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

Abstract

随着我国基础设施建设项目投资力度的不断加大，各类生产建设项目增加迅猛，全 国到处是新开的建设工地，建设中大量的植被遭破坏，地表和地下土体被扰动、剥离、 运移和松散堆置，造成了严重的人为水土流失。施工过程形成的大量弃土弃渣体，亦即 工程堆积体，因无任何防护措施，成为水土流失最为严重的地方，同时也成为人为新增 水土流失最主要的泥沙策源地，造成了局部生态环境的进一步恶化。全国各类生产建设 项目的水土保持方案编制中，关于水土流失测算，仍采用类比法等，缺乏实验依据与模 型的理论支撑，精度不高。要建立我国生产建设项目水土流失测算模型，需要借用美国 通用流失方程 ULSE 的基本思想，对其可蚀性、坡度坡长、降雨侵蚀力诸因子进行修订。 在工程堆积体方面的此类研究尚属空白。因此，本文以黄土区生产建设工程堆积体坡长 因子为主要研究对象，采用室内人工模拟降雨的方法，对工程堆积体的产流、产沙和水 动力学特征研究，探讨其侵蚀机理和水土流失规律，确定工程堆积体水蚀测算模型坡长 因子 L 值的关系表达式和定值方法。为最终建立生产建设项目工程堆积体水土流失测算 模型提供科学依据，其结果可为水行政主管部门监督执法提供工具，具有重要的科学意 义和实际应用价值。主要得出以下结论： （1）在陡坡 25&ordm;，不同坡长条件下，径流率随时间的变化绝大部分表现为先增大后 在一定范围内围绕某一均值呈现平稳的波动过程。土壤剥蚀率随时间的变化表现为（约 5 min 前）先急剧下降后呈现出不同程度的波动变化趋势，随着土体石砾含量的增大， 坡面出现细沟侵蚀的几率在减小。 （2）不同石砾含量条件下，径流率和土壤剥蚀率均随降雨量的增大而增大；当降 雨量一定时，径流率随石砾含量的变化并不明显；石砾含量增大时，土壤剥蚀率有减小 的趋势；可知石砾含量的增加有减小侵蚀的作用。径流率与降雨量和石砾含量呈线性函 数关系，土壤剥蚀率与降雨量呈指数函数关系。 （3）不同坡长条件下，径流率和土壤剥蚀率波动程度会有差别，随着坡长的增加，细沟数量明显增多，波动程度亦增大。径流率随坡长增加，会显著增大，但土壤剥蚀率 随坡长增加规律有所不同。坡长 &lambda;&le;5m 时，土壤剥蚀率随坡长增加呈极其缓慢的增加趋 势；坡长 &lambda;&ge;6.5m 时，土壤剥蚀率随坡长增加的变化趋势亦趋于缓和；5&le;&lambda;&le;6.5m 时，土 壤剥蚀率随坡长的增加会有一个急剧增加的过程。细沟侵蚀存在一个临界坡长，超过临 界坡长时，会有明显的细沟发育，可能位于 5~6.5m 之间，此结论对于生产实践有着重 要的指导意义。 （4）坡长一定时，各石砾含量条件下,径流剪切力、雷诺数、佛罗德数和水流功率 均随降雨量的增大呈明显递增关系，随石砾含量的增加规律有所不同。径流剪切力除在 坡长 5m 时随石砾含量增加递减外，其他坡长条件下均无明显变化规律。当坡长&le;5m 时， 雷诺数随石砾含量增加呈减小的趋势，坡长&ge;6.5m 时，无明显变化规律。坡长&le;6.5m 时， 雷诺数 Re&le;500，坡面流属于层流。佛罗德数在坡长较短（&le;6.5m），雨强较小时坡面流 为缓流，雨强较大时表现为急流，大坡长（&lambda;=12m）时，均表现为急流。 （5）径流剪切力、雷诺数、佛罗德数和水流功率均随着坡长的增加而增大，并建 立了各水动力参数与坡长、石砾含量的经验方程式。各水动力参数与降雨量呈显著的线 性关系。对各坡长条件下的土壤剥蚀率及其影响因子作灰色关联分析，表明，水流功率 对土壤剥蚀率影响最大，雷诺数次之。建立了各个坡长条件下，土壤剥蚀率与水流功率 的线性关系式，相关性都比较高。 （6）在参阅 USLE/RUSLE 中对标准小区和坡长因子定义的基础上，结合工程堆积 体的特点，提出了我国关于各类工程堆积体水蚀测算模型标准小区和坡长因子的明确定 义。 （7）以土石混合体类型为基准，建立了不同石砾含量条件下，坡长因子 L 值与坡 长的幂函数方程式。结果表明，陡坡坡长因子 L 值与坡长近为 0.65 次方的关系，此试 验结果高于国内现有采用值，与美国 RUSLE 模型中陡坡地采用值相近。 （8）建立了土石混合体类型的地形坡长因子 L i 与纯土体的坡长因子 L 0 和石质含量 比 i P 之间的简化关系式。运用得到的坡长因子简化关系式，建立了坡长因子 L 值的查算 表。 关键词：生产建设项目；工程堆积体；产流产沙；坡长因子；水动力学参数</p