黄土区大型排土场岩土侵蚀特征研究--以平朔矿区排土场为例

排土场是一种松散的岩土混合物堆积体,存在着严重的岩土侵蚀,它的安全与稳定涉及矿山的生产安全及其经济利益与社会效益。以平朔矿区1986~2004年的水土保持实践为基础,对岩土侵蚀特征,进行了系统的研究。结果表明,岩土侵蚀的内涵为:一是侵蚀的对象是岩土非均匀混合物,也就是说,地表组成物的微变化比较复杂;二是侵蚀的方式、程度与原地貌有明显的不同。岩土侵蚀的形成条件与原地貌侵蚀形成的不同之处主要为:①地面形态及地层层序;②地表物质组成及其理化性状;③再塑地貌的时空变化。岩土侵蚀形式与特征在继承原地貌的基础上,出现新的特征,对它的进一步探讨是今后一个新的研究内容,对于整个生态系统平衡有着重要的意义。     

白桦根系力学特性的定量研究

选取华北地区白桦(Betula platyphylla)为研究对象,以白桦单根拉伸的试验结果作为基础数据,应用方差分析的方法对白桦根系的力学特性进行了定量分析。依据试验设计的准则,选取拉伸速率、根长(标距)和直径这3个指标作为影响白桦根系力学特性的影响因素,以最大抗拉力、抗拉强度、弹性模量及极限延伸率这4个指标作为反映白桦根系力学特性的响应指标。结果表明,根径对白桦的最大抗拉力、抗拉强度和极限延伸率存在显著影响;根长(标距)、拉伸速率均对弹性模量和极限延伸率存在显著影响。对选取的4个反映白桦根系力学特性指标而言,拉伸速率与根长(标距)之间均不存在交互效应。对抗拉强度及最大抗拉力而言,拉伸速率与根径、根长(标距)与根径的交互效应均存在且有显著差异表达。对弹性模量、极限延伸率而言,根长(标距)与根径的交互效应的影响不显著,而拉伸速率与根径的交互作用有显著影响。     

黄河中游昕水河流域水沙变化及归因研究

为了探讨人类活动和气候变化对黄河流域水沙情势的影响,选取黄河中游典型流域——昕水河流域为研究区域,分析流域1958—2015年水文气象年际变化规律,采用Mann-Kendall检验法和Pettitt检验法对流域径流量、输沙量及含沙量进行趋势分析和突变检验,并分别利用双累积曲线法、回归分析法和弹性系数法对水沙变化的归因进行了对比评价。结果表明：（1）流域多年平均径流量、输沙量和含沙量分别为32.0 mm,1 289.1 t/km²和33.7 kg/m³,年径流量、输沙量和含沙量均呈现显著下降趋势,且其突变时间均出现在1980年附近;（2）在1958—1980年和1981—2002年期间,流域年水沙关系表现出较好的线性关系,但是2003—2015年期间流域年径流—输沙关系的相关性明显减弱,水沙关系难以用确定的回归方程来表征,其主要原因为流域内水土保持工程措施的实施特别是淤地坝的建设,削弱了流域的水沙关系;（3）双累积曲线法、回归分析法和弹性系数法的计算结果较为接近,人类活动是引起昕水河流域水沙变化的主要驱动因素,传统的经验统计法确实有一定的可靠性和适用性。研究成果可为黄河流域生态恢复及水沙调控提供科学依据。     

华北典型植被根系抗拉力学特性及其与主要化学成分关系

为了解植被根系化学成分对根系力学性能的影响,该研究对华北地区常见的2种针叶树油松（Pinus tabulaeformis Carr.）和华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）以及3种阔叶树白桦（Betula platyphylla Suk.）、蒙古栎（Quercus mongolicus Fisch. ex Ledeb）和榆树（Ulmus pumila Linn.）5种树直径为0.75～7.65mm,共473根系进行了单根抗拉试验,并将拉伸后的根系按7个直径级归类后测定其纤维素含量、木质素含量、半纤维素含量及综纤维素含量。结果表明,5种树根系抗拉力范围为8～954 N,抗拉强度范围为6～53 MPa。不同树种间抗拉力、抗拉强度差异显著,从大到小依次为榆树＞白桦＞蒙古栎＞油松＞华北落叶松。抗拉力随直径增大以幂函数增大;抗拉强度随直径减小以幂函数和逆函数减小。根系的极限延伸率范围为6.95%～15.50%,不同树种间差异显著。5种树7个径级根系纤维素质量分数范围为20.09%～37.67%,木质素质量分数范围为18.03%～41.67%,半纤维素质量分数范围为1.29%～14.90%,综纤维素质量分数范围为26.20%～52.09%,木质素与纤维素质量分数比值（简称木纤比）为0.53～1.81。根系抗拉力与纤维素含量、半纤维含量、综纤维素含量正相关,与木质素含量、木纤比负相关;根系抗拉强度与纤维素含量、半纤维含量、综纤维素含量负相关,与木质素含量、木纤比正相关。但对于不同的树种,显著影响抗拉力、抗拉强度的化学成分不同。因此,根系中某一化学成分含量的变化并不能完全解释根系力学性能与直径的尺寸效应,或许根系其他内在因素如显微结构等也有着重要的贡献。     

华北地区4种常见乔木根系抗拉强度的力学综合模型

抗拉强度是建立边坡稳定模型时最常使用的植被根系特性之一。为建立根系抗拉强度的力学综合模型,对华北地区4种常见乔木油松、白桦、落叶松和蒙古栎的单根依照不同标距、不同拉伸速率进行了拉力试验。试验数据的分析结果表明:所有根系抗拉强度的观测值均通过正态检验;从数学角度出发,应用聚类分析方法,区分出4种乔木的极细根和细根;标距、树种对抗拉强度影响显著,拉伸速率对抗拉强度影响不显著。在理论推导和数据分析的基础上建立了乔木单根抗拉强度的力学综合模型,并对模型参数进行求解。该研究探明了单根抗拉强度的作用机理,对建立边坡稳定模型具有重要参考价值。      

矿区复垦植被土壤涵养水源功能的研究

从矿区复垦林地土壤的物理性状、蓄水性能及渗透性能和枯落物持水量等方面探讨了复垦矿区复垦植被的涵养水源功能.结果表明:随着复垦年限的增加,与新造地相比,土壤的物理性状都有很大的改善,而且植被对平台土壤的改善效应更明显;平台上土壤饱和蓄水量从大到小依次为刺槐×柠条>刺槐林>草地;斜坡上土壤饱和蓄水量依次为草地>刺槐林>柠条林.枯落物的持水量依次为草本>刺槐>油松.因此,乔灌草配置,针阏叶林混交,增加物种多样性,才能有效地改善土壤的保水蓄水能力,特别在复垦初期.     

降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响

采用室内人工模拟降雨技术,研究短历时暴雨和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)不同降雨强度条件下,不同坡度间的坡面径流量、产沙量及径流泥沙含量均呈现随着降雨历时的增加而增加的动态变化趋势,不同的是径流量在15～24 min后逐渐趋于稳定。(2)不同降雨强度条件下,裸露铁尾矿砂坡面径流量及产沙量与坡度相关关系均存在临界降雨强度,该临界降雨强度约为90 mm/h。(3)不同降雨强度条件下,不同坡度间的产沙量及径流泥沙含量随着降雨强度的增加,二者与坡度的关系均由负相关逐渐转变为正相关。(4)当降雨强度从60 mm/h增加到120 mm/h的过程中,不同坡度条件下的径流量及产沙量与降雨强度总体上呈逐渐上升的趋势,局部存在特殊情况。当坡度从25°增加到35°的过程中,不同降雨强度条件下的径流量及产沙量与坡度的关系均不明显;但同一坡度条件下,随着降雨强度的增加,径流量和产沙量均逐渐增加。研究成果为揭示降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂产流产沙机理提供参考。     

铁尾矿区不同复垦模式土壤环境质量评价

以山西省运城市垣曲县泉子沟铁尾矿区为研究区,按一定比例在尾矿砂中添加土壤、菌糠共6种复垦模式,选用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法,对复垦土壤中的Cd、Cr、Cu、As、Zn、Ni及Pb 7种元素进行环境质量现状评价,并分析各复垦模式下土壤表层重金属含量变化特征。结果表明,纯尾矿砂中添加菌糠比添加土壤能更有效地降低Cd、As、Ni、Cr这4种元素含量,降低范围为0.07～33.77 mg/kg,但对于Pb和Cu,施加土壤的改良效果更好;与纯尾矿砂相比,6种复垦模式土壤的Cu、Ni、Cr、Zn平均值降低了5.4%～64.5%;Ni、Cu、Zn的含量超过了毗邻区土壤背景值,除As外,其他6种重金属均超过了山西省土壤背景值,仅有Cu超过了国家评价标准,Cu的超标率最严重;单因子污染指数分析结果表明,除Cu外,其余6种元素均为轻微污染,其他元素无污染;内梅罗综合污染指数分析表明,6种复垦模式的土壤大部分属于尚清洁(警戒级)土壤,其中Cu含量高,分担率最大。     

黄土区大型排土场植被根系的抗蚀抗冲性研究

选取黄土区大型排土场不同复垦年限的植被为研究对象,分析了陡坡地(36~°42°)3种典型乔灌草植被根系的剖面分布特征及不同复垦年限(1~14年)不同复垦模式植被根系对土壤抗蚀抗冲性的影响。结果表明,与原地貌土壤剖面根系分布不同的是,排土场乔灌草的根系分布(Φ≤1 mm)从10 cm土层开始,随着土层深度的增加,呈现出幂函数减少的趋势;干土层出现的深度依次为刺槐林地>草地>柠条林地;不同复垦年限不同复垦模式(1~14年)55个样点的统计分析表明,土壤的抗蚀性指标和抗冲性指标都与根系密度在极显著水平上呈直线关系。     

不同复垦模式下铁尾矿坡面产流产沙与水力特性

为了揭示降雨条件下铁尾矿复垦坡面的产流产沙特征与水力特性,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(60、90、120 mm/h)和不同复垦模式(T,铁尾矿;TSH,铁尾矿与高比例生土;TM,铁尾矿与菌糠;TSM,铁尾矿、菌糠与生土;TSL,铁尾矿与低比例生土;植被类型均为胡枝子)25°坡度条件下的侵蚀过程。结果表明:1)产流速率在降雨初期迅速增长,中后期趋于稳定。添加菌糠的复垦模式产流速率高于未添加菌糠的复垦模式;2)产沙速率随降雨历时变化呈现两种模式,添加菌糠的复垦模式为减少型,未添加菌糠的复垦模式为增加型,TSL的减沙效果最为显著,T对降雨强度的响应最为敏感且高雨强下产沙量最大;3)所有复垦坡面平均径流深度范围在0.23~0.93 mm,水流流态均为层流,大部分情况下水流流型为缓流,但TSH在中高雨强下以及T在高雨强下为急流。添加菌糠模式的曼宁糙率系数和水流阻力系数高于未添加菌糠的复垦模式,流速低于未添加菌糠的复垦模式,添加菌糠的基质表面粗糙度较大;4)各复垦坡面的侵蚀形式以溅蚀和片蚀为主,高雨强下T出现细沟侵蚀,其余复垦模式未观察到明显细沟侵蚀;5)产流速率与水流功率、雷诺数(R2>0.998)呈极显著的线性关系,产沙速率与水流功率(R2>0.733)、雷诺数(R2>0.744)呈极显著的幂函数、指数函数关系。该研究可为铁尾矿坡面的复垦模式选择提供理论依据。