砒砂岩地区沟道植物“柔性坝”拦沙试验

通过对原型和室内模型试验资料的分析 ,证明了在黄土高原砒砂岩地区的支毛沟中 ,垂直于水流方向种植沙棘灌木植物作为拦沙的坝型框架材料是可行的 ,其机理在于利用植物干、枝、叶的分流、阻滞性能 ,分散了沟道集中的股流 ,降低了水流对沟床的剪切应力 ,拦截了洪水挟带的大量粗沙 ,形成了植物“柔性坝” ,同时又根据原型和室内试验资料得出的物理图形 。

砒砂岩地区沙棘“柔性坝”拦沙与生态效应试验研究

沙棘植物“柔性坝”是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,尤其适合生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古砒砂岩地区鄂尔多斯市准格尔旗东一支沟开展了沙棘植物“柔性坝”野外拦沙保水实验,泥沙颗粒级配分析结果表明,沟道“柔性坝”坝系普遍发生了淤积,与下游刚性谷坊配套使用可天然分选沟道里的泥沙——拦粗淤细,将粗沙拦截在沟道里,细沙淤在下游谷坊中,拦沙效果非常明显。“柔性坝”沟道土壤水分监测表明,沙棘植物“柔性坝”沟道土壤剖面含水量年内动态变化有着明显的差异,“柔性坝”可显著调节沟道土壤水分,提高水源涵养能力,促进“柔性坝”自我繁殖,实现坝体的自我增长。

沙棘“柔性坝”对土壤水分调控作用的试验研究

沙棘植物“柔性坝”拦沙淤积效果明显，为了探求沙棘“柔性坝”对土壤水分的调控作用，在内蒙古准格尔旗西召沟东-支沟小流域内对5座沙棘“柔性坝”开展了野外试验研究，同时在东-支沟左岸-未种植沙棘“柔性坝”的小支沟进行了对比试验。沿沟道及“柔性坝”坝体纵向设置若干断面，每个断面设2～3个采样点，每个采样点在1m深度范围内分9层采集土样测定土壤含水率。试验结果表明：降雨后，沙棘“柔性坝”坝体土壤水分的垂向分布呈现降低型（土壤含水率随土层深度的增加而降低）;而对比沟各断面的土壤含水率的垂向分布则为增长型或波动型。这表明沙棘“柔性坝”有利于雨水下渗和增加土壤含水率，进而起到保水固土和促进植被生长的作用。从“柔性坝”坝体中部至上游淤积体，平均土壤含水率呈现纵向递增趋势;并基于达西定律探讨了断面平均土壤含水率与纵向距离之间的关系。

沙棘植物“柔性坝”沟道土壤水分时空动态变化研究

沙棘植物柔性坝是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,特别适合于生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古准格尔旗砒砂岩地区东一支沟开展了沙棘植物柔性坝野外拦沙保水实验,结果表明,沙棘植物柔性坝各部位的土壤剖面含水量年内、年际时空动态变化有着明显的差异,沙棘植物柔性坝对沟道土壤水分具有显著的调节作用,降雨、地表植被种类、植被生长状况、土壤理化性质、地形和当地水文气象条件等是影响土壤水分时空变异的重要因子,而其中降雨和地表植被是主要影响因素。

沙棘植物对砒砂岩沟道土壤改良效应的研究

基于内蒙古砒砂岩地区准格尔旗东一支沟沙棘植物柔性坝野外水保试验,根据监测的土壤有机质数据,运用比较与统计分析的方法,研究了沙棘植物对沟道土壤的改良效应。结果表明,沙棘植物的存在,极大地提高了沟道土壤肥力,改善了植物群落的生长环境,对于该区生态环境的恢复与重建具有重要意义。沙棘柔性坝所形成的复合地表枯枝落叶层的腐殖质、根系的死亡代谢及分泌物都是沟道土壤有机质的重要来源;沙棘植物柔性坝沟道0—30cm土壤层的有机质含量平均值要高出对比沟1.25倍;东一支沟沙棘柔性坝沟道土壤有机质含量从上游到下游表现出沿程增加的趋势;各典型沙棘柔性坝沿土壤剖面的有机质含量平均值是相应对比沟的约1.8倍;有机质沿土壤剖面的分布对比说明,沙棘植物的存在改变了沟道有机质沿土壤剖面的分布,这种分布有利于沙棘植物及砒砂岩沟道次生植物群落的生长与恢复。

沙棘植物柔性坝沟道土壤水分空间变异研究

为了研究植物柔性坝对沟道土壤水分在立面区域分布格局的影响,在内蒙古准格尔旗典型砒砂岩地区东一支沟小流域开展沙棘植物柔性坝野外水保试验。根据2005年8月监测的土壤水分数据,运用地统计学方法分析沙棘植物柔性坝沟道不同空间立面二维区域不同方向的土壤水分空间变异特征。结果表明:在各向同性条件下,左边坡立面和右边坡立面土壤水分由空间自相关引起的变异在90%以上,沟槽立面由空间结构性引起的变异较弱;在各向异性条件下,左边坡立面土壤水分分布属几何异向性特征,沟槽和右边坡立面土壤水分分布属几何异向性和带状异向性的复合特征,3种立面在各个方向上的变异差异较大。其原因是沙棘植物柔性坝的存在改变了结构性因素与随机性因素的影响,也与土壤的空间异质性等因素有关。

防止砒砂岩地区土壤侵蚀的水土保持综合技术探讨

砒砂岩地区是黄河流域多沙粗沙来源的主要组成部分 ,又是我国沙暴扬尘的两大策源地之一 ,要想从根本上解决黄河下游粗沙淤积的危害 ,制止沙暴扬尘扩散范围 ,实现该区生态环境良性循环 ,必须对砒砂岩区进行集中治理。作者在砒砂岩地区植物“柔性坝”拦截粗泥沙试验成果的基础上 ,研究了防止沟道土壤侵蚀的系统综合技术 ,并对使用这项技术提出了一个可操作性的治理模式和数理关系式。

沙棘柔性坝对砒砂岩沟道泥沙粒径分布及有机质影响

为了进一步研究沙棘"柔性坝"对砒砂岩沟道泥沙的影响,基于内蒙古砒砂岩地区沙棘"柔性坝"野外试验,根据单座沙棘"柔性坝"一次降雨淤积后的试验数据,运用对比分析的方法,研究了沙棘"柔性坝"对砒砂岩沟道泥沙粒径分布及有机质的影响及其拦沙效果。结果表明:单座沙棘"柔性坝"能够提高砒砂岩沟道泥沙有机质含量,具有淤粗排细的分选功能和良好的拦沙效果。泥沙有机质从沙棘"柔性坝"上游到下游逐渐增加,沿泥沙剖面表现出先增后减的趋势;泥沙粒径从沟道上游到下游先增大后减小,沿一次降雨淤积的泥沙剖面也表现出先增后减的趋势;暴雨后沙棘"柔性坝"单位面积淤积泥沙的平均厚度为0.369m,与对比沟相比,淤积的泥沙厚度明显较高。

小流域沙棘植物柔性坝系累积水保效应原型试验

在典型砒砂岩地区内蒙古准格尔旗东一支沟小流域开展了沙棘植物柔性坝系累积水保效应原型试验。结果表明:沟道柔性坝系普遍发生了淤积,柔性坝系与下游刚性谷坊配套使用可天然分选沟道泥沙—拦粗淤细,将粗沙过滤在沟道里,细沙淤积在下游刚性谷坊中,拦沙效果非常明显;柔性坝系对沟道土壤水分具有较强的调节作用,可减缓沟道土壤水分蒸发,增大土壤入渗,达到拦沙保水的目的;柔性坝系发达的根系可显著的改善沟道土壤的理化性质和肥力,提高土壤的蓄水保土功能。本试验研究可为在砒砂岩地区推广沙棘植物柔性坝这一生物工程技术提供理论依据。

沙棘植物柔性坝坝体变形初步分析

本文基于2005年在内蒙古准格尔旗西召沟小流域对已植的沙棘柔性坝进行野外调查,从植物生长角度对沙棘柔性坝坝体进行了纵向、横向、垂向(即沙棘柔性坝坝长、坝宽、坝高)的变形分析。对于沙棘柔性坝的坝长变化,主要从沙棘根系蘖苗萌生出发,分析得出其每年扩展约1m;柔性坝坝宽受沟宽限制,其发展趋势为扩展至满沟;柔性坝坝高变化采用三次函数和Logistic型函数两种具有“S”形特征的曲线进行拟合分析,经对比其变化过程服从Logistic型生长函数,并结合Logistic函数对沙棘植物柔性坝坝高的变化进行了具体意义的探讨。

基于PIV技术的沙棘柔性坝影响下水流表面流速沿程变化特性试验分析

基于PIV技术,在野外试验基地,开展了沙棘植物柔性坝对水流表面流速场影响的野外试验,探索在大型野外水流试验中应用PIV技术的可行性。主要分析与讨论了沙棘植物柔性坝作用下水流表面流速的沿程变化特性,以反映沙棘植物对水流的阻滞效应。结果表明:将PIV技术应用于大型野外水流试验研究中是可行的;与无植物的对比段对比表明,植物对水流具有很强的阻滞消能作用,坝前表面流速最大,水流进入沙棘柔性坝后,表面流速迅速减小,水位雍高;受植物排的影响,沙棘柔性坝水流表面流速变化表现出缓慢的波浪型态或曲折的'之'字变化型态;水流流出沙棘柔性坝后,表面流速沿程开始逐渐恢复,并趋向于坝前对比段表面流速分布。本研究可为山区沟道开展以植物为主体的滞流拦沙水土保持生态工程提供理论依据。

不同坡度条件下“沙棘植物柔性坝”的阻水效应

[目的]探讨不同坡度条件下"沙棘植物柔性坝"对水流流速和水深的影响,并分析和沟床糙率系数的变化及其主要影响参数,为"沙棘植物柔性坝"这一水土保持生态工程在山区沟道的推广应用提供理论依据。[方法]基于野外水流试验,根据试验数据,运用理论分析的方法,探讨"沙棘植物柔性坝"对水流的影响及沟道糙率的变化。探讨在不同坡度条件下"沙棘植物柔性坝"对流速变幅值、水深沿程分布的影响,并对糙率系数的变化进行了分析。[结果]流速变幅值的大小与沙棘柔性坝坝长、种植密度和床面坡度有关;在沙棘柔性坝较长的试验床中,流速变幅值随着坡度的增大而增大;在沙棘种植密度较大的试验床中,上游区的雍水深度和糙率系数值随坡度的增大而增大。[结论]"沙棘植物柔性坝"对坝前水流流速有明显的衰减阻滞作用,其中柔性坝坝长和植物种植密度是影响"沙棘植物柔性坝"阻水效应的主要因素。

沙棘柔性坝拦沙效应的试验研究

在野外试验基地进行了沙棘柔性坝拦沙效应试验。基于试验数据,分析了不同含沙水流条件下沙棘柔性坝对沿程含沙量及出入口悬沙粒径分布的影响,并探讨了沙棘柔性坝的阻力特性。结果表明,沙棘柔性坝对不同含沙水流的拦沙效果显著不同,对原型沙B的拦截效果最好,其次为原型沙A,最后为模型沙。对250~1 000μm粒径范围内的原型沙拦截效果最佳,且原型沙含沙量与中值粒径之间呈现正相关关系,对100~1 000μm粒径范围内的模型沙的拦截效果较好。各不同含沙水流条件下的沿程含沙量主要受沙棘柔性坝阻力的影响。本研究有助于深入理解沙棘柔性坝的拦沙效应,并对沙棘植物柔性坝这一生态工程在砒砂岩区沟道的推广应用提供理论依据。

沙棘植物柔性坝糙率系数的野外水流试验

为了研究沙棘植物柔性坝的糙率系数,在陕西省华县小华山水库沙棘植物柔性坝进行了沙棘植物柔性坝野外水流试验。运用河流泥沙动力学理论推导了沙棘植物柔性坝的糙率估计公式,并对一定生长期非淹没流的沙棘植物柔性坝的糙率系数进行了估算。结果表明,沙棘柔性坝的糙率范围大致介于0.04-0.09的范围内;并基于野外水流试验数据,按照河流动力学方法对沙棘植物柔性坝的糙率系数进行了反推计算,所得结果与用理论公式估计的结果比较吻合,表明沙棘植物柔性坝糙率理论估计公式可用于对沙棘植物柔性坝的糙率估计,这对于进一步深入研究沙棘植物柔性坝的拦沙效应与机理具有重要意义。

沙棘柔性坝对土壤有机质改善作用的试验研究

于2005年在内蒙古准格尔旗西召沟小流域进行了野外调查、采样及室内土壤有机质含量测定试验。结果表明,种植沙棘柔性坝的沟道土壤有机质含量远远大于未治理的对比沟,从而证实了沙棘柔性坝具有显著地提高沟道的土壤有机质含量,改善沟道土壤肥力生态效应。土壤有机质含量具有一定的垂向变化,大多数情况下表层土壤的有机质含量高于中、下层土壤;沟道及沙棘柔性坝的土壤有机质含量在纵向大致呈现由上游到下游缓慢递增的过程。沟道土壤有机质的这种纵向变化规律与沙棘植物柔性坝拦沙淤积厚度纵向变化规律相同。

沙棘“柔性坝”对沟道土壤粒径分布影响的试验研究

沙棘"柔性坝"取得了良好的拦沙效果,为了进一步了解其对沟道土壤粒径分布的影响,试验测定了种植沙棘"柔性坝"的沟道内不同位置、不同深度的土壤颗粒级配,同时与一条未种植沙棘的小支沟进行了对比分析。结果表明:同未种植沙棘的沟道相比,由于沙棘的生长及其对坝内生态环境的逐渐改善。坝内淤积的泥沙整体上呈细化趋势,上游断面处此变化最为明显;受局部地形的影响,单个坝体内泥沙淤积无明显规律;由于沙棘"柔性坝"的存在,沟道内泥沙粒径从上游到下游呈递减趋势,且沙棘对粒径大于0.25 mm的粗颗粒泥沙具有较好的分选效果。

沙棘“柔性坝”对沟底土壤有机质影响的现场试验

有机质是土壤肥力最重要的组分之一,是评价土壤质量和健康状况的重要指标。2006年试验测定了种植沙棘"柔性坝"的沟道内不同位置、不同深度的土壤有机质含量,同时与东一支沟左岸一条未种植沙棘的小支沟进行了对比分析。试验结果表明:坝内有机质的垂向分布不仅与土壤的发育过程和土层结构有直接联系,而且与土壤中的水分运移过程密不可分;种植沙棘"柔性坝"的沟道内土壤的有机质含量明显高于未种植沙棘"柔性坝"的对比沟道,而且在相同时期种植的沙棘"柔性坝"内不同取样点处的有机质含量总和相当接近;种植沙棘"柔性坝"的沟道内土壤异质性不显著,但与未种植沙棘的沟道相比,土壤的空间异质性较大,建议对这一问题应采用更大的空间尺度进行深入研究。

植物柔性坝布置方式对水流的影响

岸边布置植物柔性坝是促使河势稳定、生态修复的有效措施。通过室内模型试验,探讨了在岸边布置不同排列方式的挺水植物对水流的影响。结果表明,植物柔性坝对植物坝体段和植物坝后段的水流具有明显的阻水作用,且阻水效果随挺水植物的布置方式不同而不同;长度为1/3河道宽的单侧布置的植物坝仅对植物坝一侧河岸起到稳定水流作用,而双侧布置的植物坝则能够在阻水效果相近的情况下起到保护两岸的作用。

砒砂岩地区沟道沙棘植物“柔性坝”原型拦沙研究

本文通过实测资料分析得到砒砂岩区土壤侵蚀的基本特点是以冻融风化非径流土壤侵蚀为主,以沟壑中暴雨径流形成的股流为动力核心搬运输移泥沙,重力和风力仅对非径流产沙起加速作用,人类活动对坡面起破坏作用。小流域上、中、下游冻融风化土壤侵蚀的分配比例是76.1％、17.5％和6.4％,说明支毛沟头是土壤侵蚀的关键部位,沟顶坡、沟谷坡和沟床面积分别为22％、75％和3％,沟谷坡产沙量占总产沙量的90％,说明沟谷坡是产沙的关键部位。针对该地区的产沙规律,试验证明在砒砂岩区支毛沟中以沙棘灌木植物作为拦沙的坝型框架材料是可行的,并给出了明确的物理图形,与沟道淤地坝工程相配套,使粗细沙分选、泄流、生态恢复于一体,发挥综合功能。

沙棘“柔性坝”对砒砂岩区生态调控效应试验研究

通过沙棘"柔性坝"野外原型试验,从土壤有机质、含水量、植被种类及覆盖度、动物种类及数量等方面研究了沙棘"柔性坝"对砒砂岩区土壤改良效应和生物群落恢复效应,研究结果表明:沙棘"柔性坝"显著地提高了砒砂岩区土壤肥力,涵养了水源,使得濒临破坏的生态环境得到了较大程度的恢复。