三峡库区野外模拟降雨条件下弃渣场土壤侵蚀特性

[目的]揭示三峡库区弃渣场土壤侵蚀规律,为该地区弃渣场的土壤侵蚀治理提供依据。[方法]通过现场搭建径流小区并采用人工模拟降雨的方法进行研究。[结果]降雨量同侵蚀量存在极显著的线性关系;降雨强度同渣场产流时间呈极显著的幂函数关系,同径流含沙率呈极显著的指数函数关系;渣场表层较高的细砾石含量,一定程度上可以减少溅蚀与面蚀量,但在强降雨或持续降雨条件下会促进坡面沟蚀的发育;渣场侵蚀具有一定季节分布,非雨季时,渣场侵蚀以面蚀与轻微沟蚀为主,坡面主要发育为细沟与浅沟,侵蚀量较少;雨季时,渣场坡面浅沟迅速转化为切沟,泥沙流失严重。[结论]研究区渣场侵蚀具有一定的季节性,渣场施工时应根据气候特征适当调配,主动避开雨季,并在雨季前完成渣场的水土保护设置;采取相应防护措施抑制或减缓雨季沟蚀的发育是研究区渣场水土保持防护的重点。     

神府煤田土壤颗粒分形及降雨对径流产沙的影响

神府煤田在开发建设过程中造成的扰动地面、弃土体、弃渣体产生了严重的人为水土流失。采用野外人工模拟降雨试验方法,研究了土壤分形维数及降雨强度对未扰动地面、扰动地面、弃土体及弃渣体径流产沙的影响。结果表明,(1)弃土体、弃渣体随产流历时呈现突增—下降—稳定的过程,扰动地面和未扰动地面则经历上升—稳定的产流过程,各下垫面径流率均随着雨强的增大而增大。(2)各下垫面土壤颗粒分形维数的大小为D1(弃渣体)D2(弃土体)D3(扰动地面)D4(未扰动地面),次降雨径流量与降雨强度、分形维数分别呈显著的线性、幂函数关系,且D1~D2及D3~D4之间存在用以区分下垫面类型的临界分形维数值。(3)弃渣体侵蚀过程线呈先波动后稳定趋势,弃土体则呈多峰多谷特点,扰动地面和未扰动地面在1.0~2.5 mm min-1雨强下侵蚀速率均先增大后逐渐稳定,3.0 mm min-1时二者侵蚀速率则波动剧烈。四种下垫面平均侵蚀速率均随着雨强的增大而增大。(4)次降雨产沙量与降雨强度、分形维数均呈显著的幂函数关系。(5)径流量、产沙量与雨强和分形维数分别呈显著的线性、指数函数关系。分形维数对矿区土壤侵蚀模型的建立有重要的科学意义。     

波波娜水电站弃渣体滑动预测及防护措施

波波娜水电站4号施工支洞洞口堆放的弃渣体是否安全稳定,不仅关系到下游居民的生产生活安全,而且关系到发电厂房的安全运行。在水土保持监测中对其安全稳定性进行了分析,分析计算结果为渣体安全系数是0.93,小于规范要求的1.20~1.30,据此判定该弃渣体处于不稳定状态。为确保工程的安全运行,积极建议建设单位采取了增加弃渣密度、提高弃渣表面防渗性、增强边坡稳定性等防护措施。     

神府矿区弃土弃渣体侵蚀特征及预测

神府矿区在煤炭开采过程中形成了弃渣体、弃土体及扰动土体等不同下垫面类型,其物质组成、结构性及产流产沙规律与撂荒地有极大差异,且已产生严重的水土流失。采用野外模拟降雨试验方法,对比研究了弃土弃渣体、扰动土体与撂荒地侵蚀特征的差异。结果表明,(1)撂荒地侵蚀速率随降雨历时先下降后逐渐稳定,扰动土体侵蚀速率呈增大后趋于稳定;35°弃土体侵蚀速率增至峰值后减小并逐渐稳定,40°时则一直处于波动状态;石多砂少和砂多石少弃渣体在产流初期侵蚀波动剧烈,并伴有泥石流现象,15 min后基本稳定。(2)同一下垫面侵蚀速率随雨强增大而增大,而各坡度间侵蚀速率差异不显著(p0.05);雨强相同时各下垫面、坡度间侵蚀速率差异均显著(p0.05),复杂疏松的物质组成是弃土弃渣体及扰动土体侵蚀特殊于撂荒地的根本原因,相同降雨条件下石多砂少弃渣体、砂多石少弃渣体、弃土体及扰动土体侵蚀速率分别是撂荒地的6.51倍~14.25倍、57.91倍~239.2倍、43.60倍~180.1倍和2.27倍~3.06倍。(3)弃土弃渣体及扰动土体侵蚀速率与中值粒径、分形维数、降雨强度、坡度及径流参数呈幂函数关系。研究结果对矿区弃土弃渣侵蚀模型建立与生态环境建设有重要的科学意义。     

不同植被恢复年限弃渣场边坡土壤物理性质特征

研究不同植被恢复年限弃渣场土壤侵蚀物理性质特征,可为生产建设项目弃渣场水土流失防治及植被恢复提供理论基础。本文以重庆市典型弃渣场为研究对象,采用野外调查及室内综合分析等方法研究不同恢复年限弃渣场的边坡不同部位土壤物理性质特征。结果表明:不同恢复年限弃渣的细小颗粒(0.25mm)含量差异较大,其随着时间的增加呈先减小后增加的趋势;随着恢复年限增加,弃渣容重呈减小的趋势,2月弃渣容重在1.48~1.64 g/cm3,4年弃渣容重可达1.20~1.40 g/cm3,而弃渣场不同坡位的总孔隙度均与土壤容重呈反比;土壤水分含量明显增大,4年弃渣边坡的自然含水率为2月和2年弃渣的2倍左右,田间持水量也以4年弃渣最大,其平台及边坡的平均持水量为22.26%;在植物根系及其枯落物作用下,弃渣边坡土壤物理性质得到改善,其增强了边坡稳定性。     

不同坡度条件下的全风化花岗岩回填土边坡生态防护措施

生态防护措施是治理全风化花岗岩回填土边坡坡面侵蚀的有效手段,以中缅油气管道龙陵段全风化花岗岩回填土边坡为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验,在坡长相同的情况下,选择不同坡度(10°,20°,30°和40°),相同雨强(220 mm/h)的4种水土保持措施(工程措施、植物措施、工程+植物措施和工程+耕作措施)来分析坡面土壤侵蚀的变化规律并计算产流率和产沙率,评价其防治效果。结果表明:(1)不同坡度所设置的防护措施均能起到减流减沙的效果,最佳水土保持措施为工程+植物措施。(2)≤10°边坡在裸坡条件下坡体基本稳定,不需要任何防护措施;10°~20°,20°~30°边坡分别在植草(覆盖率100%)和植草+坡面截排水措施下的护坡措施效果较好,＞30°边坡必须在有固坡措施的基础上,坡面设置生物措施方能有效治理坡面侵蚀问题。(3)坡度的阈值不是固定不变的,坡面防护措施越复杂,阈值越大;且在不同的防护措施条件下,坡度对坡面累积产沙量影响最大。     

弃土弃渣坡面产流产沙模拟研究

弃土弃渣水土流失量预测是生产建设项目水土流失监测的重要内容。通过室内人工模拟降雨试验,模拟建设项目侵蚀强度与弃土弃渣在不同降雨条件下石块出露面积和土壤粗化的关系,探讨弃土弃渣坡面产流产沙量预测方法。在不同雨强(0.7、1.0、1.5 mm/min)和坡度(5°、15°、25°)组合的9种情况下,研究了降雨侵蚀过程,以及降雨前后单位面积石块出露变化量、表层土石混合物中石块所占比例、侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间的关系。结果表明:不同坡度、雨强条件下产流率随降雨时间推移均呈先增大后逐渐趋于平稳的趋势,两者之间的关系可用幂函数方程描述;不同坡度、雨强条件下含沙量均在产流后4 min和10 min左右出现峰值,16 min后基本平稳;降雨侵蚀导致土壤中细小颗粒被剥蚀,石块逐渐出露,侵蚀强度与单位面积石块出露变化量之间呈线性正相关关系;侵蚀强度与降雨前表层土石混合物中石块所占比例之间呈指数负相关关系;侵蚀导致分选作用,使得表层土壤粗化,不同雨强、坡度下侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间呈线性正相关关系。     

胶东铁路弃土弃渣体产流产沙特征

通过人工模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对胶东铁路弃土弃渣体产流产沙的影响。根据青荣铁路沿线降雨和弃土弃渣体堆积特点,设计3种雨强(20,40,60mm/h)和3个坡度(20°,30°,40°)。结果表明:(1)当降雨强度由20mm/h增加到60mm/h,产流开始时间可缩短11~20s;当坡度由20°变化到40°,产流开始时间可提前17~22s。(2)径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。(3)相同坡度条件下,雨强40 mm/h下的径流量较20 mm/h时增加37.3%~122.6%,产沙率约为20mm/h时的1.5~19.5倍;而雨强60mm/h下的径流量较40mm/h时仅增加19.1%~26.7%,产沙率仅为40mm/h时的62.5%~151.8%。(4)相同雨强条件下,坡度对径流量、产沙率的影响存在临界坡度(30°~40°),径流量、产沙率随坡度的增大先增加后减小。(5)弃土弃渣体坡度为30°时坡度对坡面侵蚀量的贡献率大于雨强贡献率;而40°时雨强贡献率明显超过坡度。研究结果可为胶东半岛区域铁路项目建设期间弃土弃渣体的水土流失监测及防治提供技术支撑。     

水库沟道型弃渣场水土保持防护措施设计

以衢州市龙游县高坪桥水库弃渣场为例,针对沟道型弃渣场的弃渣堆放特点、区域环境特点、工程安全稳定要求及水土保持总体防治要求,提出了在弃渣场下游坡脚位置建挡渣墙、堆渣边界修建截水沟,对渣面土地整治后采取植树种草绿化,以形成综合的水土保持防护体系~([3])。     

模拟降雨条件下不同土石比例弃土堆置体产流产沙研究

为研究不同土石比例条件下弃土堆置体水土流失特征之间的差异,以前期概化的4类弃土堆置体中坡顶平台有车辆碾压的弃土堆置类型为研究对象,采用人工模拟降雨试验,研究4种土石比例弃土堆置体在4种降雨强度条件下的产流产沙特征。研究表明:4种土石比例的弃土堆置体的开始产流时间随着砾石含量的增加而缩短;相同土石比例条件下,径流率和侵蚀速率随着降雨强度的增大而增大;相同降雨强度条件下,径流率和侵蚀速率随着土石比例的减小而减小;径流率随着降雨时间的推移在一定范围内呈波动式变化,侵蚀速率随时间推移呈稳定、波动两种变化趋势。不同土石比例弃土堆置体平均径流率、平均侵蚀速率随着砾石含量的增大而增大;总产沙量随着总径流量的增大而增大。     

两种工程堆积体边坡模拟径流侵蚀对比研究

基于对重庆市城镇建设中工程堆积体野外调查结果,选择广泛存在的紫色土和黄沙壤工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷试验,对比分析了不同土石比及坡度的工程堆积体边坡径流侵蚀过程。结果表明:(1)工程堆积体土壤入渗率随冲刷过程呈先快速减小、后逐渐稳定的变化趋势,且波动幅度大小随冲刷流量的不同出现差异,下垫面稳定入渗率均在0.4~1.7 mm min~(-1)之间。(2)不同下垫面堆积体产流率随冲刷时间均呈先增加后稳定的谷峰交织变化趋势且随放水流量增大而显著增强;在相同放水流量时,黄沙壤堆积体平均产流率最大可为紫色土堆积体的1.89倍。(3)不同下垫面堆积体径流含沙量随冲刷时间呈先增加后稳定的波动趋势;径流含沙量在不同流量条件下介于0.21~1278.49 g L~(-1);冲刷过程中坡面面蚀向沟蚀的转化对径流含沙量有显著影响,最大可增加13.73倍;堆积体坡面侵蚀过程存在突变期、活跃期和稳定期3个阶段,细沟发生的偶然性和随机性对产沙量波动贡献率最大。(4)工程堆积体在不同放水流量条件下侵蚀泥沙颗粒粒径分布差异性明显,紫色土堆积体最大侵蚀泥沙颗粒均大于黄沙壤堆积体。研究结果可为重庆市城镇建设工程堆积体新增水土流失量预测和植被生态恢复提供重要科学依据。     

含砾石风沙土堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对风沙土工程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,研究了不同降雨强度(1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min~(-1))条件下不同砾石质量含量(10%、20%、30%)的风沙土堆积体坡面径流特性及侵蚀产沙规律。结果表明:(1)1.0、1.5、2.5mm·min~(-1)雨强下,10%砾石含量坡面径流率较土质坡面减少5.03%～39.99%,而20%、30%砾石含量坡面径流率则分别增加7.48%～74.56%、19.51%～84.31%;各砾石含量坡面径流率均与雨强呈显著递增的指数函数关系;(2)土质和含砾石坡面径流型态基本以层流为主;土质坡面径流流态多为急流,而含砾石坡面径流则以缓流为主;各雨强条件下,10%、20%、30%砾石含量坡面径流阻力系数较对照分别增加24.07%～114.10%、51.84%～141.57%、89.04%～288.16%;(3)1.0、1.5 mm·min~(-1)雨强下土质和10%砾石含量坡面侵蚀速率随降雨历时呈减小—稳定—增大趋势,2.0、2.5 mm·min~(-1)雨强下,则呈波动式逐渐增大趋势;4种雨强下,20%、30%砾石含量坡面侵蚀速率呈缓慢、平稳增加趋势;(4)雨强为1.0 mm·min~(-1)时土质坡面侵蚀量最小,雨强≥1.5 mm·min~(-1)时,含砾石坡面侵蚀量较土质分别减少41.08%～63.27%、22.80%～67.80%、28.89%～68.50%;(5)侵蚀量与径流率、雷诺数、弗汝德数均呈显著正相关关系,与阻力系数则呈显著负相关关系;结果可为陕北风沙土区生产建设项目工程堆积体水土流失量估算模型的建立提供科学参考。     

不同植被类型对降雨径流和泥沙的影响

植被对控制水土流失、调节气候、减缓径流、削减洪峰有特别重要的作用。本文通过对乔木型、乔灌混交型、灌木型不同植被降水径流及泥沙观测,分析了不同植被类型对降水径流及泥沙的影响,为水土流失治理采用生物措施提供科学依据。     

紫鹊界梯田区坡面产流产沙特征的模拟试验研究

通过野外模拟降雨试验,研究了紫鹊界梯田区红薯地与裸地土壤入渗及坡面产流产沙特征。结果表明,与裸地坡面相比,红薯地坡面由于覆盖度高,土壤疏松,其土壤入渗率比裸地高。在小雨强(0.65mm/min)条件下无径流产生,中(1.15mm/min)、高(1.65mm/min)雨强下坡面产流产沙速率以及径流系数均有很大程度的降低,表现出较强的减流减沙效益,但径流含沙量分别为裸地的1.3和2.8倍试验条件下的坡面产流产沙和土壤入渗过程均符合幂函数关系,产流率与产沙率之间呈线性关系。     

水土保持措施对密云板栗林坡面产流产沙的影响

以北京市密云板栗林为研究对象,设置植物措施、工程措施和植物+工程措施处理(裸地作为对照)分析不同水土保持单一措施及其组合措施对坡面产流产沙及水沙关系的影响,以期为密云区板栗林水土保持措施的制定提供科学依据。结果表明:植物措施方面,卷柏处理的减流率和减沙率分别为62.8%,88.3%,减流减沙效果优于椰丝毯、狗牙根和结缕草处理;工程措施方面,水平阶处理的减流率和减沙率分别为83.2%,92.9%,减流减沙效果优于鱼鳞坑处理;组合措施方面,水平阶+卷柏处理的减流率和减沙率分别为86.7%,96.1%,水土流失防治效果最好。不同水土保持措施对径流量和产沙量的影响还取决于降雨量和降雨强度。综上,考虑到植物+工程组合措施的减流减沙效果略强于工程措施,但差异不显著,因此在综合考虑经济效益和生态效益的基础上,建议采用工程措施进行板栗林水土流失防治,具体采取水平阶作为研究区的主要水土保持措施。     

模拟降雨条件下金银花对片麻岩坡地土壤侵蚀的影响

通过室内人工模拟降雨的方法,研究不同树龄金银花对片麻岩坡地土壤侵蚀的影响。结果表明:种植金银花能明显减缓雨水对片麻岩坡地的土壤侵蚀。金银花能延迟初始产流时间,降低径流模数和输沙模数,且随树龄的增加效果明显增加。相比裸地,种植1,3,6年树龄金银花分别延迟产流时间0.71%,23.33%和39.20%;6年金银花降低径流模数和径流深分别达75%和51%,降低输沙模数为23.42%～57.60%。金银花能提高土壤抗侵蚀能力,相比裸地,种植1,3,6年树龄金银花坡面WAS_0.25分别提高11.52%,19.37%和24.35%。在近根区,相比1年树龄金银花根系生物量,种植3,6年金银花依次增加82.67%和191.26%。根系生物量与金银花坡面的总减流率和总减沙率呈极显著正相关,其相关系数(R^2)分别为0.801和0.911。总体上,金银花能够控制片麻岩坡地土壤侵蚀,并在一定程度上提高土壤抗侵蚀能力。     

模拟降雨条件下含砾石土壤的坡面产流和入渗特征

模拟降雨条件下研究了含砾石土壤的入渗过程,分析了砾石含量和坡度对土壤坡面产流时间和入渗的影响。研究结果表明:含砾石土壤的坡面产流时间与砾石含量和坡度密切相关,当坡度>5°时,产流时间与砾石含量呈线性负相关。当坡度<5°时,不同砾石含量的土壤入渗能力表现出明显差异;砾石含量为20%~30%时,土壤入渗相对增加;当坡度>10°时,砾石含量对入渗能力的影响不明显。利用Kostiakov入渗经验模型可以很好地模拟含砾石土壤的降雨入渗过程,模型中的经验系数K能够反映出降雨开始1 min内坡度和砾石含量对入渗的影响。     

东北黑土区野外模拟降雨条件下产流产沙研究

对不同坡度(3°,5°,7°,9°,12°,15°)的径流小区,采用野外人工模拟降雨试验方法,对不同降雨强度(1.24,1.87,2.17 mm/min)黑土坡地产流和产沙随雨强和时间的变化特性进行模拟试验.通过对模拟降雨试验数据分析,得出结论:①同一坡度下,产流时间随雨强的变化具有明显的规律性,雨强越大,产流所需的时间越短.②累计产沙量随累计径流量的增加呈幂函数增加,满足y=AxB函数形式(定义A为产沙基数系数,B为产沙速率系数).③侵蚀产沙量随含沙量的增加呈线性增加,其表达式满足y=ax+b形式,系数a体现了产沙能力.④随着雨强的增大坡面径流量也增大;随着坡度的增大坡面径流量呈现先减小后增加,最后减小的趋势.⑤随着雨强的增大,坡面侵蚀产沙量基本呈现增加的趋势;而随着坡度的增加,坡面侵蚀产沙量变化复杂,12°～l5°之间存在试验条件下的临界坡度.     

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。