Experiments on Breaking Rock With High-pressure Cavitating Water Jets

How to achieve the most efficient rock-breaking is the research direction of the rock-breaking technique. According to this problem, a series of experiments relating to the rock-breaking efficiency of cavitating water jets were carried out for different nozzles within different pump pressures and ambient pressures. The results show that the erosion depth increases proportionally with the pump pressure and decreases as the ambient pressure increasing on the same experimental condition. Erosion happens in the first few minutes, and after that, erosion does not increase with time. The erosiondepth of the convergent-straight nozzle is much lower than that of the convergent-divergent nozzle.     

EN—1对砒砂岩固化土坡面径流水动力学特征的影响

为探讨砒砂岩地区工程边坡径流的侵蚀规律,通过室内模拟冲刷试验,对添加EN-1固化剂后不同固化剂掺量、养护龄期和压实度的边坡径流水动力学特征进行了研究.结果表明:在试验设计的固化剂掺量、养护龄期和压实度处理条件下,砒砂岩固化土坡面径流流速随固化剂掺量、养护龄期和压实度的增大而增大,且径流流速随冲刷的进行呈现出波动减小的趋势.径流雷诺数Re随固化剂掺量、养护龄期和压实度的增大而减小,且Re有随冲刷的进行而逐渐增大的波动变化趋势,而弗劳德数Fr的变化趋势正好与Re相反.除压实度在较小处理冲刷后期时径流流态为紊流和缓流外,其他处理都是层流和急流.径流Darcy - Weisbach阻力系数f随固化剂掺量、养护龄期和压实度增大而减小,且f与输沙率有一定的正相关关系.     

W-OH材料对砒砂岩坡面土壤剥蚀率和微结构的影响

砒砂岩区是我国水土流失问题最严重的区域之一。为研究砒砂岩坡面土壤剥蚀率的影响因素及W-OH材料对其的改良效果,以内蒙古自治区准格尔旗地区砒砂岩为研究对象,采用模拟冲刷试验方法研究了冲刷流量(2,3,4 L/min)、坡度(5°,7.5°,10°)以及W-OH喷洒浓度(1%,2%,3%)对砒砂岩坡面土壤剥蚀率和微结构的影响。结果表明:(1)砒砂岩坡面剥蚀率沿坡面方向逐渐减小,且随着冲刷流量和坡度的增大而增大;(2)在流量、坡度固定条件下,随着W-OH溶液浓度的提高,砒砂岩坡面土壤剥蚀率改善效果越明显,坡面的抗蚀性能提升越高,当浓度超过2%时,对坡面固结效果较为明显;(3)SEM试验结果说明W-OH溶液可以对砒砂岩颗粒进行有效地包裹,从而防止水分侵蚀,提高坡面抗蚀性,这与溶液浓度和喷洒量关系密切,也与坡度和冲刷流量有一定相关性。研究结果将对W-OH用于砒砂岩坡面治理提供一定的理论支撑。     

砒砂岩原状坡面不同季节复合侵蚀动力的贡献研究

为揭示黄河中游砒砂岩区多动力复合侵蚀的季节变化特征,该研究融合野外原位观测、三维激光扫描仪技术和GIS等多研究手段,基于2018年3月—2019年4月砒砂岩裸坡上3个试验小区的各4期地形点云数据、坡面实测侵蚀量以及研究区气候数据,分析了砒砂岩水蚀、冻融侵蚀、风蚀的季节交互特征,并分离了各侵蚀动力对原状坡面的侵蚀贡献。3个试验小区为水力+冻融+风力复合侵蚀原状小区、水力+冻融复合侵蚀小区和冻融小区,尺寸均为12.5 m×2.5 m。结果表明,3月—6月、11月—翌年4月砒砂岩坡面侵蚀动力以冻融+风力为主,7—10月坡面侵蚀动力以水力为主。在3月—6月、7月—10月、11月—翌年4月3个时段中,水力+冻融+风力原状小区内侵蚀量比例分别为10.58%、76.61%和12.81%,水力+冻融复合侵蚀小区内侵蚀量比例分别为10.43%、78.57%和11%,冻融小区内侵蚀量比例分别为31.90%、28.65%和39.45%。3个时段中,对原状坡面而言,水力侵蚀的贡献率分别为21.85%、71.42%和11.12%,冻融侵蚀的贡献率分别为53.09%、6.58%和54.20%,风力侵蚀的贡献率分别为25.06%、21.99%和34.69%。在3月—6月、11月—翌年4月,冻融侵蚀量最大,水力侵蚀量最小;7月—10月,水力侵蚀量最大,冻融侵蚀量最小。在整个研究期,原状坡面侵蚀量中水蚀占58.45%、冻融和风蚀共占41.55%。2018年各侵蚀动力对坡面的影响程度由大到小依次为水力侵蚀、冻融侵蚀、风力侵蚀。研究结果可为砒砂岩区复合侵蚀综合治理提供理论依据。     

裸露砒砂岩区人工林地侵蚀特征及其侵蚀量模拟研究

[目的] 研究裸露砒砂区天然降雨条件下不同类型人工林地的侵蚀特征,为裸露砒砂区植被建设和减轻泥沙入黄提供科学指导。[方法] 以裸露砒砂岩区广泛栽植的油松人工林、山杏人工林、沙棘人工林和柠条人工林以及草地和裸地为研究对象,采用径流小区监测的手段,对各类型样地的年内天然降雨以及土壤侵蚀量进行监测。[结果] ①依据研究的年内降雨数据,裸露砒砂岩区长历时的暴雨和中到大雨的情况下,瞬时雨量呈现双峰趋势,累积降雨量呈梯式增长规律;短历时的暴雨和小到中雨的瞬时雨量呈单峰趋势,累积降雨量分别呈S形和线性增长趋势; ②裸露基岩坡面侵蚀较为严重,总产流量达28.48 L,总土壤侵蚀量达31.85 t/(hm²·a),有植被的坡面总产流量在9.8～18.41 L之间,总土壤侵蚀量在1.67～10.14 t/(hm²·a)之间。各类型人工林地的产流量随着降雨类型的变化并无统一规律;但土壤侵蚀量均呈现：裸地>草地>柠条林>山杏林>油松林>沙棘林的规律。油松林和沙棘林地的产流量和土壤侵蚀量均呈极显著相关关系,相关系数分别0.929,0.893;各类型样地的平均雨强和I₃₀均与土壤侵蚀量呈显著相关关系,相关系数高于0.595。③各类型人工林地降雨量分别与径流量、土壤侵蚀量呈多元线性(R²>0.771)的关系。降雨产流模型的Nse值高于0.62,除柠条人工林外降雨产沙模型的Nse值高于0.57,表明模型精度相对较高。[结论] 在裸露砒砂岩区侵蚀性降雨条件下,人工林地降雨、产流与产沙均存在一定的函数关系且人工林地的侵蚀量小于裸露坡面的侵蚀量。     

砒砂岩区三种沙棘根系特征与固土能力

[目的] 研究中国沙棘(Hippophae rhamnoides ssp.sinensis)、太阳沙棘(Hippophae rhamnoides ssp.taiyang)、乌兰沙林沙棘(Hippophae rhamnoides ssp.mongolica “Wulanshalin”)在砒砂岩区的根系分布特征及林下土壤抗蚀性特征,为改善当地生态环境提供新的树种选择。[方法] 在野外挖土壤剖面获取根土复合体,在室内进行根扫描及崩解试验。[结果] ①沙棘根系垂直分布规律大致相似。随土层深度的增加,根长、根体积逐步减少。根系主要分布在0—60 cm土层,占总根量比例分别为90.96%(中国沙棘),83.38%(太阳沙棘),74.93%(乌兰沙林沙棘);粗根主要分布在0—40 cm土层。水平方向粗根主要分布在距根基0—20 cm的范围内,细根主要分布在20—100 cm范围内,且距根基越远细根含量越少,根系整体呈浅层化分布。②沙棘林下土壤崩解速度变化趋势基本一致。以0—20 cm表层土平均崩解速度最低。随着深度增加逐步增大,水平方向距根基部越远土壤平均崩解速度越大。土壤崩解速度表现为：中国沙棘(3.18 g/s)＞太阳沙棘(1.27 g/s)＞乌兰沙林沙棘(1.21 g/s)。③土壤崩解速度与沙棘根系分布有显著相关关系。垂直方向上受到粗根和细根的共同影响,水平方向主要受到细根的影响,细根对固持水土的作用更大。[结论] 太阳沙棘的根系含量高于乌兰沙林沙棘,且根系分布特征和林下土壤崩解速度变化规律联系更密切,更适用于砒砂岩区的水土流失防治工作。     

天然降雨条件下裸露砒砂岩区人工植被的减流减沙效应

裸露砒砂岩区是黄土高原上侵蚀最为剧烈的地区之一,研究裸露砒砂岩区天然降雨下人工植被的减流减沙效应,对于提升砒砂岩区水土流失治理成效与质量有重要意义。以裸露砒砂岩区鲍家沟小流域的典型人工植被为研究对象,运用系统聚类和线性回归相结合的方法,划分裸露砒砂岩区降雨类型,研究不同降雨类型下坡面产流产沙的特征,分析不同人工植被的减流减沙效应。结果表明:(1)裸露砒砂岩的自然降雨可以分为长历时暴雨、长历时的中到大雨、短历时暴雨以及短历时的小到中雨4种类型。(2)天然降雨的降雨量(P)、最大30 min雨强(I₃₀)和最大10 min雨强(I₁₀)与各植被类型坡面的产流量、产沙量间呈y=ax₁+bx₂+cx₃+d的多元线性关系。(3)各植被类型的减流能力依次为沙棘林>油松林>山杏林>柠条林>草地; 减沙能力依次为沙棘林>山杏林>油松林>柠条林>草地。营造人工植被可以有效防治裸露砒砂岩区坡面的水土流失问题,现有的人工植被类型中以沙棘林的抗蚀能力最强。     

风化煤对晋陕蒙矿区排土场新构土体土壤呼吸的影响

为探讨风化煤添加对晋陕蒙矿区排土场沙黄土及砒砂岩掺混沙黄土等新构土体土壤呼吸特征的影响,该文设置沙黄土、沙黄土+风化煤、沙黄土+风化煤+砒砂岩掺混、沙黄土+砒砂岩掺混的4种新构土体,采用Li-8100土壤呼吸测量系统测定田间土壤呼吸,分析了不同土体重构方式土壤呼吸特征及其与土壤水热因子的相互关系。结果表明：1）风化煤添加后沙黄土+砒砂岩土体与沙黄土土体土壤呼吸速率分别提高了35.2%（P<0.05）和17.1%,沙黄土土壤呼吸日变化为单峰曲线,风化煤添加后日变化呈双峰曲线。2）各土体土壤呼吸与土壤温度均呈极显著的指数函数关系,vant' Huff模型可用来模拟各土体土壤呼吸对土壤温度的响应。3）监测期内土壤含水率整体较高,土壤呼吸与土壤水分具有一定的线性关系,但不显著。土壤呼吸与土壤温度、水分多元线性分析结果也表明,监测期内新构土体土壤呼吸与土壤温度显著相关,与土壤水分相关性不显著,土壤温度可以解释土壤呼吸的大部分变异。综合研究结果表明风化煤促进了新构土体土壤呼吸,提高了碳释放速率,同时也改变了土壤呼吸日变化格局。研究阐明了添加风化煤对矿区新构土体碳通量释放的影响,对评估风化煤添加土体优缺点,估算未来局部碳变化具有积极意义。     

砒砂岩沟坡沙棘群落冠层结构特征及密度调控思考

在砒砂岩区沙棘人工群落中,沙棘层鲜重平均占89%,草本层占11%。沙棘标准株鲜重生物量随树高分布模型为Cubic模型,即最下层生物量较小,向上增加很快,然后随着高度上升,生物量逐渐减少。对于2a、4a、6a、8a、10a等5个林龄,沙棘枝干鲜重的主要分布层次分别为0-40cm、0-120cm、0-140cm、0-160cm、0-210cm,即枝干重量随林龄的增加而不断向上延伸;而叶鲜重的主要分布层次分别为20-70cm、60-140cm、70-180cm、60-190cm、120-230cm,叶重量也随林龄的增加,其聚集重心部位不断向上转移。生产实践中应通过调节密度（如带状间伐）等,使叶的分布层次下移,这样将有利于沙棘果、叶的采摘,同时,也能防止由干旱而造成的沙棘枯死或感染病虫害而致死亡。     

晋陕蒙砒砂岩区实施沙棘生态工程各期的景观斑块特征研究

对晋陕蒙砒砂岩区实施沙棘生态工程始期(1998年)、中期(2003年)、末期(2008年)3个时期(控制年份)景观斑块特征的研究结果表明:沙棘林景观的斑块变化最为明显。从斑块数量上来看,各粒级斑块数量均有所增加;在各斑块所占的比例上,小斑块比例在减小,中斑块、大斑块及巨斑块的比例在迅速增加。说明沙棘生态工程的实施使得该区沙棘林景观小斑块逐渐连结为更大的斑块。在其生态工程实施的各期,沙棘林的类斑近圆指数从中期2003年的1.86增加到末期2008年的2.65,变化较为明显,体现出在沙棘萌蘖性能的影响下,景观斑块形状逐渐变得复杂。沙棘林斑块分维数从中期2003年的1.056 6增加到末期2008年的1.080 2,在持续开展沙棘造林的过程中,斑块数增加,面积增加,边界趋于更加复杂,与其形状指数显示的结果相一致。该区复杂的斑块形状是沙棘林向外迅速扩张的活力表征。此外,还对该区实施沙棘生态工程各期的盖沙地、水域、居民地、灌丛、稀疏植被、林地、草地、未利用地等的景观斑块特征作了分析。