生产建设项目弃土堆置体的类型与特征

采取路线调查与典型调查方式,依据中国主要水蚀类型区,并结合生产建设项目分布的情况,以平原、丘陵、土石山区3大地貌类型为基础的地貌分类框架,以黄土、黑土、褐土、棕黄壤、红壤等为基础的土壤类型分类框架,对分布于不同类型区的各类点式工程、线式工程产生的人为弃土堆置体进行现场调查,依据弃土的堆置方法和堆置形态可将弃土堆置体抽象概化为散乱锥状堆置、依坡倾倒堆置、分层碾压坡顶散乱堆置、线型垅岗式堆置、坡顶平台有车辆碾压的倾倒堆置5类人为堆置微地貌。研究结果可为生产建设项目弃土堆置体下垫面室内仿真模拟研究提供理论依据和技术支撑。     

胶东铁路弃土弃渣体产流产沙特征

通过人工模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对胶东铁路弃土弃渣体产流产沙的影响。根据青荣铁路沿线降雨和弃土弃渣体堆积特点,设计3种雨强(20,40,60mm/h)和3个坡度(20°,30°,40°)。结果表明:(1)当降雨强度由20mm/h增加到60mm/h,产流开始时间可缩短11~20s;当坡度由20°变化到40°,产流开始时间可提前17~22s。(2)径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。(3)相同坡度条件下,雨强40 mm/h下的径流量较20 mm/h时增加37.3%~122.6%,产沙率约为20mm/h时的1.5~19.5倍;而雨强60mm/h下的径流量较40mm/h时仅增加19.1%~26.7%,产沙率仅为40mm/h时的62.5%~151.8%。(4)相同雨强条件下,坡度对径流量、产沙率的影响存在临界坡度(30°~40°),径流量、产沙率随坡度的增大先增加后减小。(5)弃土弃渣体坡度为30°时坡度对坡面侵蚀量的贡献率大于雨强贡献率;而40°时雨强贡献率明显超过坡度。研究结果可为胶东半岛区域铁路项目建设期间弃土弃渣体的水土流失监测及防治提供技术支撑。     

坡度对坡面土壤矿质氮素水蚀流失负荷的影响

坡度是影响坡面水土流失和土壤养分流失过程的重要因素。室内模拟降雨试验表明,当坡长一定时,不仅土壤侵蚀量存在一个“侵蚀临界坡度”,土壤矿质氮流失量随坡度变化也存在一个“养分流失临界坡度”。试验测定这2个临界坡度均在15°～20°之间。土壤矿质氮地表流失以随地表径流流失为主,约占总流失量的99%。坡面矿质氮总流失量的96%为硝态氮,硝态氮对径流中矿质氮总量的贡献率明显高于在侵蚀泥沙中的贡献率。采取一定的截流措施是控制坡面矿质氮流失的关键。     

神府煤田弃土弃渣体坡面流速及其影响因素试验研究

[目的]研究弃土弃渣体坡面流速变化规律及砾石含量、坡度、放水流量、含沙量对坡面流速的影响,为揭示弃土弃渣体侵蚀机理提供科学依据。[方法]采用野外放水冲刷试验方法研究神府煤田弃土弃渣坡面流速。[结果]弃土弃渣体在不同放水流量下平均流速随产流历时会在一定的范围内波动,表现为多谷多峰的特点,而且随放水流量增大,断面内平均流速波动程度增强。弃土弃渣体坡面流速与弃土弃渣体中砾石含量、放水流量及含沙量均呈显著的幂函数关系,与坡度呈显著的二次函数关系。逐步回归分析表明,砾石含量和放水流量的共同作用对弃土弃渣体坡面流速的影响最为显著。[结论]弃土弃渣体坡面流速变化复杂,砾石含量和上方来水是影响流速的最关键因素。     

不同雨强条件下坡度对红壤坡面侵蚀的影响

坡度是红壤坡面侵蚀的重要因子,通过室内模拟降雨试验研究3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min),3个坡度(10°,15°,20°)条件下坡度对红壤坡面产流、产沙过程影响。结果表明:(1)相同雨强下,坡面初始产流时间随坡度增加逐渐缩短,坡度与坡面径流量呈正相关关系;相同坡度下,随雨强增加初始产流时间及坡面径流量差异均减小。(2)坡度对红壤坡面含沙量的影响表现为平均产沙量随坡度增加而增大,其中15°坡度下坡面产沙过程波动较大。(3)坡度对坡面径流量的贡献率在60%以上,而坡度对坡面产沙量贡献率保持在30%左右。通过分析不同降雨条件下坡度对红壤坡面侵蚀过程影响,以期为红壤水土流失地区的水土保持预测与措施布没提供相应理论参考。     

神府矿区弃土弃渣体侵蚀特征及预测

神府矿区在煤炭开采过程中形成了弃渣体、弃土体及扰动土体等不同下垫面类型,其物质组成、结构性及产流产沙规律与撂荒地有极大差异,且已产生严重的水土流失。采用野外模拟降雨试验方法,对比研究了弃土弃渣体、扰动土体与撂荒地侵蚀特征的差异。结果表明,(1)撂荒地侵蚀速率随降雨历时先下降后逐渐稳定,扰动土体侵蚀速率呈增大后趋于稳定;35°弃土体侵蚀速率增至峰值后减小并逐渐稳定,40°时则一直处于波动状态;石多砂少和砂多石少弃渣体在产流初期侵蚀波动剧烈,并伴有泥石流现象,15 min后基本稳定。(2)同一下垫面侵蚀速率随雨强增大而增大,而各坡度间侵蚀速率差异不显著(p0.05);雨强相同时各下垫面、坡度间侵蚀速率差异均显著(p0.05),复杂疏松的物质组成是弃土弃渣体及扰动土体侵蚀特殊于撂荒地的根本原因,相同降雨条件下石多砂少弃渣体、砂多石少弃渣体、弃土体及扰动土体侵蚀速率分别是撂荒地的6.51倍~14.25倍、57.91倍~239.2倍、43.60倍~180.1倍和2.27倍~3.06倍。(3)弃土弃渣体及扰动土体侵蚀速率与中值粒径、分形维数、降雨强度、坡度及径流参数呈幂函数关系。研究结果对矿区弃土弃渣侵蚀模型建立与生态环境建设有重要的科学意义。     

模拟降雨条件下赣北地区弃土堆置体侵蚀产沙试验研究

以赣北红土为研究对象,在室内模拟我国南方红土地区的开发建设项目弃土堆置体,对不同雨强下,不同堆置形态堆置体的侵蚀产沙过程进行试验研究。研究结果表明:堆置形态对径流率的影响不明显,而砾石含量的增加能够延迟径流率达到稳定的时间;侵蚀速率随降雨历时变化呈现多峰型变化趋势;砾石和坡顶平台有车碾压堆置形态均能使总产沙量进一步增大,堆置形态均为散乱锥状堆置的两种类型,土石比为9∶1的堆置体的产沙量最大可达到纯土堆置体的1.92倍(2.0mm/min降雨强度);当堆置体均为纯土时,坡顶平台有车碾压堆置体的总产沙量最大可达到散乱锥状堆置体的1.50倍(1.5mm/min降雨强度)。各类型弃土堆置体的平均径流率、平均侵蚀速率均与降雨强度存在着显著的线性关系;同时总产沙量与总径流量也存在着显著的线性关系(P0.05)。     

不同土石比例弃土堆置体产流产沙模拟研究

根据对野外弃土堆置体的调查结果,以前期概化的散乱锥状堆置体为研究对象,采用室内人工模拟降雨试验,研究4种土石比例弃土堆置体在4种不同降雨强度下的产流产沙特征。结果表明:各土石比例弃土堆置体的径流率随降雨时间呈波动式增大,侵蚀速率随降雨时间呈稳定、波动2种变化趋势;平均径流率、平均侵蚀速率与降雨强度呈线性关系。在相同降雨强度下,平均径流率和平均侵蚀速率均随含石量的增大而减小。总产沙量与总径流量呈线性关系。在相同降雨强度下,随着砾石含量的增大,弃土堆置体的总径流量和总产沙量减小。在降雨强度为2.5mm/min条件下,土石比例为9∶1,8∶2,7∶3弃土堆置体的总产沙量与纯土堆置体相比分别减少了29%,41%,42%。     

地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响研究

通过室内模拟降雨试验,研究了地面坡度对红壤坡面产流过程和侵蚀过程的影响,结果表明:坡面总径流量随坡度的增大呈减小趋势,其中25°坡面比5°坡面的径流量减小22.3%;随坡度的增加,坡面产流达到稳定的历时减少.径流含沙量和坡面侵蚀产沙量随坡度的变化在5°～20°呈增大趋势,而当坡度由20°增加到25°时,径流含沙量和侵蚀产沙量随坡度的增加呈减少的趋势,即在红壤坡面,坡度对侵蚀产沙量影响存在着临界坡度,其值变化于20°～25°之间.     

喀斯特坡耕地块石出露对土壤水分入渗的影响

块石出露是喀斯特石漠化地区典型的地貌景观特征之一。为探索喀斯特坡耕地中块石出露对土壤水分入渗的影响，通过野外人工模拟降雨试验，研究3个坡度（15°、20°、25°）、3个面积（小、中、大）、5种形状（斜条形、横条形、近圆形、三角形、竖条形）块石出露下的土壤水分入渗特征。结果表明：1）3种坡度下，各形状块石出露下和裸露坡的入渗率均随着坡度增加而减少。总体上，块石面积越小坡度越缓，入渗过程变化越平稳且入渗率高，块石面积越大坡度越陡，入渗过程变化波动大且入渗率低。2）初始、稳定、平均入渗率的最大值均出现在15°坡面，最小值均出现在25°坡面。总体上坡度和块石面积越大，土壤的稳定入渗率越高。3）与裸露坡面相比，块石出露下，15°、20°、25°坡度对入渗增量的贡献率为2.63%、20.88%、76.49%。小、中、大面积块石对入渗增量的贡献率为46.39%、32.88%、20.73%。形状对入渗增量的贡献率为31.50%（斜条形）>27.66%（横条形）>27.08%（近圆形）>10.81%（三角形）>4.36%（竖条形）。4）3种模型的拟合结果，裸露坡拟合度最高，均大于0.89，而斜条形块石拟合度都最低，均为0.60左右。Horton模型的拟合度最好，Kostiakov模型的拟合度良好，Philip模型的拟合度一般，故Horton模型更适用于喀斯特坡耕地不同块石出露下土壤水分入渗过程的拟合。研究结果有助于了解喀斯特坡耕地块石出露下的土壤水分入渗特征，促进农业水土资源的管理保护和利用，为该区水土流失和石漠化工程治理提供借鉴。     

冀北土石山区坡面尺度径流特征及其影响因素

为了揭示区域水土流失规律,以冀北土石山区坡面径流小区定位观测资料为基础,对坡面尺度产流特征与地形因子、降雨因子、植被覆盖、水土保持工程措施等主要影响因素的关系进行分析,拟为该区水土流失防治及生态建设提供科学参考。研究结果表明:坡面径流小区的年径流量随坡度的增加出现先增后减的趋势,坡度临界值在11°00′左右;坡面径流小区的年径流量随坡长的增加而增加;不同坡度和不同坡长条件下,径流量与有效降雨量及平均降雨强度都成正相关,但与有效降雨量的相关系数要大于平均降雨强度的相关系数且在0.01水平上显著,与平均降雨强度的相关系数不显著;坡面径流小区的年径流量随着植被覆盖度的增加而减少,但覆盖度为60%和90%的草地径流小区的年径流量相差甚小,说明在水土保持治理过程中存在着临界植被覆盖度;水平阶、鱼鳞坑、梯田等水土保持工程措施通过改变下垫面状况,可以有效拦蓄径流,从而削弱降雨特征对径流的影响。     

人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程

为了研究人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程,利用人工模拟降雨系统和变坡土槽,分别采用140,160,190mm/h的雨强和10°,15°,20°,25°的坡度,对经过简单人工处理的红壤坡面在超大雨强降雨条件下的产流产沙响应过程进行了试验。结果表明:经过简单人工处理的红壤坡面在140~190mm/h超大雨强下的土壤侵蚀模数明显低于50~120mm/h雨强下未进行相应处理的坡面,细沟发育较为缓慢,对坡面土壤的处理方式能够有效提高坡面的抗侵蚀能力。在同雨强下,随着坡度的增加,产流时间先延长后缩短,在20°~25°存在产流的临界坡度。侵蚀模数在同雨强下随着坡度的增大呈先增大后减小的趋势,且不同雨强的临界坡度不一致,雨强为140mm/h时侵蚀临界坡度为15°~20°,雨强为160mm/h和190mm/h时侵蚀临界坡度为20°~25°。总体来看,侵蚀过程受雨强的影响大于坡度的影响,雨强为140mm/h时,不同坡度的侵蚀过程均较为平稳,细沟发育微弱;雨强为160mm/h时,侵蚀有所加强,但侵蚀过程无明显规律;雨强为190mm/h时,侵蚀主要发生在降雨的前30min,且细沟发育相对较为剧烈,30min之后趋于稳定。     

喀斯特坡地裸露心土层产流产沙模拟研究

通过人工降雨探索表土剥离后喀斯特坡地侵蚀产沙特征及机制,为该地区开展地下水土流失研究及指导水土流失防治工作具有重要的理论和现实意义。试验采用钢槽装填土石模拟喀斯特地区表土剥离后坡地的"二元结构",通过人工模拟降雨揭示了雨强(30、50、80mm h~(-1))、坡度(10°、15°、20°、25°)和地下孔(裂)隙度(1%、2%、3%、4%、5%)对坡地土壤侵蚀的影响,并在此基础上进一步讨论了各因子对剥离表土后的坡地造成的影响。结果表明:(1)表土剥离后地下漏失的隐蔽性增强,小雨强的坡地土壤侵蚀容易被忽视,30、50 mm h~(-1)雨强条件下,仅当坡地坡度≥15°时地表出现径流,坡地侵蚀产沙以地下流失为主,地下产流量、产沙量随雨强先增大后减小。(2)喀斯特地区坡地土壤侵蚀治理不应只重视地表水土流失,更应关注垂直方向上的土壤侵蚀——地下漏失,低坡度(坡度≤15°)条件下,地表近乎无产流产沙,坡地侵蚀产沙集中在地下孔(裂)隙,而坡度为20°、25°的坡地,其地下产沙比重仍分别高达0.85~0.97、0.59~0.84。剥离表土后的坡地水土保持应从地表、地下两个方向进行,避免由地下漏失引起的岩溶塌陷。增大地下孔(裂)隙度能显著提高地下产流量和产流系数,并促进地下孔裂隙产沙量和产沙比重的增加。     

雨强和坡度对黄土陡坡地浅沟形态特征影响的定量研究

浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。     

太行山区侧柏林地人工降雨下的入渗特性

对降雨入渗的研究是揭示华北地区水源地来水量变化研究的基础。运用人工模拟降雨,在2个2m2的径流小区(编号为P1、P2,坡度分别为19.6°,11.7°)上研究了太行山区侧柏林地的入渗特性,分析了雨强、土壤前期含水量和坡度对入渗的影响。结果表明:(1)入渗过程经历了供水控制阶段和剖面控制阶段,在供水控制阶段,降雨全部入渗,雨强越大,初始入渗率越大;在剖面控制阶段,表观入渗率逐渐降低并直至稳定,而P2小区的首场降雨中表观入渗率却呈现出"先降低后升高"的特点且供水控制阶段时间更短;(2)雨强越大,初始入渗率越大。在P1小区,表观稳定入渗率随雨强增大而增大,这一现象并没有在P2小区出现;(3)土壤前期含水量越大,供水控制阶段的时间越短;对比场次降雨下的土壤负压势变化表明湿润锋运动速度随土壤前期含水量的增加而增快;(4)坡度较大的P1小区(19.6°),其平均表观稳定入渗率较大(0.57mm/min),P2小区(11.7°)的平均表观稳定入渗率较小(0.35mm/min)。     

黄土区坡耕地土壤结皮对入渗的影响

黄土高原地区,坡面土壤水分是生态建设的关键问题。以黄土高原坡耕地人为管理方式为背景,在室内人工模拟降雨条件下采用等高耕作和人工掏挖两种措施,并且设计直线坡作为对照,研究不同耕作措施下土壤结皮的形成特征,同时从降雨-入渗的角度研究两种类型结皮(结构结皮和沉积结皮)对坡面土壤水分入渗的影响。研究结果表明:土壤结皮阻碍坡面土壤水分入渗,结皮坡面产流时间早,且土壤累积入渗量明显低于无结皮坡面;采用Kostiakov模型、Horton模型、蒋定生模型对坡面土壤水分入渗过程进行优化模拟的结果表明蒋定生模型适用于描述本研究坡面土壤水分入渗的特征;耕作措施造成的微地形对土壤结皮的类型有很大影响,在洼地径流携带泥沙堆积形成沉积结皮,地势较高处降雨雨滴直接打击形成结构结皮。研究两种类型结皮发现,沉积结皮相对于结构结皮密度高且孔隙度低,并且两种类型结皮对坡面土壤水分入渗的影响存在差异,沉积结皮平均减渗效应为37.13%,结构结皮平均减渗效应为19.79%,因此,沉积结皮更大程度影响坡面土壤水分入渗。     

降雨条件下晋西黄绵土坡面室内外径流侵蚀试验差异分析

目前多利用室内模型试验所得土壤侵蚀模数乘以面积预测野外实地水土流失,为了探讨晋西黄绵土坡面室内外径流侵蚀差异,该研究采用室内模型模拟与野外原位模拟试验方法,分析了不同降雨与坡面面积条件下,室内与野外坡面径流模数、侵蚀模数、单宽输沙率及细沟发育差异性,结果显示:室内模型试验结果均大于野外原位模拟试验,当野外坡面面积为室内的4倍时,径流量与侵蚀产沙量不呈4倍关系,且面积越大野外与室内侵蚀量比值越小,说明简单地用室内试验结果乘以面积预测野外实地水土流失是不合理的,且雨强对径流侵蚀的影响较面积大;相同降雨条件下室内坡面较野外坡面更易产生细沟,且发育程度大,更倾向于沟底下切,增强了室内坡面径流侵蚀力;一定雨强、坡长条件下,野外单宽输沙率在10～14 min首次出现峰值,之后趋于稳定,而室内多在4 min即出现峰值,且峰值为野外的1.58～10.40倍,说明室内模型试验单宽输沙率及其波动性大于野外,且响应时间更短。     

质量指数表征模拟降雨下土壤坡面养分的流失特性

通过室内自动模拟降雨系统,设置模拟降雨试验,运用土壤单质量指数(SSQI)和土壤综合质量指数(SSCI),研究了模拟降雨对3种类型土壤(棕壤、褐土与红壤)坡面养分流失及土壤质量变化的影响。结果显示:降雨造成了3种类型土壤坡面不同程度的氮素流失,土壤全氮指数均有所降低,并以坡下部降低最多;表下层坡面土壤全氮指数以棕壤降低最多,分别为褐土的1.33倍和1.79倍、红壤的9.28倍和3.45倍。降雨均提高了3种类型土壤坡面有效磷的含量,有效磷指数除棕壤下层坡面降低了3.98%外,其余土壤坡面升高了4.00%~47.73%,并以红壤表下层坡面的升高幅度最大。模拟降雨下,土壤速效钾含量变化受土壤类型影响较大,3种类型土壤中,红壤坡面的速效钾指数有较大幅度升高,褐土坡面降雨前后基本持平,而棕壤坡面有小幅降低。模拟降雨后,棕壤与褐土表下层坡面综合指数分别降低了33.62%、35.34%与22.53%、11.73%,而红壤反而升高了18.93%与7.00%。     

山东土石山区坡耕地水土流失影响因子定量分析

对山东省临朐、蒙阴、泰安、文登4个水土保持试验站坡耕地径流小区进行径流量和侵蚀量观测,并分别在不同作物、不同坡度、不同坡长、不同降雨条件下,分析径流小区所产生的径流量和侵蚀量的变化规律。结果表明：在相同地形条件下,玉米、花生、小麦＋花生、小麦＋大豆径流小区内的降雨量、降雨强度与径流量、侵蚀量呈线性关系,径流量和侵蚀量变化幅度大小依次为玉米〉花生〉小麦＋花生〉小麦＋大豆;不同坡长、不同坡度花生径流小区的降雨量、降雨强度与径流量、侵蚀量呈线性关系,径流量和侵蚀量随坡长、坡度的增大而增加;在相同坡度、相同坡长条件下,径流量和侵蚀量随降雨量和降雨强度的增大而增大,其增加幅度分别在降雨量50.0-79.9mm、降雨强度〉50mm／h级别时达到最大。