工程堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机制研究

工程堆积体极易产生水土流失,是生产建设项目水土流失防治的重点。为探明工程堆积体植物篱控蚀效果和机理,通过野外模拟径流冲刷试验,该文采用35、45、55 L/min 3种放水流量,对24°、28°、32°三种坡度的植物篱(H)及裸露对照小区(C)堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取产沙率、径流含沙量、减沙量、径流挟沙力、剪切力、剥蚀率和径流功率等因子对堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机理进行分析。结果表明:堆积体侵蚀时间段集中在产流中后期(10~32 min),侵蚀位置主要在坡面中上段(0~10 m),植物篱具有10%~45%的减沙效益,其控蚀能力与冲刷历时之间存在二次函数的关系,临界时间随坡度和流量的增加而提前;植物篱坡面产流后期径流含沙量超过裸坡,这与其在侵蚀过程中的"源-汇"转变有关;植物篱可降低坡面土壤剥蚀率,提高坡面的临界剪切力和临界径流功率,能抑制细沟向坡面下部的发育,基于径流功率,其可蚀性参数(3.58 g/(N·m))大于对照坡面的可蚀性参数(2.83 g/(N·m))。研究结果可为坡面植物篱的合理利用提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体措施条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供部分参数支持。     

不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程

工程堆积体可在短时期内极大程度地改变原地貌地形、土壤和植被条件,使其在降雨径流作用下将发生严重土壤侵蚀,因此是生产建设项目区水土流失最为严重的地貌单元。该文采用土工试验方法及野外实地放水冲刷法研究不同物质来源和土石比的工程堆积体边坡物理性质、侵蚀动力及径流侵蚀过程。结果表明：1）2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土差异明显,其中黄沙壤工程堆积体以≤0.25mm颗粒为主,其颗粒变异系数为原土的1.2～2.0倍,稳定入渗率为原土1.70～4.07倍;而紫色土堆积体级配良好,颗粒变异系数是其原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02～11.59倍。2）各种工程堆积体边坡侵蚀动力学参数随放水流量变大而增加,黄沙壤工程堆积体边坡径流流速在0.155～0.318 m/s之间变化,径流剪切力变化在27.632～57.154 N/m2,土壤剥蚀率在0.337～77.071 g/(m2·s)之间;而紫色土工程堆积体边坡径流流速、剪切力和土壤剥蚀率分别在0.184～0.281 m/s,35.525～53.600 N/m2和1.445～61.910 g/(m2·s)。3）土石混合质边坡在产流9 min内存在不同程度突变或波动,在相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质>土石混合质,黄沙壤工程堆积体边坡累积产流量高于紫色土;而土石混合质边坡的产沙率呈连续性多峰多谷变化,边坡侵蚀沟壁土体崩塌脱落是造成产沙率波动的重要原因。该研究可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测和水土保持植物措施选择提供基本参数和技术支持。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀临界水动力学试验研究

道路侵蚀是黄土高塬重要的侵蚀方式,通过野外放水冲刷试验研究了黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀水力学及产沙特性。结果表明,平均输沙率随坡度和流量的增加而增大,输沙率与坡度之间呈对数关系。水流剪切力在3°～12°的坡度变化中呈增大趋势,在9°～12°其增大趋势变缓。进一步的分析结果表明,道路侵蚀的发生具有一定临界条件。土壤剥蚀率与径流剪切力、水流功率和单宽能耗之间均呈线性关系,其中临界剪切力为2.443N/(m2.min),临界水流功率为0.369N/(m.s),临界单宽能耗为1.993J/(min.cm);对比分析知,土壤剥蚀率与水流功率相关系数最高。     

紫色土丘陵区新改土坡面产流产沙及水动力学参数特征

新改土是刚经过农地整理工程改造工序且处于土体非稳定期的土体,其土壤结构松散,在降雨径流作用下易发生水土流失,研究新改土的产流产沙和水动力学参数特征具有重要意义。通过野外放水冲刷试验,研究了紫色土丘陵区新改土坡面(10°)在不同上方来水流量(5,15,30L/min)及不同坡长(5,10,20,30,40,50m)条件下的产流产沙和水动力学参数特征。结果表明:(1)坡面产流率随着放水冲刷过程的变化趋势为波动增长期—稳定发展期,产沙率变化趋势为波峰波谷变化—逐渐减小—稳定发展,均在30~50min后达到稳定;平均产流率变化范围为0.36~20.46L/min,平均产沙率变化范围为1.11~239.09g/min;累积产沙量与累积产流量呈极显著的线性正相关关系(p0.01)。(2)径流稳定时呈层状缓流;径流剪切力和径流功率变化范围分别为8.36~28.36Pa和1.42~5.10N/(m·s),与上方来水流量分别呈二次曲线函数关系和线性方程函数关系;径流功率是描述新改土坡面侵蚀产沙的最佳水动力学参数,二者呈二次曲线函数关系。因此,上方来水流量和坡长均为紫色土丘陵区新改土坡面侵蚀的影响因素;产流产沙和水动力学参数与上方来水流量主要呈正相关性(R2为0.662~0.999),20,30m坡长是影响新改土10°坡面侵蚀的临界坡长。研究结果可为新改土坡耕地水土流失监测、预报和水土保持措施布置提供了理论依据。     

工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力学过程

工程堆积体产生的新增水土流失严重威胁工程建设区及其附近区域的生态安全。该文采用野外放水冲刷试验的方法,对神木-府谷高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力过程进行了研究,结果表明,1）水流剪切力、水流功率及径流动能对薄层水流侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率、过水断面单位能量的影响不显著;2）水流剪切力、水流功率、过水断面单位能量对细沟侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率的影响可用幂函数方程描述,径流动能的影响可用对数线性方程描述;3）水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数,是坡面侵蚀的动力根源;4）发生细沟侵蚀的临界水流功率为3 N/(m·s),细沟可蚀性参数为8×10-3 s2/m2。该结果可为工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础,为生产建设项目区新增水土流失治理提供科学依据。     

岩溶区煤矿工程堆积体边坡细沟发育及其水沙关系研究

重力作用对坡面径流泥沙和细沟发育具有重要影响。以煤矿工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷法研究不同坡度条件下,重力作用对工程堆积体边坡产流产沙细沟发育形态的影响。结果表明:(1)工程堆积体坡面侵蚀过程分为面蚀(产流3 min内)和细沟侵蚀阶段,其中细沟侵蚀存在扩张(产流3～24 min)、过渡(产流24～30 min)和稳定(产流30 min后)3个发展过程,细沟最快出现为4s、最慢为97s,二者出现时间约相差24倍。(2)重力作用是影响工程堆积体边坡产流产沙及其波动性变化的重要原因,对工程堆积体边坡总产沙量贡献在17.41%以上,最高可达99.60%;初步判定,重力作用对边坡细沟发育影响作用明显的临界径流条件为20 L·min~(-1),临界坡度条件为35°。(3)重力作用造成工程堆积体边坡细沟由短向长、由浅向深、由窄向宽发展,坡面细沟沟宽在7.89～19.73 cm之间,沟深在2.17～6.73 cm之间,宽深比在2.12～4.36之间,细沟密度在1.35～3.00m·m~(-2)之间;径流作用主导细沟深度发育,而重力作用主导细沟宽度发育;边坡细沟密度随放水流量及坡度增加呈先增大后减小的趋势。研究结果对于正确认识煤矿工程堆积体边坡产流产沙特征、影响因素及土壤侵蚀量测算具有重要参考意义。     

工程堆积体坡面产流产沙特性的现场试验

通过不同流量(35,45,55L/min)、不同坡度(24°,28°,32°)的野外放水冲刷试验,对工程堆积体坡面产流产沙的时空变化特性进行了研究。结果表明,径流强度与放水强度、产沙率密切相关,三者之间呈多元线性相关;坡面径流强度随冲刷时间呈波动式增大趋势;平均含沙量和产沙比均随坡度增大呈先增后减的趋势,峰值出现在坡度为28°时;径流强度和产沙率在冲刷时间为10min时出现第一个峰值;坡面产沙过程呈现产沙率剧增、波动和稳定发展3个阶段;累计产沙量与累计径流量呈线性关系。试验结果可为工程堆积体坡面水土流失预报模型的构建提供验证数据。     

坡度对浅沟侵蚀产沙的野外放水冲刷试验影响

为了研究坡度对坡面浅沟侵蚀产沙的影响,以黄土丘陵沟壑区坡面浅沟为研究对象,选取野外实地坡面14.0°,18.5°,26.0°,29.0°坡度和5,10,15,20,25L/min放水流量进行典型野外坡面浅沟径流小区放水冲刷试验,研究坡度对浅沟径流率、产沙率、含沙量、总径流量、总产沙量的影响。结果表明:5,10,15,20,25L/min不同放水流量下,坡度与径流率、总径流量成正相关,既随着坡度增大径流率、总径流量增大;5,10,15,20,25L/min不同放水流量和14.0°,18.5°,26.0°,29.0°坡度下产沙率、含沙量和总产沙量随时间变化的规律一致,表现为试验时间内,均出现先增大—到达最大—波动减小—稳定趋势;产沙率、含沙量、总产沙量与坡度的关系表现为产沙率、含沙量、总产沙量随着坡度的增大先增大,达到最大值后减小,最大值出现在26.0°,26.0°的产沙率、含沙量和总产沙量分别为14.0°的1.06~2.87,1.31~2.21,1.08~2.77倍,产沙率、含沙量、总产沙量均存在临界坡度,临界坡度范围为18.5°~29.0°。     

坡长对黄土区工程堆积体产流产沙影响的模拟试验研究

[目的]探究坡长对黄土区工程堆积体产流产沙的影响,为生产实践中工程堆积体水土流失合理防控提供理论依据和技术支撑。[方法]在裸露的堆积体边坡上选取3个坡度(24°,28°,32°)5个坡长(4,8,12,16,20 m)进行野外模拟径流冲刷试验。[结果] 24°,28°,32°坡面产流率和产沙率均随坡长的增加持续波动;4和8 m处坡面的产流率和产沙率之间相关性显著,12,16和20 m处坡面的产流率和产沙率间只有在32°时相关性显著;累积产流量和累积产沙量均随坡长增加而增大且符合幂函数关系;累积产沙量与累积产流量之间具有线性函数关系。[结论]坡长对坡面产流率和产沙率的影响因坡度而存在差异性;累积产流量、产沙量均随坡长的增加而增加。     

冻融坡面土壤剥蚀率与侵蚀因子关系分析

为确定影响冻融坡面土壤剥蚀率的主要土壤侵蚀因子,采用2个(10°、15°)坡度、2个(3、9 L/min)流量和4个(2、5、8、11 cm)起始解冻深度组合进行野外冲刷试验,分析土壤剥蚀率随坡度、流量和解冻深度变化规律,研究土壤剥蚀率与水蚀动力参数(径流水深、水流剪切力、水流功率、单位水流功率)间的相关关系,运用逐步回归分析方法,建立冻融坡面土壤侵蚀预测模型。结果表明:相同起始解冻深度条件下土壤剥蚀率随着坡度和流量的增加有增大的趋势,相同坡度条件下,流量为3 L/min时,起始解冻深度5 cm时土壤剥蚀率最大;流量为9 L/min时,随着起始解冻深度的增加土壤剥蚀率增加;土壤剥蚀率与水流剪切力、水流功率、单位水流功率分别呈显著线性正相关关系(P0.01);建立了基于水流功率和起始解冻深度的土壤剥蚀率预测方程(R~2=0.967)。     

黄土坡面径流剥离土壤的水动力过程研究

坡面土壤侵蚀是径流冲刷和坡面抗蚀作用以及地面物质补充能力之间相互作用的复杂过程。本研究采用野外实地放水冲刷实验,研究了20°裸地(CK)及鱼鳞坑(YLK)、苜蓿草地(MXCD)、秸秆覆盖(JGFG)径流调控措施坡面薄层水流剥离土壤颗粒的水动力学过程,并运用水流切应力、单位水流功率、径流动能三种理论进行了详细分析。结果表明:(1)对于裸地和调控措施坡面,输沙率与径流剪切力、径流功率之间均呈现良好线性关系,与水流动能之间呈现良好对数关系;土壤侵蚀发生时均存在临界切应力和临界功率。(2)随放水流量增加,坡面流速迅速增大,导致水流切应力、单位水流功率、径流动能增大,进而水流对土壤颗粒的剥离能力增强,最终土壤侵蚀加剧。总之,三种理论在描述土壤侵蚀过程时各具特点,径流切应力更能详细地揭示土壤颗粒分离过程,而径流动能及功率理论更能简便、准确地描述坡面土壤侵蚀过程。     

2种扰动土壤工程堆积体坡面泥沙运移特征比对研究

为探究不同土壤类型对工程堆积体坡面侵蚀泥沙搬运的影响,选取构筑堆积体的2种扰动土壤,设定4个放水梯度(8,12,16,20 L/min)在32°条件下进行野外冲刷试验。结果表明:2种坡面产流产沙率均随冲刷延时呈"多峰多谷"变化;较扰动风沙土堆积体,扰动红壤堆积体产流产沙率均随流量增加上升速率较缓;流量20 L/min时,重力在扰动风沙土堆积体坡面侵蚀中发挥主导作用;各放水梯度下2种堆积体坡面累积产沙量与累积径流量均呈极显著线性关系(P0.01,R~20.99);随流量增大,搬运泥沙颗粒组成均接近原状土,扰动风沙土坡面径流搬运泥沙颗粒以砂粒为主( 60%),扰动红壤坡面径流搬运泥沙颗粒各组分比例相对均匀(各组分含量为24%～41%)。该研究结果可为不同土壤类型堆积体坡面水土流失防控措施科学配置提供理论依据。     

黄土陡坡径流侵蚀产沙特性室内实验研究

通过室内土槽放水冲刷实验，研究了黄土区陡坡侵蚀产沙特性。结果表明径流输沙率随径流流量的增加而增加，径流输沙率随坡度呈抛物线形式变化，当坡度在21°～24°之间时输沙率最大；径流剪切力也具有类似变化。泥沙输移率与径流剪切力之间存在线性关系，径流临界剪切力为1.701 N/(m²·min)，发生细沟侵蚀的临界径流水深与坡度正弦值成反比。在实验条件下，坡面中上部土壤的侵蚀量占总侵蚀量的很大比重，表明土壤侵蚀主要发生在坡面中上部。坡面下部侵蚀微弱，以搬运上部来沙为主。     

坡面径流水蚀动力参数室内试验及模糊贴近度分析

为了确定何种水蚀动力参数能更好地描述径流剥蚀土壤的过程，该文在坡度为3°～30°和流量为2.5～6.5 L/min范围内采用变坡土槽径流冲刷试验,对土壤水蚀动力过程进行了系统模拟，并运用模糊贴近度的分析方法,系统地研究了坡面水蚀动力参数(单宽径流能耗、水流剪切力、水流功率和单位水流功率)与土壤剥蚀率之间的贴近程度。研究结果表明:流量相同时,单宽能耗与土壤剥蚀率贴近程度最大,水流功率次之，且单宽能耗和水流功率分别与土壤剥蚀率呈线性关系，该研究说明单宽能耗和水流功率能较好地描述径流剥蚀土壤过程。     

集中水流下土石混合崩积体坡面侵蚀水动力特征试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学机理,采用室内放水冲刷试验,研究了不同流量(2,4,8,16L/min)和坡度(10°,20°,30°,40°)条件下4种土石混合崩积体(0,20%,40%,60%砾石质量百分数)坡面侵蚀的水动力学特征。结果表明:(1)在小坡度和小流量条件下,侵蚀率随砾石含量的增大而减小;当流量或者坡度增大时,侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律;各土石混合物侵蚀率均能用坡度和流量的二元幂函数来表达。(2)水流剪切力、水流功率和单位水流功率与侵蚀率均呈线性函数关系,其中水流功率和水流剪切力可优先作为模拟土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学参数。(3)可蚀性参数及临界侵蚀动力随着砾石含量的增加而增加。研究结果可为进一步深化认识崩积体侵蚀机理提供参考。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀率及水动力学参数研究

汶川震区滑坡堆积体土石结构松散,在降雨径流作用下易产生剧烈沟蚀,导致严重的水土流失,研究堆积体水流泥沙输移运动规律具有重要意义。根据野外调查结果,采用4种石土比(质量比分别为0∶1、1∶3、1∶2和1∶1),3级流量(4、8、12 L min-1),在近临界休止角34°和36°条件下进行放水冲刷试验,研究汶川震区滑坡堆积体土壤侵蚀率和水动力学参数的变化特征及其关系。结果表明:随着冲刷时间的推延,土壤侵蚀率、水流功率和单位水流功率逐渐减小,水流剪切力先增加后减小,过水断面单位能量先减后增再减小。全土以及石土比分别为1∶3和1∶1条件下,土壤侵蚀率、水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加而增大;在石土比1∶2条件下,土壤侵蚀率随流量的增加而增大,水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加,变化规律不稳定。水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量对土壤侵蚀率的影响均可用幂函数方程描述,而单位水流功率的影响不显著。该结果可为汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。