黄河源高寒退化草地典型鼠丘土壤风蚀及养分流失规律研究

黄河源高寒草地啮齿动物活动区存在大量鼠丘,在干燥、大风等气候影响下极易产生土壤风蚀,为阐明鼠丘土壤风蚀侵蚀特征与规律,本研究以黄河源流域不同海拔与植被覆盖度下14个试验区的高原鼠兔和高原鼢鼠鼠丘为研究对象,采用野外模拟风力侵蚀试验装置,对不同风速下各区域鼠丘土壤流失量及其养分流失规律进行分析和讨论。结果表明:(1)鼠丘土壤风蚀量在各区域之间存在显著性差异(P<0.05),风速较小时,2种不同鼠丘土壤流失差异不显著,当风速增加到12 m·s^(-1)时,高原鼠兔鼠丘土壤流失量>高原鼢鼠鼠丘土壤流失量(P<0.05);风速从3 m·s^(-1)增大到12 m·s^(-1),2种鼠丘土壤流失的平均增幅分别为238.16%和146.31%。(2)各试验区鼠丘土壤风蚀率总体呈现先快后慢的递减趋势,植被盖度是低风速下影响鼠丘土壤流失的显著因子,且与海拔高度有关。(3)随草地退化程度加剧,土壤全氮含量、碱解氮、速效钾、有机质含量都有明显下降,而全磷、全钾、速效磷呈现上升的趋势。本研究表明黄河源不同区域鼠丘土壤风蚀作用的差异性与土壤含水率、颗粒大小、风速等密切相关。

西宁盆地黄土区草本植物边坡电阻率与土体物理力学性质关系研究

为研究高寒干旱-半干旱环境黄土区种植不同类型草本植物边坡土体电阻率与其物理力学性质之间的定量关系,探讨电阻率数值反映边坡土体物理力学性质及其变化特征,在西宁盆地长岭沟流域自建试验区选取未种植裸坡以及种植生长期为3年的垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、老芒麦(Elymus sibiricus Linn.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum Linn.Gaertn.)、高羊茅(Festuca arundinacea Schreb.)的边坡共5种类型边坡为研究对象。通过开展边坡土体密度、含水率、含根系与不含根系土体直剪试验,对比不同草本植物根系对边坡土体物理力学性质的影响。在此基础上,利用二维电阻率层析成像方法建立不同边坡土体物理力学性质指标与土体电阻率间的定量关系。结果表明:(1)与未种植裸坡相比较,种植老芒麦边坡上层(0~10 cm)土体含水率增幅最大为26.53%;种植高羊茅边坡上层(0~10 cm)土体平均密度降幅最大为18.30%;种植垂穂披碱草边坡上层(0~10cm)土体黏聚力附加值最大,且为未种植裸坡的2.75倍。(2)5种类型边坡的电阻率受根系分布和边坡位置因素的共同影响,电阻率随着深度增加逐渐降低。4种草本边坡坡面以下0~20cm处土体电阻率均较裸坡大,该深度为根系分布大致范围。(3)5种边坡土体物理力学性质与电阻率数据之间存在拟合方程式(相关系数R2为0.48~0.77),且通过Pearson相关性分析得到边坡土体黏聚力c与电阻率间的相关性相对最高,相关系数R2为0.765。上述研究结果反映出可通过电阻率层析成像技术反映边坡土体物理力学性质,以及边坡土体中植物根系分布特征,可为研究区及其周边地区采用植物有效防治水土流失、浅层滑坡等灾害提供理论依据和实际指导意义。

黄河上游巨型滑坡区植被分布及其根系力学强度特征

为研究黄河上游巨型滑坡区植被分布类型及其根系力学强度特征,以位于黄河上游席芨滩巨型滑坡区为研究区,通过野外植被样方调查、制取根系和土体试样以及室内开展单根拉伸试验等方法,探讨了区内3种优势草本植物醉马草、异针茅、冷地早熟禾的单根抗拉力学特征,以及植物生长区土体营养元素特征对植物分布的影响。结果表明:席芨滩滑坡区以草本植物为主,灌木零星分布,物种数呈“驼峰状分布”;通过采用冗余分析得到,草本植物生长区土壤含水量(P<0.01,F=12.7)、pH值(P<0.05,F=8.0)和全氮(P<0.05,F=4.5)对植物群落生长和分布特征影响较为显著。进一步研究表明,同种植物生长位置不同,则其单根抗拉力学强度亦不同,而相同位置处的不同种植物,相应地其单根力学强度亦表现出不同的特征。这种特征表现在分布于滑坡中部的冷地早熟禾的平均单根抗拉力和平均抗拉强度均显著高于生长在滑坡前缘和后壁位置的;分布在滑坡中部位置处的3种优势草本植物,其平均单根抗拉力和平均单根抗拉强度由大至小依次为异针茅(9.10 N,80.29 MPa)、冷地早熟禾(7.51 N,49.78 MPa)、醉马草(6.69 N,34.82 MPa)。本研究结果可为科学防治席芨滩滑坡分布区边坡水土流失、浅层滑坡等坡面水土灾害提供理论依据和实际指导。

黄河上游龙羊峡至积石峡段流域植被对气候变化的响应

为探讨气候变化和区域人类活动对黄河上游龙羊峡至积石峡段流域植被(Normalized difference vegetation index, NDVI)的影响,本研究以位于黄河上游龙羊峡至积石峡段流域为研究区,基于MODI3Q1数据集,采用Theil Sen斜率统计法、Mann-Kendall检验及相关分析法等6种方法,评价了区内2004—2021年间NDVI的时空变化特征,并探讨了NDVI与平均气温、降雨量、蒸发量、太阳辐射量间的相关性及其驱动力。结果表明:2004—2021年间区内81.66%地区的NDVI总体呈现出逐渐增加的变化趋势;NDVI与平均气温、蒸发量、太阳辐射量之间的均呈正相关关系,正相关区域面积占总面积的96.72%,98.96%,72.73%,92.64%。此外,通过进一步分析因子探测器结果得到,区内土地利用类型为耕地、森林、灌木区域内影响植被生长的主要影响因子为平均气温,其值分别为0.216 5,0.321 5,0.326 5。本研究结果对于黄河上游流域开展植被空间分布变化监测、植被生态安全防护具有实际指导意义。

基于InSAR技术的夏藏滩滑坡区地表变形监测与分析

黄河上游两岸巨型滑坡发育,对以龙羊峡水电工程为代表的黄河上游梯级电站以及当地居民生产生活和生命财产安全等带来一定影响和潜在危害。为研究黄河上游巨型滑坡分布区地表形变特征,以位于青海尖扎境内的黄河上游右岸夏藏滩滑坡分布区为研究区,利用升轨、降轨Sentinel-1A影像数据,采用InSAR技术对滑坡体地表形变信息进行提取和分析,并通过实地调查对基于InSAR技术监测结果进行现场验证。结果表明:采用升轨、降轨Sentinel-1A影像数据所获得的区内滑坡体地表最大形变速率分别为24mm/a和21mm/a,最大累计变形量分别为133mm和128mm;2017—2022年监测周期内,随着监测时间增加,位于夏藏滩滑坡前缘的次级滑坡特征点A和B累计位移量呈逐渐增加的变化趋势;基于PS-InSAR和SBAS-InSAR两种方法所得到的滑坡体地表累计变形量具有一致性特征,该结果表明InSAR技术适用于黄河上游拉干峡—寺沟峡流域巨型滑坡体地表变形的监测。该研究结果不仅为开展黄河上游巨型滑坡地表变形监测提供有效方法,而且为该流域有效防治古滑坡复活提供数据支撑和实际指导。

高寒区不同植被恢复年限矿山排土场边坡产流产沙特征

[目的]分析高寒金属矿山不同植被恢复年限排土场边坡坡面产流产沙特征,为排土场人工植被恢复和水土保持工作高效合理地开展提供科学依据。[方法]以青海省果洛藏族自治州德尔尼铜矿恢复期为2~15 a范围内的7个矿山排土场边坡为研究对象,通过模拟降雨试验获取不同恢复年限排土场坡面产流产沙和径流水动力学特征指标,并进一步分析坡面产流产沙特征和径流水动力学特征的影响因素。[结果]研究区排土场坡面产流产沙过程相对复杂,随机性强,不同恢复年限排土场坡面单位面积产流率和产沙率随降雨历时的变化规律存在较大的差异。排土场边坡坡面单位面积累积产流量与恢复年限之间不存在显著性关系;单位面积累积产沙量和侵蚀泥沙平均体积直径随着恢复年限的增大均呈逐渐降低趋势,且侵蚀泥沙平均体积直径与恢复年限呈显著性幂函数关系(p<0.05);随着恢复年限的增大产流时间呈线性函数增大趋势(p<0.05)。各恢复年限排土场边坡径流流态以层流为主,且均属于缓流。随着恢复年限的逐渐增大,坡面径流雷诺数和径流剪切力呈显著性的指数函数降低和线性函数降低趋势(p<0.05);而径流流速和弗劳德数与恢复年限未体现出显著性的函数关系。总体而言,随着恢复年限的增长,排土场坡面径流冲蚀和挟沙能力降低。不同恢复年限排土场边坡坡面单位面积累积产沙量、径流速度和雷诺数与坡度呈显著性高度正相关关系(p<0.05)。[结论]高寒矿区排土场经人工植被恢复后,坡面抗侵蚀能力随恢复年限的增长呈向好趋势;植被未完全返青的情况下,坡度对坡面产流产沙特征和径流水动力学特征的影响程度高于植被覆盖度。

北麓河青藏公路沿线多年冻土区热融滑塌型边坡植被防护力学效应研究

为评价青藏公路沿线多年冻土区高寒草甸和人工种植植物固土护坡力学贡献,本研究选取位于青藏公路沿线北麓河地区一处热融滑塌灾害作为研究区。以原生草甸(主要植物种为嵩草(Carex myosuroides Vill.)和藏嵩草(Kobresia tibetica Maxim.))和人工种植垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、星星草(Puccinellia tenuiflora(Griseb.)Scribn.&Merr.)、冰草(Agropyron cristatum(L.)Gaertn.)、早熟禾(Poa annua L.)、碱茅(Puccinellia distans(L.)Parl.)和中华羊茅(Festuca sinensis Keng ex S.L.Lu)等6种生长期为1 a草本为研究对象,通过开展室内原状根-土复合体剪切试验,探讨了草本根系增强热融滑塌型边坡体抗剪强度作用贡献,并采用静力平衡法对该热融滑塌型边坡稳定性进行了评价。主要得到如下结果:通过室内洗根试验得到根-土复合体试样平均含根量由高至低依次为原生草甸(33.33 mg·cm^(-3))、垂穗披碱草(16.95 mg·cm^(-3))、早熟禾(13.12 mg·cm^(-3))、中华羊茅(5.80 mg·cm^(-3))、冰草(3.89 mg·cm^(-3))、星星草(3.15 mg·cm^(-3))、碱茅(2.86 mg·cm^(-3));平均株高由高至低依次为垂穗披碱草(10.93 cm)、原生草甸(9.64 cm)、冰草(6.88 cm)、早熟禾(5.22 cm)、中华羊茅(3.90 cm)、碱茅(3.86 cm)、星星草(2.90 cm);区内原生草甸和6种人工种植草本根-土复合体抗剪强度均显著高于不含根系素土,其中原生草甸和人工种植垂穗披碱草根系增强土体抗剪强度作用增幅相对较大,分别为42.17%和30.96%;由静力平衡法计算得到含根系边坡安全系数均高于不含根系素土边坡,边坡安全系数由大至小依次为原生草甸(1.47)、垂穗披碱草(1.39)、早熟禾(1.38)、冰草(1.37)、碱茅(1.36)、星星草(1.32)、中华羊茅(1.32)、素土(0.96)。该研究结果对于有效防治青藏公路沿线北麓河地区热融滑塌灾害,同时为进一步有效防治青藏公路沿线热融滑塌灾害引发的水土流失、草地退化等灾害提供理论依据和实际指导。

寒旱环境灌木植物根–土相互作用及其护坡力学效应

通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根–土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1 a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根–土复合体抗剪强度,评价生长时间为1 a的4种灌木根–土复合体的护坡力学强度增强效应。试验结果表明:(1)4种灌木根–土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根–土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2)4种灌木根–土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角?的变化不显著;(3)四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根–土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%。试验区灌木根–土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根–土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根–土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性。根据试验区4种灌木植物根–土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是:四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺。

黄河上游夏藏滩巨型滑坡区根-土复合体理化与强度特性

为研究黄河上游夏藏滩巨型滑坡分布区土体理化性质及力学强度特征,本研究通过在该滑坡体不同位置制取植物及土体试样,测定各采样点植物生长量指标、土体密度、含水率、含根量、抗剪强度指标以及营养元素含量等指标;在此基础上,通过采用Spearman相关性分析方法,探讨了该滑坡体不同位置植被类型、土体理化性质以及根-土复合体抗剪强度特征。结果表明:植物种类随海拔高度降低表现出增加趋势,其中优势草本植物为异针茅(Stipa aliena)、黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala)、沙蒿(Artemisia desertorum)等3种;滑坡分布区土体pH值呈中性至碱性,有机质、全氮、全磷等3种营养元素含量在滑坡体后缘位置变化幅度相对较大,全钾、碱解氮等其余4种营养元素变化幅度较大但未表现出明显变化规律;土体含水率随海拔高度降低呈先增加后降低,土体密度呈增加的变化趋势,即随海拔降低增加幅度分别为7.05%和5.88%;根-土复合体粘聚力c值与含根量均表现出随海拔高度降低呈先增加后降低的变化趋势;此外,通过采用Spearman相关性分析得到,根-土复合体粘聚力c值与海拔高度之间呈负相关关系,而与含根量、有机质、含水率之间则呈正相关关系。研究结果对防治黄河上游龙羊峡至积石峡流域两岸边坡水土流失、浅层滑坡等地质灾害现象具有实际指导意义。

轻度放牧和禁牧草地土壤物理力学性质特征--以夏藏滩滑坡区为例

为研究轻度放牧和禁牧对黄河上游滑坡分布区草地土壤物理力学性质的影响,本研究选取黄河上游夏藏滩滑坡分布区为研究区,通过开展野外勘察、取样以及室内土壤物理力学性质试验,对比分析了轻度放牧和禁牧对滑坡分布区边坡植物生长和土壤物理力学性质的影响。结果表明:禁牧草地植物种类数量、平均覆盖度、平均株高均高于轻度放牧草地,分别增长65.1%、62.8%和13.6%;禁牧草地土壤含水率、根系干重密度、土壤黏聚力均显著高于轻度放牧草地(P<0.05),且轻度放牧草地和禁牧草地土壤黏聚力与根系干重密度均呈显著正相关关系(R^(2)=0.841和0.875,P<0.05)。本研究结果可为有效防治研究区流域河岸边坡坡面水土流失、浅层滑坡等次生地质灾害,提供理论依据和实际指导。

青藏铁路沱沱河段路基边坡植物护坡根系力学强度试验研究

以青藏铁路沱沱河段路基边坡作为试验区,且在试验区路基边坡两侧种植了乡土护坡草本植物垂穗披碱草,通过对种植在试验区路基阴坡、阳坡生长5年的垂穗披碱草,做了野外原位根系拉拔试验,获得了垂穗披碱草根系抗拔力。研究表明:种植在阳坡的垂穗披碱草根系抗拔力为30.88N,阴坡抗拔力为23.52N,即种植在阳坡的垂穗披碱草根系抗拔力显著大于阴坡,影响其抗拔力大小的主要因素与土壤含水量及其变化有密切关系,试验区阳坡接受光照时间、程度均强于阴坡,试验区阳坡坡面土壤水分蒸发量大于阴坡这种差异形成阴坡、阳坡坡体土壤含水量不同的主要原因;垂穗披碱草根系抗拔力大小与须根数量、根径、根长、株高、根表面积、分蘖数之间均呈线性关系,其中抗拔力与须根数量之间呈显著性线性相关,阳坡垂穗披碱草抗拔力随根系数量增加的幅度显著大于阴坡,即当须根数量为40～60条时,阳坡垂穗披碱草的抗拔力集中分布在11～25N,阴坡抗拔力分布在8～15N;当须根数量为60～140条时,阳坡垂穗披碱草的抗拔力分布在30～70N,阴坡抗拔力为20～50N。根据路基边坡阴坡、阳坡垂穗披碱草根系抗拔力试验结果,评价了阴、阳两种坡向条件下垂穗披碱草根系护坡力学贡献,这对青藏铁路路基边坡种植草本植物实现该边坡与周边自然生态环境之间的协调发展具有理论指导意义。

青藏铁路沱沱河取土场草本植物固土力学强度与化学元素含量特征

以青藏铁路沱沱河取土场草本植物种植区为例,在野外和室内分别对生长期为5a的6种草本做了原位拉拔试验、室内拉伸试验和剪切试验,分别得到了试验区梭罗草、碱茅、冷地早熟禾、赖草、垂穗披碱草、星星草等6种草本根系抗拔力为187.34～57.89N、抗拉力为4.44～2.99N,抗剪力为4.33～3.85N.同时,对取土场试验区6种草本地上茎叶、地下根系15种化学元素进行了分析.结果表明,地上茎叶和地下根系主要含有Al、Ca、Mg、K、Fe、Sr、Zn、Mn等8种元素,其中Al、Ca、Mg、K等4种元素较其余元素含量显著;此外,6种草本其根系所含Ca、Fe、Zn、Sr、Ni、Cu等6种元素含量均显著大于相应草本种的茎叶部分.试验区6种草本抗拔力由大至小依次为梭罗草、赖草、冷地早熟禾、垂穗披碱草、碱茅、星星草,6种草本其根系所含的其中前8种主要化学元素依次为Al、Ca、Mg、K、Fe、Zn、Mn、Sr等元素,这说明了取土场试验区6种草本根系固土力学强度与根系所含化学元素具有一定的关系.

低地应力区地下洞室围岩变形破坏有限元数值模拟研究

低地应力状态对相关工程岩体变形破坏和稳定性有重要影响,以西安市黑河水利地下工程泄洪洞为例,采用弹塑性二维有限元法通过对低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏进行了数值模拟研究。模拟结果表明:低地应力区洞室围岩变形破坏主要发生在垂直方向,水平方向的规模和程度均不及前者,同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。该项研究工作将有利于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理与稳定性,它对保障地下洞室工程的顺利进行起到积极促进作用,具有重要的理论研究价值和现实意义。

低地应力区碎裂结构围岩基本特征研究

以某市引水工程地下洞室围岩为例 ,采取试验样品若干件 ,分别做了围岩的平均化学成分与百分含量衍射以及电镜扫描分析 ,并得到了相应的结果。在此基础上 ,从成分和微观结构两方面入手 ,总结出低地应力区碎裂结构围岩组成与显微结构方面的特征和变化规律 ,初步探讨了低地应力区碎裂结构围岩微观变形特征 ,这为进一步研究低地应力区围岩宏观变形破坏及其稳定性等方面 。

低地应力区地下洞室初始和二次应力离散元模拟

采用了二维离散元法 ,以西北某市水利地下洞室工程为例 ,对低地应力状态下洞室开挖前后 ,初始应力和围岩二次应力及其相应特征 ,进行了二维离散元数值模拟研究。该项研究工作 ,将有助于进一步研究低地应力条件下洞室围岩稳定性和围岩变形破坏机理 。

低地应力区地下洞室围岩变形破坏基本类型及其特征研究

本文以西北地区某市水利工程为例,对低地应力状态下洞室围岩变形破坏类型及其特征进行了研究,提出了低地应力区洞室围岩变形破坏的三种基本类型,即洞顶自重掉落石块型、拱顶横向拉张塌落型和侧壁切向挤压滑落型。这对进一步研究低地应力状态下洞室围岩变形破坏机理,以及围岩稳定治理方案的实施具有理论价值和实际意义。

块体理论在低地应力区地下洞室围岩稳定性评价中的应用

以西北某市水利工程地下洞室泄洪洞为例 ,采用块体理论推导出了低地应力区地下洞室顶部和侧壁两位置处楔形体块体稳定性判别式。通过实例分析与计算 ,说明本文得到的围岩稳定性判别式正确且实用 ,这对进一步研究低地应力区地下洞室围岩稳定性具有重要的理论价值和实际意义。

低地应力区地下洞室开挖后围岩位移二维离散元数值模拟

以西北某水利工程地下洞室为例,对低地应力状态下洞室开挖后围岩位移变化及其相应特征,采用了二维离散元法进行数值模拟研究,结果表明:低地应力区地下洞室开挖后围岩位移主要发生在拱顶位置,而发生在侧壁水平位置上的围岩位移量则明显不及前者,这说明低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏主要发生在洞顶垂直方向,侧壁水平方向围岩变形破坏规模和强度均不及前者.

低地应力区地下洞室开挖后围岩应力数值模拟

以西北地区某水利工程地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力进行了数值模拟研究,模拟出了低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力值及其分布规律。结果表明,低地应力区地下洞室开挖后洞室围岩形成应力集中现象,侧壁位置处产生的压应力值大于洞顶位置压应力值,且洞顶产生拉应力。该研究成果将有助于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理及其稳定性,对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义。

低地应力区地下洞室开挖围岩剪应力静态数值模拟研究

本文以西北某市大型水利地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区洞室开挖后围岩剪应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟,总结出了低地应力区地下洞室开挖后围岩剪应力大小、分布规律与围岩变形破坏的关系。该项研究它将有利于进一步研究低地应力区地下洞室开挖后围岩稳定性,同时对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义。