工程堆积体坡面水蚀过程及土质可蚀性研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinke1983
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工程堆积体是交通、工矿、水利工程和城镇开发等建设项目中产生的弃土弃渣堆积物。随着我国经济建设快速迅猛的发展,各类生产建设项目数量剧增,工程堆积体数量也随之不断增加。由于工程堆积体边坡陡、短促、疏松、地面组成物质复杂等特点,比原地貌更易产生大量水土流失。本文以砂黄土和红土区工程堆积体为研究对象,综合前期野外调查资料,对工程堆积体下垫面进行概化后,采用人工模拟降雨试验方法,对砂黄土和红土区不同石砾含量的工程堆积体土石混合土质可蚀性进行研究,同时探究工程堆积体的坡面产流产沙过程和水流水力学参数特征及水沙响应过程,以期为工程堆积体土壤侵蚀预报提供科学基础。得出以下主要结论:(1)研究了砂黄土区和红土区工程堆积体坡面产流特征。两种土类起始产流时间均随雨强增大而减小,与石砾含量间无特定的显著相关。径流率随雨强的增大呈幂函数增大,随石砾含量的增大均先减小后增大,以10%石砾含量值最小。入渗率随雨强的增大而增大,随石砾含量的增大先增大后减小,以10%石砾含量值最大。红土平均径流率和径流系数分别是砂黄土的1~3和1~2倍。(2)对砂黄土区和红土区工程堆积体坡面侵蚀的产沙过程进行对比分析。两种土类的平均产沙率随雨强增大呈幂函数增大。1.0mm/min雨强下,产沙率随石砾含量增大先增大后减小,10%石砾含量的最大;雨强大于1.0mm/min时,产沙率随石砾含量增大而减小。砂黄土的产沙率极大值、平均产沙率和最大15min产沙率均大于红土,分别是红土的1~8.7,1.2~4.5和1.6~8.3倍。(3)两种土类坡面平均流速随雨强增大呈幂函数增大;含石砾下垫面流速小于纯土下垫面。弗罗德数分别介于0.72~1.41和0.53~0.97间,砂黄土多为急流,红土均为缓流,随雨强和石砾含量增大均增大。除砂黄土0%石砾含量2.5mm/min雨强外,两种土类的平均雷诺数均小于500,为层流,随雨强增大呈幂函数增大,随石砾含量增大而增大。砂黄土的坡面水流流速和弗罗德数显著大于红土,但两者雷诺数无显著差异。(4)两种土类的坡面水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量均随雨强增大而增大,含石砾下垫面的大于纯土下垫面,但两者土类间无显著差异。两种土类的水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量与瞬时产沙率、平均产沙率和次降雨侵蚀量间均存在显著线性关系;相关系数大小顺序为径流断面单位能量>水流功率>水流剪切力;侵蚀产沙参数与产沙动力学参数间相关系数大小顺序为瞬时产沙率>平均产沙率>次降雨侵蚀量。砂黄土不同石砾含量下垫面的临界瞬时径流剪切力分别为1.597、1.971、2.106和3.104Pa,临界瞬时水流功率分别为0.090、0.122、0.169和0.252N/m·s,临界过水断面单位能量为0.060、0.061、0.063和0.104cm。红土不同石砾含量下垫面的临界瞬时径流剪切力分别为2.422、2.444、2.542和2.579Pa,临界瞬时水流功率分别为0.098、0.129、0.141和0.142N/m·s,临界过水断面单位能量为0.079、0.082、0.088和0.090cm。均随石砾含量增大而增大。红土纯土下垫面的临界水流剪切力,临界水流功率和临界过水断面单位能量分别是砂黄土的1.56、1.08和1.32倍。(5)在本研究标准小区条件下,砂黄土工程堆积体石砾含量为0%、10%、20%和30%的混合土质可蚀性分别为0.1775、0.0912、0.0498和0.0440t·hm2·h/(hm2·MJ·mm),红土的依次为0.0534、0.0490、0.0365和0.0215t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。两种土类土石混合土质可蚀性均随石砾含量增大而递减,通过线性回归建立了不同石砾含量土质可蚀性转换关系式。为相关地区工程堆积体土质可蚀性的计算提供快速简便的计算方法。(6)比较分析天然径流小区实测K值与本试验人工模拟降雨试验实测K值发现,两种土类的工程堆积体土质可蚀性与农耕地土壤可蚀性基本一致,为今后以农耕地研究结果为基准工程堆积体土质可蚀性的拓展研究提供理论基础。(7)通过分析现有三个主要K指估算模型的适用性可知:诺谟方程在工程堆积体土质可蚀性的估算中适用性较好。
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