生产建设项目工程堆积体水土流失规律及测算模型研究

发布时间：2020-11-10 03:53

　　 大规模迅猛发展的生产建设项目造成大量的、类型多样的松散工程堆积体,由此诱发的人为水土流失已成为当前新增水土流失的重要来源之一,也是水土保持领域研究的热点与难点之一。生产建设项目工程堆积体主要是在项目施工过程中人为堆置而成,堆积松散、坡长短促、坡度较陡,往往达到堆积物质的自然休止角,下垫面物质组成复杂多样,粒径变化大,各类石砾参杂其中,成为重要的组成部分,相对传统坡面有较大差异。生产建设项目造成的大量松散土石混合堆积体水土流失是典型的人为加速侵蚀,遇暴雨时易产生高含沙水流、泥石流等灾害,也导致其水土流失规律与农地相比有一定差异。目前,关于生产建设项目工程堆积体水土流失量的预测模型研究较少,使水土保持方案中水土流失量预测缺乏必要的科学依据,严重滞后于生产实际的需要。因此,本文在2012-2013年前期已完成的大量试验基础上,采用模拟降雨试验方法,补充研究了砂土区、粘土区工程堆积体在不同地形条件下侵蚀过程特征,分析堆积体侵蚀量与影响因素间的定量关系,进一步明确堆积体水土流失机制,修订并获取模型各因子取值,最终建立生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型,并进行模型验证。为生产建设项目水土保持方案编制、水行政主管部门水保监督执法提供依据,完善我国土壤侵蚀模型的涵盖范围,具有重要的科学意义与生产应用价值。得出以下主要结论:(1)砂土区含沙量随产流历时呈先递减---相对稳定---显著波动的变化,粘土区含沙量先递减至3min随后趋于相对稳定。坡度对含沙量的影响,存在一个阈值,大致在25°左右。砂土区、粘土区工程堆积体坡面流雷诺数Re均小于300,以层流为主,弗罗德数Fr变化范围主要集中在0.5-2.0之间,表现为缓流,土壤侵蚀速率Dr与水流剪切力τ、水流功率ω和过水断面单位能量E均呈显著相关。(2)壤土区工程堆积体石砾含量对产流时间影响表现为先递增后递减的趋势,石砾含量30%时产流最慢,此时的平均径流率也最小,平均流速与石砾含量呈显著线性负相关。含石砾坡面工程堆积体平均含沙量均小于纯土体,减少幅度为21.1%~61.2%。(3)相同坡度、坡长条件下(25°、5 m),壤土区堆积体产流快于粘土区,砂土区产流最慢。砂土区堆积体平均径流率最小,壤土区最大,粘土区居中。砂土区及壤土区堆积体平均含沙量均表现含石砾的小于纯土体,随雨强增大平均含沙量递增幅度为63.3%~379.5%。(4)壤土区堆积体在坡度不同时,随石砾含量增大,平均流速呈线性递减。随着坡度增大,平均径流率减少24.5%~33.0%。含石砾坡面平均侵蚀速率仅为纯土体的31.5%~65.0%。次降雨侵蚀量随石砾含量增大可减少34.3%~65.1%。坡长不同时,平均径流率随坡长增大递增幅度达51.6%~314.2%。含石砾坡面的平均径流率较纯土体减少3.0%~11.8%。次降雨侵蚀量随石砾含量增大呈显著递减趋势,纯土体可达含石砾的1.5-2.6倍。(5)提出了适用于生产建设项目工程堆积体实际情况的标准小区及模型各因子含义:标准小区是指坡度为25o,坡长为20 m,连续休闲裸露松散的工程堆积体;表征堆积物质对侵蚀敏感程度的参数称为土石质因子T,定义为标准小区上单位降雨侵蚀力产生的堆积体侵蚀量。(6)堆积体在相同降雨强度时的侵蚀量表现为砂土区壤土区粘土区,随雨强增大1.5-2.5倍,侵蚀量增大2.1-13.7倍。砂土区和壤土区堆积体侵蚀量随石砾含量增大总体呈递减趋势。侵蚀量随坡度的变化存在一个临界阈值,大致在25°左右。侵蚀量与坡长呈显著幂函数关系,随坡长延长平均侵蚀量递增幅度达23.4%~159.4%。(7)依据定义,计算得到15°、25°、30°、35°的坡度因子值S分别为0.6319、1.0000、0.9157、1.5147,2.72 m、4.53 m、5.89 m、10.88 m和20.00 m的坡长因子值L分别为0.3051、0.4837、0.5355、0.6692和1.0000。分别拟合出工程堆积体坡度因子S、坡长因子L的计算关系式,其幂指数分别为0.880和0.553。砂土区、壤土区和粘土区工程堆积体在石砾含量为0%(纯土体)、10%、20%和30%时的土石质因子T值分别为0.152、0.108、0.073、0.062 t·km2·h/(km2·MJ·mm),0.054、0.034、0.029、0.018 t·km2·h/(km2·MJ·mm)和0.042、0.036、0.027、0.020 t·km2·h/(km2·MJ·mm)。土石质因子T值随石砾含量的增大呈线性递减关系。纯土体时,砂土区土石质因子T分别是壤土区和粘土区的2.8和3.6倍。(8)基于通用土壤流失方程,首次建立了生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型,以降雨侵蚀力R、土石质因子T、坡度因子S和坡长因子L的连乘形式表示。并完成了模型验证。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S157.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 选题背景、目的及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 土壤侵蚀模型研究进展
        1.2.2 土壤侵蚀模型研发应用及因子修订
        1.2.3 生产建设项目水土流失研究概况
        1.2.4 生产建设项目工程堆积体水土流失预测预报
第二章 研究内容与试验方法
    2.1 研究目标与内容
        2.1.1 研究目标
        2.1.2 研究内容
        2.1.3 技术路线
    2.2 研究方法
        2.2.1 下垫面概化
        2.2.2 室内模拟降雨试验
第三章 生产建设项目工程堆积体坡面产流产沙特征
    3.1 砂土区工程堆积体在不同地形条件下侵蚀过程特征
        3.1.1 不同坡度工程堆积体径流产沙特性
        3.1.2 不同坡长工程堆积体径流产沙特性
    3.2 粘土区工程堆积体在不同地形条件下侵蚀过程特征
        3.2.1 不同坡度工程堆积体径流产沙特性
        3.2.2 不同坡长工程堆积体径流产沙特性
    3.3 壤土区大石砾含量工程堆积体坡面产流产沙特征
        3.3.1 产流起始时间变化特征
        3.3.2 径流率随产流历时变化特征
        3.3.3 流速随产流历时变化特征
        3.3.4 径流含沙量随产流历时变化特征
    3.4 本章小结
第四章 不同土壤类型区工程堆积体水土流失差异特征
    4.1 工程堆积体在相同坡度、坡长时侵蚀过程差异
        4.1.1 不同土壤类型对产流起始时间影响
        4.1.2 不同土壤类型对坡面径流率影响
        4.1.3 不同土壤类型对坡面流速影响
        4.1.4 不同土壤类型对坡面含沙量影响
    4.2 工程堆积体地形因子对侵蚀速率影响
        4.2.1 坡度不同时侵蚀速率变化特征
        4.2.2 坡长不同时侵蚀速率变化特征
    4.3 壤土区石砾含量对工程堆积体侵蚀参数特征的影响
        4.3.1 不同坡度下石砾含量对工程堆积体侵蚀参数影响
        4.3.2 不同坡长下石砾含量对工程堆积体侵蚀参数影响
    4.4 砂土区与粘土区工程堆积体侵蚀产沙与水力学参数特征
        4.4.1 砂土区工程堆积体侵蚀产沙与水力学参数关系
        4.4.2 粘土区工程堆积体侵蚀产沙与水力学参数关系
    4.5 本章小结
第五章 工程堆积体水土流失测算模型因子修订及其建立
    5.1 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型标准小区定义
    5.2 生产建设项目工程堆积体水土流失机制研究
        5.2.1 降雨强度对工程堆积体侵蚀的影响
        5.2.2 降雨量对工程堆积体侵蚀的影响
        5.2.3 石砾含量对工程堆积体侵蚀的影响
        5.2.4 坡度对工程堆积体侵蚀的影响
        5.2.5 坡长对工程堆积体侵蚀的影响
    5.3 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型因子修订
        5.3.1 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型坡度因子S修订
        5.3.2 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型坡长因子L修订
        5.3.3 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型土石质因子T修订
    5.4 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型框架
    5.5 生产建设项目工程堆积体水土流失测算模型验证
    5.6 本章小结
第六章 主要结论与展望
    6.1 主要结论
    6.2 存在的不足与展望
参考文献
致谢
作者简介

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王利军;鲍永刚;;北京市不同地貌类型开发建设项目新增水土流失预测方法研究[J];北京水务;2008年02期

2 李钜,章景可,李凤新;黄土高原多沙粗沙区侵蚀模型探讨[J];地理科学进展;1999年01期

3 马修军,谢昆青;GIS环境下流域降雨侵蚀动态模拟研究——以PCRaster系统和LISEM模型为例[J];环境科学进展;1999年05期

4 郭继志;;关于坡度与径流量和冲刷量关系问题的探讨[J];黄河建设;1958年03期

5 汤立群;;流域产沙模型的研究[J];水科学进展;1996年01期

6 吴冰;朱元骏;邵明安;;含砾石土壤坡面流速及产流产沙过程研究[J];中国水土保持科学;2011年01期

7 王小燕;李朝霞;徐勤学;蔡崇法;;砾石覆盖对土壤水蚀过程影响的研究进展[J];中国水土保持科学;2011年01期

8 苏彩秀;黄成敏;唐亚;危冬发;景盈;;工程建设中产生的水土流失评估研究进展[J];水土保持研究;2006年06期

9 李强;李占斌;鲁克新;王民;穆军;;神府东胜矿区不同下垫面产流产沙试验研究[J];水土保持研究;2008年03期

10 孔亚平;张科利;曹龙熹;;土壤侵蚀研究中的坡长因子评价问题[J];水土保持研究;2008年04期

相关硕士学位论文 前3条

1 李宏伟;黄土区工程堆积体水蚀特征及土质可蚀性K因子研究[D];西北农林科技大学;2013年

2 邓利强;黄土区工程堆积体水蚀特征及测算模型坡长因子试验研究[D];中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）;2014年

3 白芸;工程堆积体坡面水蚀过程及土质可蚀性研究[D];西北农林科技大学;2014年

本文编号：2877438