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。     

模拟径流条件下工程堆积体陡坡土壤侵蚀过程

工程建设过程中形成的堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,堆积体表面土壤结构体缺失、土质松散、植物根系及有机质缺乏等,导致其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面的土壤侵蚀过程亦表现出不同的特点,该文通过野外放水试验,对高速公路沿线典型堆积体陡坡（36°）在模拟径流冲刷条件下的土壤侵蚀过程进行了研究,结果表明,次径流过程中径流强度变化与放水强度及径流含沙量密切相关,三者之间呈多元线性相关;重力侵蚀对径流含沙量的变化具有重要影响,试验条件下重力作用的临界放水条件在20～25 L/min之间;坡面产沙过程存在产沙量的突变、波动变化和稳定发展3个阶段;不同坡段产沙量的空间分布存在持续稳定减小和震荡式波动衰减2种变化形式;土壤剥蚀率与单宽流量呈线性关系,与时段产沙量及流宽呈幂函数关系;最后,时段产沙量与时段径流量呈幂函数关系,累积产沙量与累积径流量呈线性关系。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

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。     

含砾石锥状工程堆积体坡面径流侵蚀特征

以关中地区的重质土壤为试验材料,利用自制的堆积平台模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程及形态建造实体模型,在人工模拟降雨的条件下,研究了4个降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)不同砾石质量分数(0,10%,20%,30%,40%)锥状工程堆积体坡面的径流产沙特征。结果表明:(1)径流率和流速随时间呈现出先快速增加后缓慢增长至稳定的变化趋势,雨强和砾石含量对径流率和流速均有显著性影响,其中雨强对两者的贡献率较大,起决定性作用;(2)平均径流率和平均流速随雨强的增大而增加,与雨强呈极显著的正相关关系,随砾石含量的增加而减小,与砾石含量呈极显著的负相关关系;(3)雨强为1.0mm/min时,侵蚀速率先快速增加后逐渐趋于稳定;雨强≥1.5mm/min时,侵蚀速率呈持续增长的变化趋势,雨强为2.0,2.5mm/min时,在降雨中后期侵蚀速率突变式增加;(4)侵蚀总量随雨强的增大呈指数型增加的趋势,随砾石含量的增加呈负对数型减小的趋势。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。     

连续径流冲刷条件下工程堆积体土壤侵蚀特征

[目的] 探究连续径流冲刷条件下工程堆积体的坡面侵蚀响应，为进一步认识工程堆积体在连续冲刷过程中的侵蚀规律并为水土流失模型精准预测提供基础数据和科学参考。[方法] 设置3个放水梯度(8，12，16 L/min)，在3个坡度(28，32，36°)条件下，进行野外连续3场径流冲刷试验(每场间隔24 h)。[结果] ①各场次产流特征为：第3场＞第2场＞第1场，其中，第3场径流量增量大于第2场，对比第1场增速分别为40.5%和33.4%。②各场次产沙量为:第1场＞第2场＞第3场，产沙量占比分别为31.74%～53.46%，29.03%～43.71%，17.42%～29.04%。③在任意流量段，连续径流冲刷下平均流速与沟宽的变化无关，沿径流方向流速与沟深变化一致。[结论] 上方来水条件下工程堆积体坡面产流随冲刷场次的增加逐场增大，产沙随场次增加逐场减少。冲刷场次对平均产流率具有显著影响。     

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。     

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\     

含结构体工程堆积体土壤侵蚀研究

为探究野外实际调查中常见的含结构体工程堆积体土壤侵蚀过程,设计含结构体工程堆积体和对照组2种试验材料（对照组为不含结构体工程堆积体,后文中对2种试验材料简称为结构体和堆积体）,通过室内模拟降雨试验,研究了结构体和堆积体坡面径流侵蚀特征与雨强和场次的关系。结果表明：（1）初产历时随雨强和场次的增加而减小,结构体对初产历时有延缓作用,这与结构体的土壤特性和下垫面特征有关;（2）平均径流率和平均流速均随雨强和场次的增加而增大,堆积体平均流速和平均径流率分别是结构体的1.11~1.22,1.11~1.37倍,而结构体流速和径流率快速增加和趋于稳定的时间均较堆积体提前,且用时更短;（3）雨强对侵蚀速率、流速和径流率的贡献率较大,场次与侵蚀速率负相关,各条件下结构体的侵蚀速率均大于堆积体,且侵蚀速率和总侵蚀量分别是堆积体的1.03~2.15,1.36~2.63倍;（4）径流功率能够更好地描述结构体和堆积体侵蚀动力过程,结构体发生侵蚀的临界径流剪切力和径流功率均小于堆积体。     

工程堆积体坡面细沟形态发育及其与产流产沙量的关系

为揭示工程堆积体坡面细沟形态动态变化规律以及细沟形态指标与侵蚀产流产沙量之间的关系,选取5、9、13和17 L/min 4个放水流量,模拟0.5、1.0、1.5和2.0 mm/min雨强条件,对24°、28°和32°共3个坡度工程堆积体进行冲刷试验,选取沟深、沟宽、宽深比和断面积等指标刻画侵蚀过程中细沟形态变化。结果表明：1）随冲刷历时增加,在前9 min内沟宽和沟深快速发育,沟宽发育宽度占总宽度的57%～90%,沟深发育深度占总深度的38%～73%;2）宽深比随冲刷延长呈先减小后趋于稳定的变化过程,宽深比在0～27 min内快速减小,细沟沿流程纵深方向发育的能力减弱,在27 min之后保持稳定,最终恒定在0.81～1.48,表明细沟断面形态最终大致呈矩形形状;3）沟宽和沟深均随流量的增大而增大,与坡度相比流量对细沟发育的影响更显著;4）沟宽和沟深与放水时间之间存在对数函数关系,断面积与放水时间之间存在线性函数关系,沟宽与径流量之间存在指数函数关系,沟深与径流量、断面积与累计产沙量和累计径流量之间存在幂函数关系。坡面细沟形态的发育过程存在时间差异性,断面积可用来描述侵蚀量的变化过程,宽深比可作为表征工程堆积体坡面细沟发育方向和能力的重要指标。该研究可以为工程堆积体坡面细沟形态指标的动态变化量化提供参考。     

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...     

工程堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机制研究

工程堆积体极易产生水土流失,是生产建设项目水土流失防治的重点。为探明工程堆积体植物篱控蚀效果和机理,通过野外模拟径流冲刷试验,该文采用35、45、55 L/min 3种放水流量,对24°、28°、32°三种坡度的植物篱(H)及裸露对照小区(C)堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取产沙率、径流含沙量、减沙量、径流挟沙力、剪切力、剥蚀率和径流功率等因子对堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机理进行分析。结果表明:堆积体侵蚀时间段集中在产流中后期(10~32 min),侵蚀位置主要在坡面中上段(0~10 m),植物篱具有10%~45%的减沙效益,其控蚀能力与冲刷历时之间存在二次函数的关系,临界时间随坡度和流量的增加而提前;植物篱坡面产流后期径流含沙量超过裸坡,这与其在侵蚀过程中的"源-汇"转变有关;植物篱可降低坡面土壤剥蚀率,提高坡面的临界剪切力和临界径流功率,能抑制细沟向坡面下部的发育,基于径流功率,其可蚀性参数(3.58 g/(N·m))大于对照坡面的可蚀性参数(2.83 g/(N·m))。研究结果可为坡面植物篱的合理利用提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体措施条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供部分参数支持。     

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。