考虑降雨条件陕北Q_(2)黄土斜坡稳定性的非线性劣化研究

降雨致灾是陕北黄土斜坡最常见的灾害之一,揭示降雨对黄土斜坡稳定性影响特征有利于预防滑坡灾害的发生。通过一系列室内试验研究了降雨条件下陕北Q_(2)黄土的力学特性变化特征,并结合数值模拟分析了其对陕北黄土斜坡稳定性的影响。首先设计干湿循环试验(循环路径和次数)以模拟降雨条件(如强度、频次等);其次通过三轴剪切试验获取陕北Q_(2)黄土的力学性质的变化规律;最后以陕北地区某黄土斜坡为例,利用有限元计算并分析不同降雨条件下斜坡安全系数和塑性区的变化特征。结果表明:(1)干湿循环作用后Q_(2)黄土的抗剪强度存在非线性劣化特征。当干湿循环次数超过一定范围后,黄土物理力学性质参数劣化的边际效应减弱,并趋于稳定。(2)降雨作用下黄土斜坡的稳定性呈现出随着降雨频次或降雨强度的增加而降低的趋势。(3)Q_(2)黄土斜坡的塑性区范围随着Q_(2)黄土力学性能的不断劣化而增大,体现了降雨条件对黄土斜坡稳定性影响的非线性特征。研究结果为降雨型滑坡预防提供参考。

陕北斜坡上古生界构造裂缝及其天然气成藏意义

鄂尔多斯盆地陕北斜坡上古生界气藏发育多套储层,中上部储层(石盒子组及石千峰组)与烃源岩(山西组下部及本溪组煤系地层)之间发育280～350m致密砂泥岩隔层,由于盆地断裂构造不发育,天然气运移通道及成藏模式成为该区气藏研究的焦点。在岩心观察、微裂缝研究、测井解释、岩心孔隙度-渗透率实验研究的基础上,结合成岩作用及裂缝形成时间分析,对研究区上古生界隔层裂缝分布与中上部气藏之间的匹配关系进行了系统研究。结果表明:研究区上古生界主要发育剪性裂缝,裂缝形成于晚侏罗世早白垩世,裂缝的形成在改善储层渗透性的同时,为天然气的纵向运移提供了必要的运移通道。综合分析认为:研究区上古生界隔层裂缝与中上部气藏在时空上具有良好的耦合关系,形成了基于裂缝运移及砂岩储存的石盒子组与石千峰组"岩性-裂缝型"气藏。

陕北采煤沉陷区黄土坡面形变与土壤侵蚀效应

为研究采煤沉陷区黄土坡面变形规律及水土流失情况,以陕北黄土采煤沉陷区地质条件为基础,地表黄土坡面4种典型自然坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)和5种典型自然坡度(5°,15°,25°,35°,45°)为考察变量,采用有限差分数值模拟法,构建20个数值模型,模拟分析了在既定采矿条件下,采煤沉陷对地表黄土坡面形态的影响规律,基于数值模拟结果采用美国通用土壤流失方程计算坡面土壤侵蚀模数并分析其变化规律。结果表明:任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土坡面坡度增大,增幅为12.60%~3.57%,自然坡度为15°~35°时,凹形坡坡度增幅最明显;任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土自然坡面坡长减小,降幅为3.92%~12.11%,自然坡度为5°~35°时,凹形坡坡长降幅最明显;任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土坡面土壤侵蚀模数增大,增幅为2.70%~12.64%;自然坡度小于15°和等于35°的凸形坡、介于15°~25°的凹形坡土壤侵蚀模数对采煤沉陷最敏感。研究成果可为陕北采煤沉陷区水土流失防治提供科学指导。

陕北黄土区浅沟土壤水分空间分布特征

以陕北黄土区吴起县合沟流域浅沟土壤水分为研究对象,通过对研究区不同深度、不同坡向、不同坡位的浅沟土壤水分空间分布特征进行研究。结果表明:(1)根据浅沟与原状坡油松生长量关系,将浅沟划分为深浅沟(40 cm≤浅沟深度)和浅浅沟(20 cm≤浅沟深度<40 cm);(2)研究区浅沟土壤水分高于原状坡;浅沟土壤水分在0—60 cm土层聚集,原状坡则在0—40 cm土层聚集;(3)浅沟不同土层土壤水分变异程度不同,阳坡土壤水分变异性较阴坡小;20—60 cm土层中,浅沟土壤水分变异系数较大,土壤水分较活跃,其他土层变异系数较小,土壤水分较稳定;(4)不同坡位、不同坡向和不同深度的浅沟土壤水分存在显著差异;在浅浅沟中,土壤水分表现为下坡位>上坡位>中坡位;深浅沟则为上坡位>下坡位>中坡位;在浅沟内,阴坡在中、下坡位土壤水分显著高于阳坡,阳坡上坡位土壤水分则高于阴坡;原状坡阴坡土壤水分显著高于阳坡。

陕北黄土沟壑区采煤沉陷对黄土坡面形态的影响及土壤侵蚀效应

如何破解煤炭开采与水土保持之间的矛盾是实现黄河中游生态环境保护与高质量发展的关键科学问题。以陕北黄土沟壑采煤沉陷区为研究对象,针对主采煤层典型地质赋存特征,以地下采厚(9、7、5 m)、地表黄土自然坡面坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)及坡度(5°、15°、25°、35°、45°)为变量,共构建了60个数值模型,基于FLAC3D数值模拟软件,研究了黄土自然坡面形态及采厚耦合作用下坡面形态演变过程与规律,基于中国水土流失方程(CSLE模型)和经验模型,计算与分析了沉陷坡面土壤侵蚀效应。研究结果表明:(1)采煤沉陷会导致地表黄土坡面的坡度增大,且采厚越大,坡度增幅越大,大采厚对采煤沉陷导致地表黄土坡面坡度的增大会产生明显的放大效应。凹形坡普遍对沉陷坡面坡度的影响显著,特别是在“采厚5 m、自然坡度>5°”“采厚7 m、任意自然坡度”“采厚9 m、自然坡度≤35°”条件下。无论在何种采厚及自然坡形情况下,≤5°的自然坡度对沉陷坡面坡度增幅的影响均最大。(2)采煤沉陷会导致“年侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(1)增大,且采厚越大,M1增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M_(1)增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M1的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M1增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了20%。(3)采煤沉陷会导致“典型场次侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(2)增大,且采厚越大,M_(2)增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M2增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M2的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M2增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了17%。该结果可为陕北矿区乃至黄河流域中游的水土流失精准防控与高质量发展提供科学依据。

陕北黄土坡地枣园降雨入渗产流试验与模拟

【目的】对陕北榆林黄土坡地枣园的降雨入渗、产流进行试验与模拟研究,为陕北坡地枣园雨水的高效利用提供指导。【方法】在陕北枣园径流小区,利用人工降雨试验,开展不同降雨强度(0.8,1.0,1.3mm/min)和不同初始土壤含水率(0.08,0.15,0.24cm3/cm3)条件下的降雨、入渗产流试验,运用Richards入渗方程结合水量平衡方程对人工降雨的入渗、产流过程进行模拟。【结果】土壤含水率相同条件下,降雨强度越大产流时刻越早,入渗达到稳定的时间越短,累积入渗量和径流量越大;降雨强度相同条件下,土壤初始含水率越大,产流越快,平均入渗率越小,趋于稳定入渗的时间越短,累积产流量也越大。模拟值与实测值相比,累积入渗量相对误差小于3%,平方根误差小于0.3mm;累积径流量平均误差≤12.5%,平方根误差小于0.4mm。模拟产流起始时刻普遍滞后于实测产流时刻,滞后时间最少为0.8min,最多为2.55min,其原因与坡面饱和导水率的空间变异性及降雨的不均匀性有关。【结论】采用Richards入渗方程并结合水量平衡方程模拟黄土坡地径流小区的降雨入渗、产流过程,结果合理可靠,且比较符合实际,但产流起始时间的模拟还需进一步探索。

陕北黄土区陡坡坡面因子对土壤水分的影响

为加快黄土高原植被恢复和植被构建速度,在研究陕北黄土区吴起县坡度、坡向分布特征的前提下,分别选取阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡的陡坡,每个坡向选取4个坡度级(35°,45°,55°,65°),分别分析其0~100 cm土层深度的土壤水分并进行聚类分析.结果显示:研究区内坡度在35°以上陡坡占当地总面积的39.00%左右;且阴向坡面积52.65%多于阳向坡47.35%;研究区内0~100 cm土层深度的土壤含水量随着土层深度的增加呈现增加趋势,且趋势越来越平缓;坡度越大,土壤含水量的垂直变化越强烈,阴坡坡度与陡坡土壤含水量的相关性最为显著;坡向因子主要影响坡面整体水分状况,而对陡坡土壤水分垂直空间分布规律影响较小;坡度、坡向和成坡时间因子对坡面土壤含水量的影响主要集中在0~40 cm土层深度内,对较深层土壤含水量影响作用较小;系统聚类分析结果同样显示,土壤含水量较为活跃的层次主要集中在0~40 cm土层深度内,阳坡35°坡面活跃层可达90 cm左右.

黄土沉陷坡面土壤机械组成的空间变化特征及对土壤侵蚀的影响

以黄河中游煤矿区陕北张家峁井田黄土沉陷坡面土壤为研究对象,通过室外采样、室内数理分析的方法,测定了土壤砂粒、粉粒、黏粒的含量,分析了土壤机械组成的空间变化特征及对土壤侵蚀的影响。结果表明:黄土沉陷坡面土壤砂粒及黏粒含量在不同坡面部位及不同土层垂直深度上均存在明显差异,且因土层垂直深度和坡面部位不同而表现出不同的空间变化特征与规律;粉粒含量在不同土层垂直深度及不同部位上的差异均不显著。其中,坡中10~60 cm、0~20 cm土层土壤应分别作为砂粒及粉粒、黏粒的重点改良修复部位。

陕北地区坡耕地种植结构的可拓决策分析

在对陕北地区坡耕地现有的种植结构现状研究的基础上,以增加该地区农民人均收入为目标,应用可拓学理论对现有种植结构进行可拓分析,获得可拓策略,并应用到坡耕地种植中,以达到农民增收的目的。

陕北丘陵区陡坡柠条林地与荒坡土壤水分变化研究

通过定点土壤水分测定与对比分析,研究了陕北丘陵区陡坡柠条林地与荒坡的土壤水分亏缺状况,年际年内动态变化规律,干燥化特征及其自然降水的补偿能力。结果表明,柠条林地与荒坡0—10 m土层贮水量仅相当于田间持水量的26.2%～41.2%。荒坡地0—10 m土层贮水量相当于田间持水量的39.8%～41.2%。土壤贮水量的分布是阳坡<半阳坡<阴坡,上坡位<下坡位。年际间土壤水分的变异程度随土壤深度的增加而减弱,土壤贮水量的变化主要发生在2 m以上土层内。土壤贮水量具有明显的季节变化特征,但滞后于降雨量变化。生长季内,柠条地与荒坡的土壤平均贮水量之间差异显著,土壤越深,其含水量变化程度越小。两种利用方式的土壤剖面都产生了不同程度的干化层。相比而言,柠条林地深层土壤干燥化强度明显大于荒坡地。丰水年柠条林雨水补偿深度仅为1.0 m,荒坡也仅为1.2 m。柠条林丰水年的雨水补偿深度比干旱年可增加60 cm以上,5 m土层贮水增量增加3倍以上。

陕北斜坡上古生界山_2—盒_8段沉积-成岩与储层孔隙特征

鄂尔多斯盆地陕北斜坡上古生界山2段—盒8段发育典型的低渗致密岩性气藏,储层物性控制着区内气藏的富集,在致密储层中孔隙发育特征与储层沉积环境及后期成岩作用密切相关。通过沉积物粒度分析、储层孔隙特征扫描电镜观察,探讨了研究区储层在压实成岩作用后期孔隙的破坏作用,建立了黏土矿物转化序列。研究结果显示,研究区山2—盒8段砂岩储层在压实成岩作用后对储层孔隙的破坏作用主要包括黏土矿物转化及胶结作用;黏土矿物转化模式为"蒙脱石-伊蒙混层-伊利石"型,后期伴有高岭石和绿泥石的伊利石化;发育于碎屑颗粒表面的绿泥石黏土膜在降低储层原生孔隙的同时,抑制了后期发生的硅质胶结作用,为残余粒间孔的保存和次生溶孔的形成提供了物质基础,绿泥石套膜的发育成为气藏勘探评价中储层优选的关键参数之一。

陕北黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀-沉积过程试验研究

[目的]分析各影响因素作用下黄土坡面的侵蚀—沉积过程,为陕北黄土丘陵沟壑区水土保持措施的合理布设以及水土流失防治规划提供科学依据。[方法]采用室内人工模拟降雨试验方法对不同坡度、坡长和60 mm/h降雨强度条件下的黄土坡面侵蚀—沉积过程特征开展研究。[结果]①净侵蚀过程主要发生时间为在达到侵蚀速率峰值前后,在降雨开始35 min左右内,侵蚀速率在整个降雨过程出现正负值交替变化,侵蚀过程与沉积过程并存。②坡度为5°,10°,15°时,单位面积侵蚀量随坡长的增加而减少,5—10 m坡段中存在明显的沉积过程和临界侵蚀坡长。试验条件下黄土坡面发生沉积的临界坡长在4—5 m以及5—10 m范围内。③在5°,15°坡度下,整个降雨过程中0—5 m坡段的累计单位面积侵蚀量均大于0—10 m坡段坡面,侵蚀过程中一直伴有沉积现象;10°坡面分别在降雨后15 min左右开始伴有沉积现象出现。[结论]坡度和坡长是影响黄土坡面侵蚀—沉积过程的重要因素,坡面径流含沙量和单位面积侵蚀量可以作为表征黄土坡面侵蚀—沉积特征的重要因子。在治理坡面水土流失时应采用拦截中上坡位径流的水土保持措施。

陕北黄土区陡坡柠条林地雨水转化及土壤水分承载力

为了给陕北黄土区陡坡灌木林地的可持续健康发展提供科学依据,连续3 a对陡坡柠条林地的降雨、冠层截留、地表径流、降水入渗深度和土壤水分进行了定位观测。结果表明:陡坡柠条林地林冠截留总量平均占总降雨量的11.73%;地表径流量占降雨量的16.275%;自然降雨入渗深度为120 cm;陡坡柠条林地降雨量(P)与根层土壤水分补给量(SWS)、根层平均土壤水分补给量(Y补)与密度(D)、土壤水分消耗量与密度均呈线性关系。陡坡地土壤水分可承载的柠条密度为2 852穴/hm2。因此建议陡坡柠条林地建设中适当控制密度,合理利用雨水资源,确保陡坡柠条林地的持续健康发展。

陕北半干旱区道路边坡植被重建的问题与对策

通过分析陕北半干旱区道路边坡植被重建中存在的立地条件差、缺乏科学合理的植被恢复规划、养护管理困难、基础理论研究少、效益评价体系未建立等问题,有针对性地提出了相应的解决措施,如重视自然植被更新演替规律、加大对植物种特别是乡土植物种的开发和研究、增强配套技术的研究及建立科学的效益评价体系等。

煤矿工业广场开挖边坡崩塌特征分析与运动模拟

陕北地区采煤活动频繁且持续,容易引发一系列的地质灾害。煤矿工业广场的开挖边坡易引发崩塌灾害隐患,给场地内的建筑、设备、人员和车辆等带来极大威胁。当下对于崩塌隐患的分析和预测常采用基于坡表剖面线的二维分析办法,存在人为选定崩塌运动路径随机性大,无法在第三维度研究崩塌分布范围、影响程度等缺点,难以对崩塌灾害进行高效的评估。为解决上述问题,以陕北某煤矿工业广场的开挖边坡为例,在现场调查的基础上,采用无人机自动航空摄影测量与自动化建立高精度三维地面模型技术、点云数据提取结构面参数技术及三维崩塌运动模拟技术,分析了历史崩塌分布的统计学特征,岩体结构面的产状和物源区危岩体等特征,并进行了开挖边坡崩塌危岩体的运动特征的模拟,通过模拟,获取了崩塌体的运动轨迹、影响范围和最优路径下的弹跳高度、能量分布等。结果表明,危岩区主要威胁工业广场东北侧的生活区和东南侧的停车场,不会对工业广场中部的G338国道、工业广场西侧的黄土路肩和河流水面构成威胁。其中,A危岩区对生活区影响范围最大,为62 m, D危岩区对停车场影响范围最大,为105 m;最优路径时,D危岩区落石质心距离坡面的高度最大,为8.33 m, A危岩区落石质心距离生活区的高度最大,为4.59 m, C危岩区落石质心距离停车场的高度最大,为5.85 m;被动防护网能较为有效地防护A危岩区的落石,对B危岩区的落石防护作用不显著,对C、D、E、F危岩区无防护效果。有关研究结论可以为崩塌的灾害治理、防治设计提供一定的指导依据。

鄂尔多斯盆地坪桥油区长_6储层特征及测井解释评价

针对位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部的坪桥油区延长组长_6的储层特征,充分运用常规测井信忠以及各种分析手段,对该油区的主要产油层位进行了细致的分析,结合实际的试油情况,建立了储集层的划分标准,实践证明,解释标准和区域的解释评价是科学有效的。

陕北斜坡南部上古生界石盒子组盒8段储层成岩作用研究

为了搞清陕北斜坡南部上古生界石盒子组盒8段储层的成岩作用类型及其对储层物性的影响,充分应用28口取芯井的109块普通薄片、22块铸体薄片的X射线衍射、阴极发光等资料,系统开展研究区储层岩石学、成岩作用类型及成岩演化等方面的研究工作。结果表明:盒8段砂岩成分主要以石英砂岩和岩屑石英砂岩为主;主要成岩作用类型为机械压实作用、压溶作用、胶结作用、交代作用;成岩阶段处于中成岩阶段B期,其成岩演化序列为早期压实作用—压溶作用—早期方解石胶结—绿泥石—石英次生加大—溶蚀作用—长石、岩屑泥质杂基高岭石化—铁方解石及铁白云石胶结作用—伊利石。压实作用使储层孔隙度平均降低了20.7%,胶结作用使孔隙度平均减少了7.5%,两者是盒8段储层变差的主要原因;而溶蚀作用产生的平均孔隙度为3.2%,一定程度上改善了储层物性。

基于DEM的陕北黄土高原水文相关地形因子的分析研究

水文要素是研究黄土高原水土流失的重要因子,为揭示陕北黄土高原水文地形要素之间的相关规律。基于90 m航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据,提取陕北黄土高原相关水文地形因子,包括坡度坡长因子(slope length and slope gradient factor, LS)、地形湿度指数(Topographic Wetness Index, TWI)及沟壑密度,并对三类水文因子进行了相关性分析。地形湿度指数与坡度值采用指数拟效果最好,R^(2)值为0.8168,坡度坡长因子与坡度值采用线性拟合效果最好,R^(2)值为0.993,沟壑密度与坡度值采用多项式拟合效果最好,R^(2)值为0.0604。地形湿度指数与坡度坡长因子采用指数拟效果最好,R^(2)值为0.8385,坡度坡长因子与沟壑密度采用二次多项式拟合效果最好,R^(2)值为0.2077,地形湿度指数与沟壑密度采用多项式拟合效果最好,R^(2)值为0.2801。坡度坡长因子、地形湿度指数、沟壑密度均在一定程度反映了出实际地貌。坡度坡长指数与坡度存在线性显著相关关系。坡度越大地形湿度指数越小。沟壑密度随汇流阈值设置的增大而减小。

陕北斜坡中部长6储层“四性”关系研究

研究区长6储层主体主要发育三角洲前缘亚相沉积,对研究区目的层位的"四性"关系进行了研究,认为长6层储集性变化受沉积作用和成岩作用控制明显,压实、胶结和溶蚀作用控制了储层孔隙结构特征及储层物性,并且认为长6储层基本属于低～特低孔、特低～超低渗储层。

黄河中游煤矿区沉陷黄土坡面土壤 养分空间变化规律研究

为了解决煤炭开采沉陷土壤养分损害及修复问题,通过室内外实验和数据分析等方法,以黄河中游煤矿区陕北张家峁井田沉陷黄土坡面土壤为研究对象,分析土壤养分空间变化特征与规律。研究结果表明,沉陷坡面土壤的有机质、铵态氮、速效钾含量在不同坡面、不同土层垂直深度存在明显差异,且呈现出不同的空间变化规律,但速效磷含量差异不明显;开采沉陷会造成土壤有机质、铵态氮、速效磷等养分全坡面性的损失,速效钾局部性损失和富集;在沉陷坡面修复过程中,坡顶和坡中土壤的养分最为贫瘠,应以人工修复为主,而坡脚土壤养分较丰富,应以自然恢复为主;坡顶20~40 cm土层、坡脚0~10 cm土层、坡中40~60 cm土层、全坡面0~10 cm土层应依次作为沉陷坡面土壤有机质、铵态氮、速效磷、速效钾修复的重点部位。