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。     

紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面产流产沙试验研究

采用野外放水冲刷试验法研究紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面产流产沙规律。结果表明:(1)不同下垫面条件的产流量、产沙量均随放水流量增大而增大;放水流量为5,10,15,20,25L/min时,产流量随时间推移均呈先增加后趋于平稳的变化,产沙量呈先增加后减小的变化,二者均存在波动现象,而产沙过程波动更为剧烈,呈现出多峰多谷特点。(2)土石比对产流量、产沙量的影响随放水流量增大而增强;相同条件下坡度越大,则产流量越大,产沙量亦越大;放水流量从5L/min增加到25L/min时,土质下垫面平均径流率、平均产沙率增加量均达到最大,而土石混合质下垫面增加量最小。(3)在产流量、产沙量与放水流量的经验方程中,25°土质下垫面产流量、产沙量增长率最大,分别为51.883,18.770,而35°土石混合质的增长率最小,分别为7.270,2.325。     

工程堆积体入渗特征及入渗模型适宜性评价

以重庆市城镇建设和交通枢纽工程形成的典型工程堆积体为研究对象,采用野外双环入渗法对工程堆积体入渗特征、影响因素及入渗模型适宜性进行研究,筛选重庆市典型工程堆积体最优入渗模型。结果表明:(1)工程堆积体初始入渗率可达23.20mm/min,随着入渗时间的延长,入渗速率逐渐降低,30min瞬时入渗率为2.38~11.32mm/min,稳定入渗率为1.81~9.05mm/min;(2)工程堆积体的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、30 min入渗率、60 min入渗率和渗透总量均表现为中等变异,变异系数为36.42%~57.49%;(3)工程堆积体初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和渗透总量与容重和含水率均呈负相关关系,与总孔隙度呈正相关关系;稳定入渗率、平均入渗率和渗透总量与60~40,40~20,20~10,10~5mm碎石含量呈负相关关系,与5~2mm碎石含量呈正相关关系;(4)不同工程堆积体回归模型的拟合效果存在差异,其决定系数R2依次为Kastiakov模型(0.899)通用经验模型(0.893)Horton模型(0.870)Philip模型(0.867),Kastiakov模型拟合效果优于通用经验模型、Horton模型和Philip模型,可以较好地模拟和预测重庆市工程堆积体入渗过程和入渗能力。     

紫色丘陵区城镇化不同地貌单元的水文特征及土壤重构

城镇化过程中由于开挖、堆垫以及路面硬化等建设活动,造成各种扰动地貌单元,其中,弃土弃渣堆积体是城镇主要的绿化用地及城市绿地建设客土来源;扰动地貌与原地貌单元共同组成城镇建设项目区的复杂下垫面。采用野外和室内试验方法,系统地比较了城镇建设中不同地貌单元的物质组成、入渗和持水性能的差异性,并探讨了三种城市土壤重构类型及其减缓城市内涝的潜在作用。结果表明:(1)不同地貌单元土壤容重差异显著(p0.05),施工便道(1.74 g cm~(-3))2年弃渣堆积体(1.58 g cm~(-3))2月弃渣堆积体(1.52 g cm~(-3))荒草地(1.47 g cm~(-3))坡耕地(1.34 g cm~(-3))人工林地(1.32 g cm~(-3)),弃渣堆积体平台处土壤容重均大于边坡处。(2)不同地貌单元土壤稳定入渗率均表现为弃渣堆积体边坡原地貌弃渣堆积体平台;弃渣堆积体平台处稳定入渗率大小主要受平台压实过程中可能存在的滞水层影响。(3)不同地貌单元的各种土壤水库特征中库容差异显著(p0.05),扰动地貌单元的总库容(378.7 t hm~(-2))小于原地貌单元(472.6 t hm~(-2));扰动地貌单元总库容表现为2年弃渣堆积体2月弃渣堆积体施工便道,原地貌单元则表现为人工林地坡耕地荒草地。(4)城市绿地土壤重构类型主要有乔木适生型土壤构型、灌木适生型土壤构型和草本适生型土壤构型,土层厚度、容重、2 cm砾石含量和有机质是影响重构土壤质量的关键因素;重构土壤类型(草本适生型、乔木适生型、灌木适生型)可保证草本植物在定植后2个月、乔灌木在定植后4~5个月左右充分发挥其调控地表径流、缓解城市内涝的潜在作用。研究结果可为三峡库区城镇化建设中绿地建设和城市洪水调控提供科学依据。     

不同恢复年限弃渣场入渗特征研究与评价

为分析弃渣场入渗性能及其植被恢复效应,采用野外双环入渗和主成分分析方法,分析和评价不同恢复年限弃渣场入渗特征。结果表明:(1)弃渣场恢复年限2个月(P1),2a(P2),4a(P3)和桑树林地(P4)的初始入渗率依次为11.32,9.34,15.84,19.38mm/min,稳定入渗率为4.64,3.62,6.71,7.81mm/min;桑树林地的稳定入渗率为3个弃渣场的1.68,2.16,1.16倍;(2)Kastiakov模型的拟合效果优于通用经验模型、Philip模型和Horton模型,其决定系数为0.905~0.956;(3)入渗特征值与土壤容重,20~5mm,5~2mm颗粒含量呈显著负相关(p0.05),与非毛管孔隙度、有机质含量和2~0.075 mm颗粒含量呈显著(p0.05)或极显著(p0.01)正相关;(4)主成分分析评价的土壤入渗能力排序依次为P4(2.398)P3(0.792)P1(-1.104)P2(-2.089);随着恢复年限的增加,弃渣场入渗性能得到较好的改善且接近桑树林地。     

海州露天煤矿排土场复垦区不同土地利用类型土壤入渗特征

为揭示排土场复垦区不同土地利用类型土壤的水源涵养功能,采用野外实地双环入渗试验和室内理化分析方法,系统地研究了海州露天煤矿排土场复垦区不同土地利用类型(乔木林地、灌木林地、农用地、荒草地)土壤入渗特性及其影响因素。结果表明:不同土地利用类型下的土壤初始入渗率、稳定入渗率和累计入渗量均表现为乔木林地灌木林地农用地荒草地;不同土地利用类型下土壤入渗过程的拟合优度存在差异,G-P综合模型、Kastiakov模型、Horton模型的平均拟合优度依次为0.926,0.908,0.905。G-P综合模型相对误差为79.21%~123.69%,更接近排土场复垦区土壤入渗的实际过程,可作为排土场复垦区土壤入渗过程的预测模型;不同土地利用类型下土壤初始入渗率与非毛管孔隙度呈显著正相关,稳定入渗率和累计入渗量与非毛管孔隙度、砾石含量和部分根系特征呈显著正相关;采用主成分分析评价的土壤入渗能力排序为乔木林地灌木林地农用地荒草地,初始入渗率、稳定入渗率、14min入渗率和累积入渗量的主成分方差累积贡献率为99.047%,较好地表达了土壤入渗能力。     

排土场土体裂缝区植被根系及抗剪强度分布特征

为揭示排土场土体裂缝区植物根系和抗剪强度分布特征,采用根钻法、WinRHIZO根系分析系统和直剪仪研究了0—60 cm土层植物根系、黏聚力和内摩擦角随土层深度的变化规律。结果表明:3个样地根系特征参数不同,随土层深度增加而减小,主要分布在0—20 cm土层,根密度和根重密度为88.81～303.03个/10³cm³,0.15～2.69 mg/cm³。根系以径级d≤0.1 mm和0.1 mm相似文献   

城镇化人为扰动下垫面类型影响水源涵养功能的评价

城镇化引起的各种人为扰动地貌单元的水源涵养功能较原地貌明显降低是造成城市水土流失的主要原因,在降雨和排水管网设计能力一定条件下,也是加剧城市内涝的主要原因。该文采用野外调查、室内物理分析及AHP(analytic hierarchy process)层次分析综合评价法,系统地分析了各种人为地貌单元的物质组成和持水性能变化并综合评价了其对原地貌水源涵养功能的影响特征。结果表明:1)各种扰动地貌单元2 mm土体颗粒质量分数在45%以上,原地貌2 mm土壤颗粒质量分数在92%以上;扰动地貌不均匀系数和曲率系数分别在11.05~41.30和0.32~3.15之间变化,其中不均匀系数较原地貌减小了4.51%~80.27%;各种扰动地貌单元土壤容重为施工便道(1.74 g/cm3)边坡绿化带(1.54 g/cm3)1 a弃渣堆积体(1.48 g/cm3)2 a弃渣堆积体(1.34 g/cm3)3 a弃渣堆积体(1.31 g/cm3),比坡耕地依次增加33.85%、18.46%、13.85%、3.08%和0.77%;扰动地貌的土壤总孔隙度、土壤田间持水量和饱和含水量则表现出相反趋势。2)人为扰动地貌单元土壤入渗性能总体小于原地貌单元,而原地貌土壤稳定入渗率则在2.83~6.22 mm/min之间变化;当项目区林地转化为新弃渣堆积体时对降雨和城市洪水动态调节功能影响最大,转化为施工便道时影响最小;人为扰动地貌单元土壤水库总库容、兴利库容和滞洪库容总体低于原地貌,当项目区草地转化为施工便道时对土壤持水能力及调蓄地表径流能力危害最大。3)各种扰动地貌单元水源涵养能力明显小于原地貌单元,以施工便道(0.421)最差,林地最好(0.651);在城镇化过程中应重视城镇水面、林草地的空间分布及占地面积,对短期松散堆积体也最好进行临时绿化措施。4)加强对扰动地貌物质组成、大孔隙结构和降雨-径流-入渗连续性定位研究,同时关注各扰动地貌在不同压实条件下土壤水库蓄水性能对项目区雨洪过程线和排水系统的影响。研究结果可为城市水土保持生态服务功能恢复、城市绿化带建设和洪水内涝缓解提供科学依据。     

排土场不同复垦方式下砾石对饱和导水率和贮水能力的影响

露天煤矿排土场是由矿井下采出的煤矸石,露天矿剥离的表土、岩石及覆土共同组成的松散土石混合堆积体,其内部含有的砾石对土体导水性能和贮水能力有重要影响,以往关于砾石对土壤水分的影响多集中于自然土壤,缺乏对排土场、弃渣场等土石混合工程堆积体的水文-侵蚀过程研究.以海州露天煤矿排土场为研究对象,基于野外调查采样和室内定水头入渗试验,研究了排土场不同复垦方式下土体砾石分布特征及其对饱和导水率和贮水能力的影响,以期为提高矿区水土资源利用效率提供理论依据.结果表明,不同复垦方式下排土场砾石总量随土层深度呈现增加的趋势,并且土体剖面砾石总量的平均值表现为农用地最小,这可能是由频繁耕作导致,不同土层之间砾石总量无显著差异;排土场土体不同粒径砾石相对含量平均值的大小顺序为(2~10 mm)>(>20 mm)>(10~20 mm),表现为大粒径砾石在各种因素的综合作用下正逐渐变为细粒径;排土场土体饱和导水率均表现为灌木林地最高,农用地和荒草地较低;饱和导水率与各粒径砾石含量之间呈极显著线性正相关,且随着砾石粒径的增大其相关性越强;排土场土体贮水能力各指标均以灌木林地和荒草地最强,乔木林地和农用地最差,并且饱和贮水量与各粒径的砾石含量之间均存在显著或极显著的相关关系,最大滞留贮水量与各粒径的砾石含量之间均呈现显著的幂函数相关关系,最大吸持贮水量与粒径2~10 mm砾石含量之间存在显著抛物线相关关系;对于>20 mm的粒径而言,影响土壤贮水能力的砾石含量阈值为14%.     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。