数十年的系统性科学研究, 得出了《黄河中游黄土》《黄土与环境》等一些列重要成果;还有张宗祜等、安芷生等、陈永宗等和李希霍芬、奥勃鲁契夫等的突出贡献, 以及后来通过“综考会”和诸多著名科学家、工程专家们多年的辛勤努力, 进一步深入和丰富了黄土科学的理论和工程实践基础[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18], 指导我国近几十年来在这一广大地区的科学发展和建设。近30年来, 我国的经济社会发展十分迅速, 取得了举世瞩目的变化, 但环境压力也越来越大, 黄土覆盖区大型、巨型土方工程和大面积、长距离、高强度工程建设超出目前的认识和知识储备, 也超出了现有的技术规范和标准。例如, 兰州、延安等城市周围的大面积挖山填沟造地;对安全可靠性要求极高的高速铁路、城市地下轨道工程;城市化及城镇化建设;80%左右的耕地、水土污染;山洪及地质灾害有增无减等。许多建设项目均处于边生产、边研究状态[11,16]。因为现有的黄土及黄土高原系统研究成果, 绝大部分集中在20世纪60年代初到90年代。进入21世纪以来, 这一领域指导性强的创新成果较为少见, 经济社会的飞速发展和“一带一路”建设呼唤黄土科学进步和学科发展, 需要权威发布一系列科学大数据, 工程技术的进步也急需科研创新成果的支持。全社会对黄土及黄土高原科技进步有很高的期待。

　　根据笔者的认识和理解, 黄土和黄土高原的科学研究急需“国家重大科技专项”计划等课题的支持, 需要“大兵团”、全方位、多学科、多专业联合作战, 联合攻关;需要新型实用的科技创新成果来支持 (撑) 黄土科学的发展和广大黄土覆盖区各省区的经济社会发展及“一带一路”的建设。具体应该包括黄土地质灾害问题研究、黄土科学基础理论研究和黄土高原环境研究三部分。

　　1 黄土地质灾害问题

　　黄土覆盖区地质灾害问题十分突出, 这是由于黄土的特性所决定的[19,20]。黄土质地十分松软, 同时由于物质组成、物理、水理、力学和化学本构关系, 黄土具有很高的水敏感性、力敏感性和震动敏感性, 导致自身的结构稳定性差、破损性强, 在维持自身强度和稳定性方面严重“先天不足”[1,19,20,21]。地质灾害一词是20世纪80年代针对“不良地质体” (滑坡、崩塌、泥石流等) 对人、财产的危害而提出的专业术语, 近几年又提出对环境的危害。表明了地质灾害是与人及人类生存环境直接相关的科学。黄土地质灾害作为从物质成分上的分类, 目前还处于探索研究阶段。

　　1.1 黄土地质灾害的分类

　　分类是科学认识各种事物现象的基础。地质灾害概念提出近40年来, 关于分类问题仍处于争论之中, 主要争论点是地震、火山喷发等是否属地质灾害;承灾对象除人员、财产 (含牲畜) 外, 滑坡、泥石流等对自然环境的影响是否属地质灾害;国务院《地质灾害防治条例》中的定义实际上是灾害管理层面的概念[22]。黄土地质灾害问题相对单一, 可以在地质灾害分类上先行一步, 比较有争论的是黄土湿陷性是否为地质灾害;黄土因疏松、强度低、易湿陷, 很容易产生大量性质不明的地裂缝和地面沉陷, 是否也归为地质灾害之“地裂缝”、地面沉降等。

　　1.2 黄土地质灾害的形成机理

　　黄土地质灾害形成机理实际上是指致灾体的变形破坏机理、承灾体 (人员、财产、环境) 的被动受损承受灾机理及其二者间的矛盾与统一。承灾体受灾相对容易抽象化形成概念;黄土地质灾害致灾体形成、破坏机理[23]的数学模拟方法很多, 包括传统的黏性土剪切理论和极限平衡、有限元等方法。黄土泥流研究还应用了水动力学、泥沙动力学等理论。总体上, 已有研究思路和方法颇多, 但具有创新思想的理论和方法仍较为欠缺, 寻找黄土 (粉土类土) 本身变形破坏之原理将是重要的创新方向之一。

　　1.3 黄土湿陷等级分区与地质灾害强度的关系

　　我国的黄土湿陷研究主要是在建设工程领域开展, 通过多年努力, 《湿陷性黄土地区建筑规范》 (国标) 已颁布实施了四版, 第五版即将发布, 该《规范》中将全国按湿陷等级分为七个区。黄土的湿陷性是黄土有别于其他工程岩土的特殊性质[24], 故定名为特殊类土。黄土的变形破坏离不开湿陷, 按湿陷性分区来研究确定地质灾害强度, 具有重大科学价值和实际应用意义。

　　1.4 黄土地质灾害防治工程参数研究

　　工程的安全可靠性和合理性依据取决于工程参数, 但地质灾害防治工程参数的选取仍然缺乏科学合理的方法和手段[19]。使得防治工程尺寸往往偏于保守或安全可靠性差。比较科学合理的办法应该是加强试验和观测方面的研究, 使人为和经验的成分尽可能减少。

　　1.5 黄土地质灾害防治工程技术标准

　　黄土在工程地质领域属于特殊类岩土, 黄土地质灾害的防治工程也具有特殊性, 比如抗滑支档工程中锚杆、锚索的使用中, 因黄土的黏结力、抗拔力很低, 就必须在设计施工中有创新技术;含水量高的黄土及黄土状粉土地基, 抗滑桩成孔十分困难;黄土泥流冲出淤积量很大, 堆积区基本与保护区一致, 治沟为主, 防淤防冲具有特殊意义等。出台专门性的黄土地质灾害防治工程技术标准有利于推动行业科技进步[16]。

　　1.6 黄土沟壑区大挖大填开发建设的地质灾害风险

　　采用现行的“地质灾害危险评估”方法, 对几平方公里甚至几十、上百平方公里内, 几条甚至数十条黄土沟谷深挖高填平整后, 大兴土木建设, 要做出科学恰当的预测和地质灾害评估是十分困难的, 甚至是危险的[24,25]。地质地貌过程是一个长期的地质作用过程, 人为活动与地质作用交织影响, 在黄土高原这样一个生态及地质环境极其脆弱的地区, 大面积开发建设必须慎之又慎, 通过恰当深入细致的研究, 做出科学合理的预测及评估来指导开发建设, 才能做到可持续和科学发展。

　　1.7 黄土高原城镇化与地质灾害

　　城镇化是中国发展的必由之路, 也是国家当前的主导发展方向。黄土高原的村镇布局是过去历史时期劳动人民与大自然长期博弈的结果, 有一定的合理性。城镇化意味着人口集中、居民区及建筑物集中、各种公共设施集中, 用地范围和面积成倍增加。这对于位于不同黄土地质单元的市、镇、村而言, 情况千差万别, 必须要通过科学规划, 系统研究与评价后平稳推进。尤其是丘陵沟壑区, 城镇化有很高风险和建设成本, 应将防治地质灾害作为重要的研究内容[25,26,27]。

　　1.8 黄土地质灾害研究方法、手段的创新

　　黄土地质灾害的致灾体 (滑坡、崩塌、不稳定斜坡、泥流、塌陷、地裂缝等) 在黄土覆盖区十分普遍, 其密度远大于在其他类岩土的分布区。无论是黄土体的破坏机理, 还是对生命、财产、环境的损坏与影响, 在研究方法、手段上都还比较传统与落后。从面上来说, 先进实用的图像处理技术 (卫星遥感数据获取与计算机建模) 开展大面积地面位移规律研究还处于尝试阶段, 针对性强的遥感影像资源还比较稀缺[28,29];黄土土体的破坏与水理、物理、物质成分的确切关系尚未建立起相对可靠的模型;地质灾害发生后的灾情评估和发生前的风险评价, 目前也急需在方法、手段上有所创新与突破。

　　1.9 关于地质灾害的监测、预警预报

　　地质灾害的监测预警及预报是科学界和社会长期追求的目标[30,31]。目前, 面上预报, 国土资源部与中国气象局联合做出的地质灾害天气预报取得了良好的空前效果。而通过遥感卫星数据处理技术开展的地面形变预测研究尚处于探索之中;具体灾害隐患点开展的专业监测预警涉及到的软硬件技术十分庞杂[31], 目前尚未有突破性进展。当前最可靠的方法尚属中国特色的群测群防体系, 通过发现隐患点, 培训本土群众做为监测巡视员、信息预警员的系列做法[32], 值得肯定与开拓。预警方式通常采用“互联网+短信方式”与传统的高音喇叭、电动或手摇报警器及锣、鼓、哨等, 各地都有一些实用型的创新。从总体趋势和发展的需求来讲, 地质灾害的监测、预警、预报需要从技术手段、方法、应急管理等方面, 有实用性强的多层次创新成果尽快服务社会。

　　2 黄土科学基础理论研究

　　这是一个十分广泛而繁杂的问题, 黄土覆盖区社会经济的飞速发展急需科学准确的大数据支撑, 涉及内容很多, 主要归纳为以下几个主要研究内容和方向[3,4,5,6,12,18,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42]。

　　2.1 黄土分布的确切范围和面积

　　利用最先进的图像处理技术, 通过调查验证核实确认, 权威发布。

　　2.2 黄土高原的确切划分

　　紧密结合传统地质学、地理学理论, 利用现代地质学、地理学方法和手段, 科学划分和确认黄土高原的界限, 并权威发布。

　　2.3 黄土的物质组成和空间分布

　　包括矿物成分和化学成分及其分地貌单元在水平方向和垂直方向的分布。

　　2.4 黄土沉积厚度、地质地貌单元世界之最的认定

　　黄土沉积世界最大厚度[33]在甘肃省兰州-靖远一带, 但确切剖面、坐标、位置莫衷一是。应通过地质调查、勘探等多种手段予以确认;黄土塬 (董志塬) 等黄土地质地貌单元的面积, 中国也是世界之最, 也应通过多种科学方法和手段予以确认, 权威发布。

　　2.5 黄土沉积盆地的划分、黄土高原黄土沉积等厚线图编制

　　采用传统地质学的方法和手段, 对黄土高原的黄土沉积盆地进行科学划分、编制黄土沉积等厚线图, 便于进一步深入认识黄土的沉积特征和黄土高原的形成过程等, 对开发建设也意义重大。

　　2.6 黄土高原与黄河流域的形成

　　已有相关成果[18,34,35], 数量相对少, 需要进一步深入研究得出新的认识支持科技和社会经济发展。

　　2.7 黄土高原对华北平原的贡献

　　黄土高原黄土“边沉积边流失”是不争的事实[13,18], 黄土高原水土流失成就了华北平原的说法需要深入全面的研究成果来验证。

　　2.8 建立可对比的区域黄土沉积典型剖面

　　应按照黄土沉积盆地划分或湿陷性黄土工程地质分区, 在不同区域建立相互对比的典型黄土剖面, 便于实际应用, 科学研究和学术交流[36]。

　　2.9 黄土地层时代、成因的快速识别方法

　　这主要是便于年青学者和工程技术人员在野外尽快识别和认识黄土的特征, 可通过手册或野外实验方法快速辨认。

　　2.1 0 黄土成因的深入认识

　　黄土风成说[37]、水成说, 目前的主要观点是黄土为风力搬运沉积;黄土的水成是二次水力搬运的结果。但仍需要从物质来源、古气候季风线路、黄土沉积物特征、地层特征等方面取得更为直接的证据。

　　2.1 1 青藏高原、黄土高原、黄河流域、华北平原之间的地质历史, 地质环境和地貌过程

　　进一步揭示青藏高原抬升、环境变化对各地貌阶梯的影响[38,39,40,41]。

　　2.1 2 黄土的湿陷机理及力学应变机制

　　黄土湿陷[42]机理及力学应变机制是黄土本构关系的核心, 是黄土体变形破坏的根本所在。这两方面的研究目前尚缺乏突破性进展。

　　3 黄土高原环境研究

　　黄土高原环境研究包括古环境 (地质历史时期) 和现代环境两部分。

　　3.1 古环境

　　3.1.1 黄土高原古环境演化研究

　　包括地质环境[3,43,44]和气候环境[7,8], 地质环境与黄土“基底”和青藏高原隆升及喜马拉雅运动有关[38];气候环境主要是干、湿、冷、热环境的演变。

　　3.1.2 黄土高原古环境对比研究

　　包括黄土高原与全球类似地貌单元的对比, 与周围区域地质地貌单元的对比和黄土高原内部不同黄土沉积盆地之间在气候、构造、地层岩性、时序特征和物质构成等方面的对比分析研究。

　　3.1.3 黄土高原与北方沙漠成生关系研究

　　按黄土风成说观点, 黄土高原与北方沙漠均为近400万年以来气候变干的产物[45,46,47]。二者内在的联系还需更加深入细致的研究, 也是对黄土、沙漠形成理论的补充和完善。

　　3.1.4 黄河流域及中国北方气候环境预测

　　这是地质学基础理论“讲今论古”思想的现代延伸, 对国家的发展规划具有重大影响。现代时间尺度与古气候地质时代的衔接和把握是重中之重。

　　3.1.5 黄土地层气候学、年代学研究方法的创新

　　现有古地磁、热释光、光释光、14C和裂变经迹等研究方法和古生物化石方法、地层学方法是黄土地层气候学、年代学的重要技术支撑[46,48,49]。出于研究精度科技进步的考虑, 期望能有诸如同位素、惰性气体等方面的技术引进。

　　3.2 现代环境

　　有人类以来的现代环境与黄土高原的形成息息相关。黄土高原作为中华民族的发祥地, 数百万年以来的繁衍生息环境与黄土及黄土高原密不可分, 这方面的研究亟待深入。

　　3.2.1 黄土高原人居环境研究

　　黄土高原人居环境是人与自然和谐相处的生动画面和“天人合一”中国智慧的结晶。其经过了从生土穴居到现代化居舍环境的漫长历史演进, 为人类的文明进步创造了不可磨灭的辉煌功绩;在黄河文明展现的精神文化元素和人与自然的依从关系中, 始终贯穿着人居环境演化的中轴线作用, 也是中华文明瑰宝的重要组成名称, 十分值得深入研究探讨[25,50,51]。

　　3.2.2 黄土高原森林植被的历史变迁及其与气候、人为因素的关系研究

　　历史资料表明, 黄土高原曾经植被茂盛, 原始森林连片分布。自人类社会形成以来, 植被逐渐衰落、水土流失加剧, 造成了如今之现状[52]。这其中的气候变化和人为活动“功不可没”, 需要学者们不懈地探究其本质缘由。

　　3.2.3 黄土高原土壤侵蚀机理和黄土地质过程模型

　　黄土高原是统一形成“泛黄土大塬”后逐步因差异性构造抬升、流水切割形成的千沟万壑、“岛状山”加黄土残塬的形态?还是黄土形成过程与内、外动力地质作用同时进行?黄土高原土壤侵蚀的原理、过程和塬、墚、峁、沟、洼地形成的地质过程重演和相应模型的建立[53,54,55], 对黄土高原黄土侵蚀本质的揭示, 对黄土侵蚀和地貌演化预测均具有重大理论和现实意义。

　　3.2.4 黄土高原土地利用和水土污染机理

　　土地是人类生存最基本的资源之一, 黄土及黄土高原地貌与类似岩土类型形成的地貌单元, 在工民建一般工程领域及农田开发利用领域里, 其用途并没有本质的不同。根据目前的认识, 黄土在岩土工程性质 (物理、水理) , 以及黄土耕植土壤在水分、盐分迁移运行规律及土质方面存在特殊性, 对土地的开发使用仍有局限性。比如深厚黄土区的工程建设、黄土塬 (台) 区长期灌溉农业用地发展、黄土区农地土壤污染原理及治理等[56]。

　　3.2.5 黄土高原水土流失与自然灾害

　　黄土高原的水土流失[57,58,59]本身就是一种自然灾害, 历史上的黄河水害大部分与黄土高原水土流失而淤积抬升河床有关。近40年来, 由于一系列黄河干流骨干控制工程的修建及持续性的水土保持工作, 如大中型水库、退耕还林、三北防护林、坡改梯等措施, 使得黄河干流很少发生重大洪涝灾害, 但人与自然的“较量”这仅是很有限的一瞬。在未来条件下, 这一系列措施的防灾效益评价和防灾目标预测及治理模式的深入研究仍然十分迫切。

　　3.2.6 黄土高原水土流失治理对策探讨

　　黄土高原水土流失治理已有数百年的历史, 广大人民群众和科技人员创造了一系列的治理方法、手段和模式[11,54,59,60]。近年来, 重大水土流失事件和灾害事件相对较少, 也是历史上少有的“平静期”。现在急需尽快梳理、总结成功与失败的经验教训, 为未来的治理方向和目标奠定一个科学、可靠的理论和实践基础。

　　4 结语

　　黄土地质灾害问题实际上是整个黄土及黄土高原的科学问题。无论是黄土地质灾害防治, 还是黄土覆盖区 (12个省区) 国家建设的飞速发展, 对黄土及黄土高原的基本科学认识和科学理论都有很高的依赖性。新一轮全方位、多学科、多专业联合攻关研究黄土及黄土高原的大数据、大科学问题势在必行。本文分析探讨提出的32个研究专题, 仅仅是黄土科学系统研究的一部分。由衷期望一大批出类拔萃的年轻科学家能尽快挑起黄土科学研究的重担, 为科学和国家的发展进步奉献自己的聪明才智和智慧。

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