不同水土保持临时措施下工程堆积体坡面减流减沙效应

为量化城市生产建设项目水土保持相关规范中对于水土保持临时措施的布设要求,并为水土保持监管提供科学依据,该研究以深圳市生产建设项目工程堆积体为例,基于工程堆积体特征及其水土保持临时措施实施情况现场调查结果,结合深圳市多年自然降雨强度,概化设计室内人工模拟降雨试验,研究临时苫盖和拦挡措施在不同降雨强度及坡度下对工程堆积体坡...     

不同上方来水模式下工程堆积体坡面的植被调控

为揭示植被格局对工程堆积体坡面水沙调控的影响,采用野外模拟径流冲刷试验,分析了4种上方来水模式(均匀型、峰值前型、峰值中型和峰值后型)下坡面5种覆草格局(裸坡、坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局)的侵蚀特征。结果表明:水流功率与土壤剥蚀率之间相关性最高且呈极显著幂函数关系(R2=0.47～0.72,P0.01),是描述堆积体侵蚀动力机制的最优参数。植被格局的减流效益在12.23%～49.62%之间,减沙效益在12.92%～80.54%之间,减沙效益高于减流效益;带状和坡顶聚集格局的平均减流减沙效益分别为43.87%、58.09%和30.55%、54.41%,显著优于其他植被格局,在治理堆积体水土流失时应优先考虑这两种植被格局。植被格局下侵蚀泥沙中砂粒含量较对照小区减小了18.79%～35.80%,黏粒含量增加了3.56%～10.69%,表明植被对砂粒的拦截效果显著;侵蚀泥沙颗粒体积分形维数主要由黏粒体积分数决定,两者呈极显著线性相关关系(R2=0.90,P0.01)。植被格局的砂粒富集率较对照小区相对减小,黏粒富集率相对增加,体积分形维数增大;侵蚀泥沙中黏粒和砂粒迁移方式以团粒为主,粉粒则以单粒为主。该研究可为工程堆积体水土流失植被防控措施的配置提供参考。     

黄土区工程堆积体陡坡坡面径流调控工程措施的减沙效应

定量分析减少径流和改变水沙关系在泥沙调控中的不同作用,对于深刻理解径流调控措施的水土保持效益具有重要意义。以黄土区工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,探讨了野外模拟径流冲刷试验条件下,不同工程措施及其组合调控坡面径流的水沙效应及其作用效率。结果表明:1)不同工程措施均能较好地调控坡面径流侵蚀过程,不同情形下的产流时间控制比为2～20,径流量控制比为0.45～0.78,产沙量控制比为0.20～0.59;平均含沙量控制比为0.38～0.79;2)减流控沙作用是工程措施调控坡面侵蚀产沙的主要原因,水沙关系调沙作用则受减流控沙作用的制约;3)水平阶类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈线性正相关,当减流控沙量超过一定临界值时,水沙关系才开始发挥调沙作用;水平沟类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈二次函数关系,水沙关系调沙量存在极大值;4)水平沟类措施调控泥沙的作用效率高于水平阶类措施,水平沟+鱼鳞坑的组合可很好地发挥减流控沙和水沙关系调沙作用的潜力(55%),使二者在较高的水平上维持相对平衡;因此,不同工程措施与组合的实际应用应以具体的水土保持效益和防治目标为布设依据。研究可为堆积体陡坡治理的工程措施优化提供理论参考。     

植物篱措施下工程堆积体坡面减流减沙效益研究

为探讨植物篱措施下工程堆积体坡面不同坡段的减流减沙效益,选取了35,45,55L/min放水流量,模拟0.3,0.4,0.5mm/min的雨强条件,对24°坡度的堆积体边坡进行模拟径流冲刷试验。结果表明:植物篱可以很好地阻延坡面径流,且产流时间随着放水流量的增加呈线性递减趋势;对照坡面的平均产流量沿着水流方向呈先增后减的趋势,而植物篱坡面呈相反趋势;根据产流产沙量在不同坡段上的对比情况可知,植物篱措施的合理配置应着重加强中间坡段的防治;55L/min流量下的累计减沙量显著大于另外两个流量的累计减沙量,累计减沙量与时间呈三次函数关系;时段产沙量随着时段产流量的增大而增大,二者呈幂函数关系;累计产沙量与累计径流量呈二次函数关系,累计产沙量存在最大值,且二者的函数关系存在定义域。该研究可为工程堆积体坡面防治措施的优化配置提供一定的理论支持。     

模拟降雨条件下植被调控坡面水沙输出过程研究

为研究不同植被覆盖对坡面水沙输出过程调控效应,本文通过人工模拟降雨试验的方法,对3种典型的乔木灌木草本植被即构树、荆条和黑麦草,在坡度10°、降雨强度30 mm/h和坡度20°、降雨强度30 mm/h条件下的水沙输出的过程进行了试验研究,并对结果进行了综合分析。研究结果表明:3种植被整个产流过程的径流量均呈现先上升后逐渐稳定的趋势,产沙量呈先上升后下降,再逐渐保持稳定的趋势;构树、荆条和黑麦草均对坡面产流产沙过程有良好的调控能力,能够减少径流量和产沙量,其中黑麦草对产流和产沙均表现出较强的调控力,其次是构树,荆条最差。在对坡面径流流速的调控方面,流速整体呈现先增加后稳定的趋势,三者对径流流速的调控能力:黑麦草荆条构树。     

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。     

降雨和上方来水条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀特征

定量分析降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面产流产沙过程,对于完善多驱动力条件下堆积体坡面土壤侵蚀特征具有重要意义。该研究运用人工模拟降雨和冲刷试验,在野外径流小区（7 m×1 m×0.5 m,坡度36°）上分别开展5个降雨强度（40、50、70、100、120 mm/h）、4个上方来水强度（10、15、20、25 L/min）单独作用及共同作用下坡面土壤侵蚀过程试验,比较2种驱动力单独作用及共同下堆积体坡面土壤侵蚀与形态特征。结果表明：1）降雨条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现阶段性差异发育,中小雨强（40、50和70 mm/h）条件下,产流率和产沙率随历时延续呈现2个不同阶段（波动、平稳）,侵蚀形态为不连续跌坎,大雨强（100和120 mm/h）条件下,产流率和产沙率随历时的延续呈现3个不同阶段（波动、平稳、剧烈）,坡面侵蚀形态为细沟。2）上方来水条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现相对平稳发育,坡面侵蚀形态均为细沟。3）上方来水与降雨共同作用下,堆积体坡面侵蚀过程呈现剧烈波动发育,产沙率随历时的延续呈现持续\     

降雨历时动态变化对临时苫盖措施坡面减流减沙效益的影响

工程堆积体具有独特的物质组成,其土壤抗侵蚀能力差,受暴雨冲刷极易导致水土流失,密目网苫盖作为一种重要的临时措施,定量揭示密目网苫盖的蓄水保土机理具有重要意义。为分析降雨历时动态变化对工程堆积体密目网苫盖减流减沙效益的影响,试验设计60,90,120 mm/h 3个降雨强度,对5°,15°,25°,35°共4个坡度的堆积体坡面在裸地和密目网苫盖处理下进行人工模拟降雨试验。结果表明：60 mm/h降雨强度时,密目网苫盖处理在15°～35°对坡面产流历时抑制作用显著(p<0.05),当大于60 mm/h时,在15°～25°可显著延长坡面产流历时(p<0.05);不同坡度下60 mm/h与90,120 mm/h降雨强度减沙效益差异显著(p<0.05),密目网苫盖处理减流减沙效益随降雨历时延长而减小,均在90 mm/h降雨强度达阈值;幂函数可很好地描述减流减沙效益随降雨历时的变化关系,效益衰减系数(b)随降雨强度增大陡增;密目网苫盖处理减流减沙效益随降雨历时变化可分为高效阶段、递减阶段和稳定阶段,最佳减流效益历时总体小于30 min,最佳减沙效益历时在20 min附近。综上所述...     

连续模拟降雨下岩溶区含砾石堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土质堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了递增型降雨(0.5,1.0,2.0,2.5,3.0 mm/min)条件下偏土质(砾石含量30%)和偏石质(砾石含量70%)石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明:(1)随雨强增大,各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势,且土质坡面径流率整体小于2种含砾石坡面;偏土质、偏石质坡面累计产流量较土质坡面增加了0.49,0.37倍;(2)1.0~3.0 mm/min雨强下,土质坡面侵蚀速率在0.16~5.4 g/(m^2·s)范围内波动,整体呈稳定—波动增加的变化趋势;偏土质和偏石质坡面分别为0.16~5.4,0.06~0.74 g/(m^2·s),前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈,后者变化范围小且稳定;随砾石含量的增加,各坡面累计侵蚀量呈先增后减的变化趋势,偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加2.5倍,偏石质坡面较其减少了0.9倍;(3)土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著正相关幂函数、线性函数和线性函数关系。研究结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土流失治理提供一定的科学依据。     

不同工程堆积体坡面治理措施对土壤抗冲刷侵蚀能力的影响

为量化不同区域堆积体坡面水流分离土壤能力,评价植被恢复模式、恢复年限和削坡分级治理对堆积体土壤抗冲刷侵蚀的调控作用。选取秦巴山区、关中平原、黄土丘陵沟壑区（陕西省境内）高速公路不同工程堆积体,通过在堆积体坡面原位采集土壤样品,室内水槽冲刷试验进行系统研究土壤分离能力大小。结果表明,秦巴山区、关中平原、黄土丘陵沟壑区典型堆积体土壤分离能力变化范围分别为0.034～1.659、0.311～0.816、0.346～1.042 kg/(m2·s)。相比冰草,堆积体坡面自然恢复植被为小冠花可以显著降低土壤分离能力,其降低幅度高达94.97%。相比未复垦,在石渣土堆积体坡面短期人为复垦种植玉米和黄豆对土壤分离能力均无显著调控效益。相比恢复1 a,恢复2 a未能显著降低堆积体土壤分离能力,恢复5 a可以显著降低堆积体土壤分离能力,其降低幅度为57.35%,相比耕地,恢复5 a土壤分离能力降低60.41%。黑垆土堆积体短坡长（<60 m）坡面土壤分离能力空间变异不显著。相比未治理坡面,削坡分级治理可以显著降低堆积体坡面土壤分离能力,治理后堆积体平台和坡面土壤分离能力显著降低66.79%和49.04%。根重密度、粘结力、含水量、中值粒径、黏粒含量与土壤分离能力之间存在极显著负相关关系,可用指数函数关系表达,并建立了基于根重密度和水流剪切力土壤分离能力预测模型。该研究不仅可为堆积体水土流失预测提供基础数据支撑,也可为堆积体坡面治理措施配置提供指导。     

工程堆积体产流产沙及水沙效益对植被近地表特征的响应

针对陡坡工程堆积体水土流失严重的问题,通过野外模拟降雨试验开展植被不同近地表特征对堆积体产流产沙和蓄水减沙效益特征影响的定量研究。选择土石混合堆积体（10%砾石质量分数,坡度30°）作为工程侵蚀下垫面的典型代表,并以裸坡（bare slope, BS）为对照,定量分析了植被在3种近地表特征条件下（完整植株（intact grass,IG）,不含叶（not leaf,NL）,只含根系（only root,OR））对堆积体产流产沙特征和蓄水减沙效益影响。结果表明：1）植被在IG条件下延缓坡面径流发生使其较BS滞后,效益达50.74%～188.98%,但不完整植被（NL、OR）会加速径流发生使其较BS提前2.19%～70.12%;2）植被在NL和OR下的瞬时径流率比IG增大0.20%～185.58%,在降雨强度1.8 mm/min的瞬时径流率甚至比BS高1.20%～169.10%;植被在IG和NL条件下瞬时侵蚀速率比BS减少0.91%～98.71%,但在降雨强度达到1.8 mm/min时OR条件下甚至增大侵蚀使其比BS高6.76%～75.63%;3）随降雨强度增大,植被在NL和OR条件下的减沙效益由95.18%和68.31%分别递减至46.58%和-68.13%,但对IG下的减沙效益影响小（效益差异＜2%）,平均蓄水效益随降雨强度增大而减小。不同堆积体水沙呈显著线性相关（R²在0.40～0.88）,且径流率达到4 L/min会显著改变植被对堆积体坡面防护效益。提出开展堆积体生态修复时选择冠层丰富的植被,同时要避免外部因素对植被造成损害。研究结果对于揭示植被防护扰动边坡侵蚀机制具有重要意义,可为堆积体植被修复提供实践指导。     

南方红壤区植被结构类型与降雨模式对林下水土流失的影响

植被和降雨是水土流失的关键因素,探究二者对水土流失的影响对开展水土保持具有重要意义。该研究基于鹰潭红壤生态试验站5种植被结构类型的径流小区2016-2018年93次降雨、径流、泥沙观测资料以及各小区植被结构参数,利用自组织映射(self-organizing maps,SOM)方法,根据雨量、历时、60 min最大雨强、平均雨强、降雨集中性等特征指标划分降雨模式,研究了不同降雨模式和植被结构类型的水土流失特征,并采用冗余分析(RDA)定量研究降雨与植被对林下水土流失的影响。结果表明,SOM方法能客观识别红壤区4种典型侵蚀降雨模式,R_Ⅲ模式(短历时、大雨强、雨量集中)是造成水土流失的主要降雨模式,R_Ⅳ模式(多雨量、大雨强、长历时)最具侵蚀性破坏力;植被结构类型显著影响水土流失,水土保持功能从大到小依次为:灌草混交林、草地、低灌林、乔木林、高灌林。RDA分析表明,降雨模式与植被结构类型能够改变降雨、植被对水土流失的影响,随着降雨模式由弱到强转变,植被的水土保持功能逐渐减小,降雨影响增强,水土流失由植被主控演变为平衡控制、降雨主控;随着植被结构类型...     

川北紫色土小流域植被建设的水土保持效应

定量评价林草植被的水土保持功能对合理指导紫色土区的流域综合治理具有重要作用。该研究基于鹤鸣观流域Ⅱ号支沟1985-2001年逐日径流量和输沙量,结合实测日降雨量,采用Spearman秩相关统计法分析流域径流和输沙变化趋势,应用流量历时曲线和双累积曲线分析流域植被建设实施前后径流和输沙变化特征,并定量评估植被建设的水土保持效应。结果表明:结合防护林营造时间和双累积曲线分析,把水文序列分为基准期(1985-1990年)和评价期(1991-2001年),相比基准期,评价期小流域的年均降水量减少约8.1%,而年径流深和年输沙模数却分别减少34.6%和89.9%,说明以植被建设为主的人类活动起到重要作用。同时,植被建设的削洪增枯效果明显,评价期的丰水日径流深和平水日径流深较基准期分别减少了84.2%和76.3%,而枯水日径流深却增加了650.0%;结合双累积曲线和分离判别法可知,植被建设在径流和输沙变化中的贡献率分别达92.9%和94.3%,大规模的植被建设在减少土壤侵蚀的同时也减少了产流量,考虑到水安全问题,未来植被建设应合理规划。     

坡面不同截-排水沟布置方式下土壤微团聚体流失特征

传统坡面水系工程主要在节约工程量的考量下,把截水沟布置成平行于等高线的形式,但为了符合坡面自然排水状况,该研究中考虑用汇流和分流的方式来探究从理论上改变坡面沟道的基本形状是否具有可行性。该研究设计按比例缩小的坡-沟模型,以无措施坡面为对照,用人工模拟降雨的方法探究在不同坡度、地类坡面上布置汇流型和分流型截排水沟道后,坡面土壤微团聚体的流失变化规律。结果表明:在各个地类和坡度中,布置汇流和分流截排水措施后均出现较小颗粒微团聚体(5μm)在侵蚀泥沙中富集的现象;在坡耕地中,布设截排水措施能显著稳定土壤小粒径微团聚体(5μm)比例的稳定性,但分流截排水措施的效果更加明显,但在5°和10°时,汇流截排水措施能更好减缓坡面土壤粗化(250~1 000μm)趋势;汇流措施能减少林地侵蚀泥沙中微团聚体富集的波动性并控制林地坡面较小粒径微团聚体流失(5μm)的程度,但在荒草地中,总体来看,汇流措施对控制坡面微团聚体流失具有更强的作用。汇流型和分流型截排水措施对不同地类坡面微团聚体的控制保护各有侧重,在布设坡面沟道时,根据坡面、土壤实际情况和土壤保护要求来选择坡面截排水措施是极有必要的。该研究为进一步研究坡面自然排水方式在现实中运用可能性和可行性提供部分基础资料。     

农村土质道路路面形态对道路侵蚀的影响

路面形态作为道路微结构的表现形式,改变道路降雨侵蚀特征,对调节道路系统水沙传递过程有重要意义。本文以拱形、侧向形、平直形、凹形等4种常见路面形态为研究对象,通过室内模拟降雨试验,研究坡度（5°、10°、15°）及路形差异下,道路侵蚀特点。结果表明：路形对产沙的影响高于产流,路形通过改变路面径流的水力学特征来改变产沙特性;在坡度10°和15°时,凹形路面径流流态为急流,流速最大,土壤侵蚀率显著高于其他路形,且侵蚀泥沙颗粒粒径较大;在坡度5°和10°时,拱形和平直形路面水流流态为缓流,拱形路面产流产沙能力最弱,抵抗降雨侵蚀的能力最好。凹形和平直形路面对坡度的敏感性较高,随着坡度提升,产沙量和水流能量均有大幅提高,坡度对拱形和侧向形影响较弱。路形差异导致侵蚀特征迥异,在道路设计建设过程中,科学的路形搭配和“路-渠”组合能有效防治道路侵蚀,降低道路建设对生态环境的影响,该研究可为农村低等级道路建设和维护提供参考。     

泥石流流域降雨的产流与产沙研究

泥石流流域产流产沙与其他流域产流产沙不同 ,有其独特的特点。以云南东川蒋家沟为例 ,研究人工降雨下的小坡面产流产沙 ,自然降雨下的大坡面产流产沙 ,降雨的流域无泥石流时产流产沙和降雨的流域有泥石流时产流产沙 ,给出了相应的计算公式 ,并分别对比了各种情况下产流和产沙实测值与计算值 ,取得了较好的结果。     

极端降雨情形下黄土区水土保持治理的减沙效益估算

极端降雨情形下水土流失治理的效益评估对黄河治理具有重要意义,但由于缺乏有效的针对降雨事件尺度的定量评估方法,该问题长期存有争议.2017年陕西榆林"7·26"特大暴雨致灾严重,引发广泛关注.该研究提出了一种适用于事件尺度的减沙效益计算方法,并以岔巴沟流域为研究对象,计算流域水土保持治理在"7·26"暴雨事件中的减沙效益...     

室内模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分布试验

降雨入渗对城市绿化、防洪排涝、农业生产等方面有着重要的意义。采用室内模拟降雨,使用时域反射仪采集相关数据,从土壤含水率变化特征和湿润锋运移特点等方面,研究了在垂向一维条件下不同雨强降雨对水分入渗的影响,探讨在降雨条件下土壤水分的再分布情况,从而确定试验所用砂壤土保水性最优土层范围。结果表明：降雨结束后,土壤水分的再分布主要受土水势控制,随着时间的延长,蒸发作用逐渐占据主导地位;试验所用砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35 cm,可为植物的选栽提供参考。     

不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

为了明确降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理,探讨冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异。通过室内模拟降雨试验,采用3种降雨强度(0.6,0.9,1.2 mm/min)对比定量研究冻土坡面和未冻土坡面产流产沙过程及水沙关系。结果表明:在0.9、1.2 mm/min雨强下,冻土坡面的产流时间相对对照坡面提前了18.7,6.4 min。冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面,在0.9,1.2 mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的1.16,1.19倍,侵蚀量分别是对照坡面的10.40,6.40倍。随着降雨进行,坡面产生不同程度的细沟,其中,冻土坡面相比对照坡面细沟出现时间分别缩短了18 min,22 min,且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%,此比例大于同雨强下的对照坡面。两种坡面的累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系,在细沟间侵蚀阶段,冻土坡面的k值是对照坡面的8.48～9.02倍,而在细沟侵蚀阶段,则为对照的3.68～7.50倍。研究结果表明细沟侵蚀是冻土坡面土壤侵蚀率增大的主要原因,而冻结层的阻水作用是导致坡面上细沟出现时间提前的最重要因素。该研究可以为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考价值。