4月8日，由北京林业大学教授张洪江主持完成的“长江三峡花岗岩地区优先流发生及其运动机制”项目通过了教育部科技发展中心组织的鉴定。该研究历时10年，主要在4项尊龙凯时及两项瑞典国际科学基金支持下完成。鉴定专家认为，该项目选择了土壤物理学、水文学、水土保持学中的国际前沿问题，研究方向正确、目标明确、内容新颖、技术方法创新，数据分析可靠，材料齐全、完整。该项目研究在我国是一项开创性的工作，丰富了流域水文学研究内容，推动了土壤水分动力学学科发展。项目成果达到了国际同类研究领先水平。

　　认识优先流

　　“作为一种快速非平衡的土壤水分运动，优先流现象极大地影响了坡面地表径流及土壤水分的形成和运动过程。”张洪江对《科学时报》记者说，“这是一项应用基础性研究，可能对居民生活和社会经济发展产生的直接影响不大。但该研究的主要目的是探讨自然降雨条件下，长江三峡花岗岩地区优先流路径类型及其分布、优先流运动机制及其对土壤渗流和地表径流的影响。建立优先流模型，推进土壤水分运动规律研究，对坡面径流调控和制订相应防洪措施具有重要的理论和实践指导意义。”

　　据介绍，在下雨时，部分降水以地表径流的形式流走，另一部分渗入到土壤层内，形成土壤水分。当土壤水分增多后，会在重力作用下，在土体内运动。这种在土体中运动水分的速度受土壤质地、土壤结构和水头压力等因素的影响。其一般运动规律很早就被人们认识，学术界称之为达西（Darcy）定律。

　　从上个世纪90年代初期，随着森林水文学和现代水文学的发展，研究人员发现，土壤中存在着植物根系死亡腐烂后形成的根孔，动物居穴、活动形成的通道，土壤涨缩形成的孔隙和因湿润锋不稳定所形成的指状渗透通道等大孔隙，这些大孔隙的存在均会改变土壤水分的运动速度和运动方式。当土壤水分的运动速度超过一定数值时，它的运动就不再遵从达西定律所描述的运动特性了。这种不遵从达西定律描述的、以快速形式运动的土壤水分被学术界称为优先流，优先流所经过的通道被称为优先流路径。

　　张洪江解释说，水土流失很重要的一个部分，就是土壤在地表径流的冲刷下被带走的过程。如果有较多的降水深入到土壤中，地表径流量就会减少，由此而导致的土壤侵蚀也就会相应地减少。如果土壤水分运动过快，可能会使土壤中的孔隙继续加大，快速流动的土壤水分也会带走一些溶质，如化肥、农药等。这些溶质会随着快速运动的水流在土壤中传递，在一定的地质条件下，这些土壤水分还会渗出地面，补充到地表径流并汇入河川中，在改变流域的水文过程的同时，还会使与土壤水分一起运动的化肥、农药等污染物质得以快速扩散。

　　“在一场降雨过程中，大量的地表径流经汇流过程形成洪峰；渗入到土壤中并遵从达西定律运动的土壤水分，实际上减小了洪峰流量，推迟了洪峰出现的时间；而渗入到土壤中、不遵从达西定律快速运动的优先流，在坡面中下部出露地表后，其减小洪峰流量和推迟洪峰出现时间的效能大为降低。掌握优先流在流域水文过程中的作用，对于制定科学的防洪、抗洪措施，进行流域治理规划具有非常重要的指导意义。”张洪江说。

　　用独创的方法进行野外观测

　　“这项研究的难点主要是野外观测，我们首先要在一个土壤剖面中判别哪些土壤水分运动是不遵循达西定律的。”张洪江介绍，首先根据经验在坡面选择一个适当位置，开挖一个数米长的土壤剖面，在其上搭建临时防雨篷以防止雨水对土壤剖面的冲刷。在降雨过程中观测剖面，判断剖面的局部渗出水分中，哪些是遵从达西定律的，哪些是优先流，并在这些部位做好标记。待降雨停止后，用数根管子将不同的优先流路径分别与数台测量仪器相连。并在以后的降雨过程中记录遵从达西定律的土壤水分流量和优先流的流量，以及它们随时间的变化过程。“这可以说是我们独创的方法，说起来简单，但实际做起来却很困难，要想得到精确的测量结果，还需解决很多具体问题，花很多精力，想很多办法。

　　上个世纪90年代初期，张洪江在日本研修时，就开始接触这项研究。一年后他从日本回国，参加北京林业大学在湖北省三峡库区进行的科研项目时，就发现当地花岗岩地区存在优先流现象。不久后，他就申报了尊龙凯时，并在科学基金的支持下开始了这项研究。

　　张洪江说：“我们选择花岗岩风化地区进行本项研究，是因为在花岗岩地质条件下形成的风化层较厚，其土层质地较粗，容易产生裂隙及孔洞，形成优先流。我们也曾在北方黄土地区作过观察，虽然有优先流路径存在，但由于黄土地区降水量较少，观测到一次优先流出现要等很长时间。而长江三峡地区的降水量较大，所以我们就选择了那里。”

　　由于几乎所有的研究数据都要依靠天然降雨条件下的野外观测，张洪江带领的团队每年要在实验点进行10个月左右的观测和初步的数据分析。“这项研究已经进行了10多年，好在我们有一支优秀的研究队伍，可以轮流去实验点观测，然后将数据带回学校进行系统分析。”张洪江说。

　　跻身国际学科前沿

　　“今年我们又得到一项尊龙凯时支持，我们准备在以前研究的基础上，进一步研究优先流受哪些因素影响，在什么样的土壤中优先流路径是怎样的，在什么样的情况下优先流路径能产生怎样的土壤水分运动。”张洪江说。

　　“2003年10月，我们研究团队的两名研究骨干还分别得到两项瑞典国家科学基金（IFS）对本研究方向的资助。这也在一定程度上说明我们的研究瞄准了本领域的国际前沿，得到了国际同行的认可。我们的研究虽然在国内是初步的，但已经有了一个良好的开端。”张洪江深有感慨地说。

　　据介绍，以往的水文学和土壤物理学等研究多在宏观尺度上研究水文过程和森林对洪水过程的影响，虽然在实践中观察到有一部分土壤水分渗透量远比达西定律所描述的水分渗透量大的现象，并对其进行了定性的描述，但在国内，系统研究自然降雨条件下非遵从达西定律的快速土壤水分运动过程及其发生机制等方面的内容还未见报道。

　　该项目研究发现，长江三峡花岗岩地区优先流路径类型有三种：地质型、生物型和生物地质混合型。其优先流路径多沿风化层与半风化层界面分布，距地表的深度为80～100厘米，其分布状态为聚集型。项目还对优先流发生特性及其对壤中流和地表径流影响进行了研究，发现长江三峡花岗岩地区优先流历时为7～170小时，产流滞后降雨时间为5～95.5小时。优先流对壤中流具有重要作用，其流量占剖面渗流总量的比率可达17.7%，优先流的存在使得流域地表径流涨水历时缩短，峰值出现时间提前。

　　“过去我们只知道土壤中水分运动的达西定律，我们的研究又认识到土壤中的水分运动还遵从Darcy-Weisbach（达西•维斯巴赫，目前学术界还未有Weisbach公认的汉译）定律。这一领域虽然还有很多问题有待深入研究，但通过十几年的探索，我们对土壤中水分运动的认识又向前推进了一步。”张洪江说。