生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建

为建立适用于我国不同区域生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型,在通用土壤侵蚀模型(universal soil loss equation,USLE)框架下,室内概化模拟不同土壤质地、坡度坡长、砾石质量分数等工况下的工程堆积体,通过大量人工模拟降雨试验,修订模型各因子,构建工程堆积体土壤侵蚀量预测模型,并对其进行验证。研究明确工程堆积体标准小区及各因子定义及计算方法,提出采用土石质因子代替传统的土壤可蚀性因子以便更加符合工程堆积体实际,构建以幂函数计算的坡度、坡长因子,与砾石质量分数的指数函数计算的土石质因子和降雨侵蚀力因子相乘的工程堆积体侵蚀量预测模型。经率定与验证,模型预测效果良好(R2>0.8),且能适用于不同区域及工况下工程堆积体边坡土壤流失量预测,该模型参数少且易获取并具有物理意义,现场操作性和实用性强。研究成果为生产建设项目水土保持工作及水行政主管部门的监督执法提供技术指导及科学依据,具有较大的科学意义与指导生产实践价值。

工程堆积体降雨条件下土压力的变化规律

土压力是影响堆积体稳定性的重要因素,以生产建设项目工程堆积体为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验,研究不同砾石含量条件下生产建设项目工程堆积体土压力随降雨时间的变化规律及砾石含量和降雨场次对土压力的影响。结果表明:土压力随降雨时间呈先下降后增加再下降的变化过程;砾石含量对土压力具有极显著的影响,降雨场次对土压力无显著性影响;生产建设项目工程堆积体的中部土压力较大,两侧的土压力较小。

降雨强度对工程堆积体坡面土壤养分及颗粒组成的影响

公路的建设过程中产生了大量的工程堆积体,不仅占用土地资源,而且加速了土壤的流失。为明确降雨对广西岩溶区公路工程堆积体土壤养分及土壤颗粒组成的影响,采用室内模拟降雨试验,研究了5种降雨强度下(30、60、120、150、180 mm/h)土质(砾石含量为0)、偏土质(砾石含量约30%)和偏石质(砾石含量约70%)工程堆积体土壤有机质、全氮、全磷以及土壤颗粒组成的变化特征。结果表明:①降雨前后土质堆积体养分含量显著高于偏土质和偏石质(P<0.01);降雨后,堆积体坡面的土壤全磷、全氮和有机质含量较降雨前分别下降了9.37%~54.76%、15.24%~38.33%和14.63%~38.66%,且不同降雨强度间堆积体土壤养分含量差异不显著(P>0.05)。②相比于降雨前,降雨后土质堆积体黏粒及砂粒含量均降低、粉粒含量增加,偏土质和偏石质堆积体黏粒含量降低,砂粒含量有所增加。③对土壤养分和土壤颗粒组成进行相关性分析发现,土壤养分与黏粒含量之间呈极显著正相关关系(P<0.01)。研究结果可为广西地区公路建设产生的工程堆积体水土保持和土壤资源利用提供一定的科学依据。

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20～25L/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。

不同土质工程堆积体径流产沙差异

依据野外调查结果概化堆积体下垫面,采用室内人工模拟降雨方法,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min)条件下4种砾石质量分数(0、10%、20%、30%)的壤土、黏土及砂土工程堆积体径流产沙特征差异。结果表明:1)砂土堆积体坡面产流开始所需时间较壤土及黏土堆积体长。3种土壤质地工程堆积体含砾石的平均流速较纯土体(砾石质量分数为0)小,大小表现为黏土<壤土<砂土。砂土堆积体平均径流率较壤土和黏土分别减少20.7%和18.8%;2)砂土堆积体平均侵蚀速率分别是壤土和黏土的3.0和2.3倍。3种土壤质地工程堆积体的平均侵蚀速率随雨强增大递增,但随砾石质量分数递增呈显著线性递减(P<0.05);3)砂土堆积体平均侵蚀量分别是壤土和黏土的4.5和3.4倍。3种土壤质地工程堆积体的侵蚀量与径流量和雨强均显著相关。研究成果可为建立生产建设项目工程堆积体水土流失量测算模型提供数据基础和理论依据。

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/m^2,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/m^2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。

陕北风沙区含砾石工程堆积体坡面产流产沙试验

采用室内人工模拟降雨方法,研究了陕北风沙区含砾石工程堆积体边坡的产流产沙过程。结果表明：1砾石存在改变了坡面入渗速率,径流系数受入渗速率的影响,随砾石含量的增加先线性递减后线性递增,并在10%砾石含量处存在阈值;径流系数随降雨强度的增加线性递增。2含砾石堆积体坡面流速较纯土堆积体降低,且随雨强增大,砾石延缓径流流动的作用越显著;雨强对径流流速的影响随砾石含量增加持续减弱。3土壤剥蚀率在产流24~33 min后显著增加,砾石主要对显著增加后的平均剥蚀率产生影响。4雨强1.0 mm/min时,砾石存在促进降雨侵蚀,产沙量增大;雨强大于1.0 mm/min时,砾石具有显著的减沙效应。

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8×10-3s2/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。

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。

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。

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。

工程堆积体坡面产流产沙特性的现场试验

通过不同流量(35,45,55L/min)、不同坡度(24°,28°,32°)的野外放水冲刷试验,对工程堆积体坡面产流产沙的时空变化特性进行了研究。结果表明,径流强度与放水强度、产沙率密切相关,三者之间呈多元线性相关;坡面径流强度随冲刷时间呈波动式增大趋势;平均含沙量和产沙比均随坡度增大呈先增后减的趋势,峰值出现在坡度为28°时;径流强度和产沙率在冲刷时间为10min时出现第一个峰值;坡面产沙过程呈现产沙率剧增、波动和稳定发展3个阶段;累计产沙量与累计径流量呈线性关系。试验结果可为工程堆积体坡面水土流失预报模型的构建提供验证数据。

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。

工程堆积体典型生态修复措施对土壤侵蚀水动力过程的影响

为探究龙门山断裂带工程堆积体典型生态修复措施下土壤侵蚀产沙和水动力的时间变化特征,并筛选出水土保持效益最佳的生态修复措施,该研究以成兰铁路杨家坪隧道2号横洞弃渣场为研究对象,选取该区典型的生态修复植物(苜蓿(Medicago sativa)、燕麦(Avena sativa)、刺槐(Robinia pseudoacacia))和生态修复材料(羊粪、PVAc(聚醋酸乙烯酯,Polyvinyl Acetate))进行交互搭配,利用模拟放水冲刷试验,研究不同生态修复措施下工程堆积体坡面的径流含沙量和水动力学参数(径流流态、径流流速、径流阻力系数和径流功率等)的变化。结果表明:1)试验条件下,工程堆积体坡面径流含沙量随冲刷时间的增加呈前期波动变化,后期逐渐稳定的趋势;径流流态始终处于紊流状态,径流流速、径流功率随冲刷时间的增加呈逐渐增加—趋于稳定的趋势,径流阻力系数则呈逐渐减小-趋于稳定的趋势;2)各生态修复措施在放水冲刷试验初始阶段的减沙效应最大,且苜蓿、燕麦、燕麦+PVAc和刺槐+苜蓿+羊粪处理能够显著增加径流阻力系数,降低径流流速和径流功率(P≤0.05);3)在工程堆积体生态修复1~2 a后,草本层的水土保持效果最优,乔木的保土效应难以得到有效体现,羊粪和PVAc等的添加并不能发挥有效的增幅效果。该研究区工程堆积体在生态修复初期宜采用黄壤+紫苜蓿、黄壤+燕麦的修复措施。

工程堆积体坡面细沟流水力学参数特性研究

为采用水力学参数特性揭示黄土高原沟壑区工程堆积体坡面土壤侵蚀过程,开展了野外放水冲刷试验。通过组合不同流量（35、45、55L/min）、不同坡度（24°、28°、32°）的试验,对坡面沟蚀发生发展过程中的水力学参数特性进行了研究。结果表明,坡面细沟水流的平均流速与水深主要受流量控制,二者均与单宽流量呈幂函数关系,且流速随冲刷时间的持续和冲刷形态的变化呈现上下起伏—瞬时增大—稳定的波动或减小—趋于稳定的变化历程。在所有坡度和流量范围内,雷诺数Re在42.9-1 082.8之间变化,雷诺数Re随坡度的增大呈先减小后增大的抛物线趋势。由坡面流弗劳德数Fr随冲刷历时变化情况表明,坡面径流形态是由急流向缓流发展。阻力系数f在0.019-0.94之间变化,f随坡度的增加先减小后增加,且随雷诺数Re的增大而增大,二者之间呈显著的指数函数关系。粗糙系数n随雷诺数增大而增大,且其与雷诺数存在显著性的指数函数关系。研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供一定的参数,对解决生产建设项目弃土弃渣场、取土场等水土流失问题具有重要的作用。

三种土壤质地工程堆积体坡面流速及产沙特征

生产建设项目工程堆积体由于土壤质地、砾石质量分数差异较大,导致侵蚀过程流速及产沙特性发生变化。通过人工模拟降雨试验,研究砂土、壤土及黏土3种土壤质地堆积体的流速与产沙特性。结果表明:①堆积体坡面流速在产流开始3min内递增,随后趋于稳定;②小雨强时砂土堆积体侵蚀主要发生在产流的中后期,壤土堆积体发生在产流前期和中期,而黏土堆积体的侵蚀发生在整个降雨过程,21min后的累计产沙量占次降雨总产沙量砂土、壤土和黏土堆积体分别为52.3%~95.6%、29.6%~44.9%和42.1%~50.0%;③产流历时、雨强与径流率、入渗率、流速、产沙率均呈显著相关性;④雨强增加1.5~2.0倍,3种土质堆积体侵蚀量增大1.2~39.8倍。相同雨强下砂土堆积体侵蚀量是壤土的6.0~6.3倍,是黏土的3.2~3.5倍;相同砾石质量分数下砂土堆积体侵蚀量分别是壤土和黏土的5.0~9.8倍和2.7~3.8倍。研究成果对于明确含砾石堆积体侵蚀过程机理具有重要意义,并为建立堆积体侵蚀预报模型奠定基础。

工程堆积体陡坡坡面径流水动力学特性

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坡面径流水动力学特性进行了研究,结果表明,平均流速与径流深均随流量的增加呈幂函数增加,不同坡面径流状态下(薄层水流和细沟流)流量的指数不同,且各自与室内研究结果有所差异;不同坡段的平均流速随坡长增加呈"S"形曲线变化。堆积体陡坡坡面径流属急流范畴,由过渡流向紊流转变的临界放水流量在20～25L/min之间。Darcy-Weisbach阻力系数(f)与径流雷诺数(Re)之间存在幂函数正相关关系,与弗罗德数(Fr)之间存在幂函数负相关关系,不同坡段的平均阻力系数与坡长呈双曲线函数关系。

工程堆积体标准小区界定与可蚀性因子改进

将USLE模型应用于工程堆积体侵蚀预报时结果偏差较大,这是因为其标准小区与土壤可蚀性因子不适合直接应用于工程堆积体侵蚀预报。针对这一问题,结合对我国6大水蚀类型区工程堆积体参数的调查、统计、分析,界定工程堆积体标准小区的坡度、坡长;结合国内外已有研究成果,分析论证堆积体可蚀性因子的改进办法,并引用相关数据验证其可行性。结果表明,6大区域工程堆积体坡度、坡长及坡面物质组成均与USLE中规定的标准小区相差较大;为了尽量消除误差,建议工程堆积体标准小区坡度采取众数35°,坡长采取平均值5m;堆积体可蚀性因子更名为土石质因子Tr,并将单位体积土石混合体中石砾总表面积Cs,作为石砾因素指标纳入堆积体土石质因子Tr中,与堆积体物质中土壤可蚀性因子K共同构建工程堆积体土石质因子函数。验证结果表明,堆积体可蚀性因子改进办法是可行的。工程堆积体坡度、坡长的界定及可蚀性因子的改进,对提高基于USLE模型的堆积体侵蚀预报精度有重要意义。

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。

布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究

为了探究植物篱措施对工程堆积体坡面产流产沙过程和减流减沙效益的影响,采用35,45,55L/min 3个流量,对24°,28°,32°3个坡度的堆积体边坡(20m×5m标准小区)进行模拟放水冲刷试验。结果表明:植物篱坡面的初始产流时间和产流强度较对照坡面(裸坡)均有不同程度减小,产流强度在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱坡面产沙率先增大后减小,产沙率整体低于对照坡面,且二者差值随时间逐渐缩小;小流量条件下产沙较稳定,大流量条件下产沙率变化较大;产沙量与产流量之间有良好的线性关系;植物篱措施的平均减沙效益随坡度增大而减弱,平均减流效益随坡度增加而增大,减沙效益仅与坡度有显著相关性。减流效益与减沙效益的关系较复杂,但降低工程堆积体坡面坡度仍是防治水土流失的关键,对于植物篱措施减流减沙的局限性,应通过提升植物篱的布设参数来改善。