降雨和上方来水条件下工程堆积体土壤侵蚀特征研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenda1982
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工程堆积体已成为生产建设项目新增水土流失的重要来源,平台汇流对堆积体坡面侵蚀的影响不容忽视。针对工程堆积体在降雨和上方来水共同作用下坡面土壤侵蚀过程的研究不足,运用土壤侵蚀学相关理论,基于野外调查,通过人工模拟降雨和上方来水冲刷试验,研究两种侵蚀驱动力共同作用下堆积体坡面土壤水分入渗特性和产流产沙特性,分析两种侵蚀驱动力条件下堆积体坡面流水动力学参数对侵蚀产沙的动态响应,量化降雨和汇流共同作用对侵蚀产沙的贡献率,揭示汇流主控侵蚀的临界流量,阐明砾石含量对侵蚀产沙的影响,揭示降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面土壤侵蚀水动力学机制。得到以下结论:(1)探明了上方来水和降雨共同作用对堆积体坡面土壤水分入渗的影响。在试验条件下,坡面水分入渗速率随历时均呈先快速减小后波动变化过程。上方来水和降雨共同作用条件下,相比单独降雨,水分入渗速率增大3.13%528.57%,相比单独上方来水,水分入渗速率有增有减,入渗速率增率变化介于-34.62%273.08%。(2)明确了降雨和上方来水条件下堆积体坡面产流产沙特性以及侵蚀形态特征。降雨条件下,不同雨强产流率和产沙率随历时变化各异,小雨强以平稳变化为主,大雨强波动变化显著。不同雨强坡面侵蚀形态存在明显差异,小雨强零星分布小坑,大雨强侵蚀沟和不连续跌坎,且集中分布在坡面中下部位。上方来水条件下,产流率随历时呈现持续波动变化趋势,产沙率随历时呈现减小趋势,不同汇流强度坡面侵蚀形态无明显差异,均为侵蚀沟,且发育位置具有随机性。上方来水和降雨共同作用下,随着汇流强度增大,相比单独降雨,产流率随历时的变化更加剧烈波动,产沙率随历时变化波动振幅变大,坡面侵蚀形态均为冲沟,汇流强度20 L/min时,坡面侵蚀过程主要由汇流控制,汇流强度25 L/min时,坡面出现滑塌。(3)量化了上方来水和降雨共同作用对坡面侵蚀径流和泥沙量的贡献。上方来水和降雨共同作用下,坡面径流量和泥沙量均增大,且泥沙量的增大幅度大于径流量。相比单独降雨,径流量和泥沙量分别增大86%629%和86%4914%,相比上方来水,径流量和泥沙量分别增大12%175%和15%505%。上方来水和降雨共同作用下,汇流强度与雨强之间存在交互效应,两者对径流和泥沙的影响均显著。(4)揭示了上方来水和降雨共同作用下径流水动力学参数对侵蚀产沙的响应机制。试验条件下,上方来水和降雨组合相比单独降雨,流速增大76.47%185.71%,相比单独上方来水,流速有增有减,流速增率变化范围-21.95%28.57%。降雨条件的坡面流为层流和过渡流,上方来水的坡面流为紊流和过渡流。上方来水和降雨组合的坡面流为紊流和过渡流,坡面流既有急流又有缓流,阻力系数随历时均呈波动增大过程。上方来水和降雨组合,相比单独降雨,水流剪切力增大145.68%1204.16%,径流功率增大340.16%2415.15%,相比上方来水,水流剪切力减小3.76%70.86%,径流功率减小0.85%74.83%。(5)阐明了上方来水和降雨共同作用对土壤可蚀性参数及临界参数的影响。降雨条件下,水流剪切力模型中土壤可蚀性参数为0.2×10-3 s/m,临界水流剪切力为2.0 Pa;径流功率模型中土壤可蚀性参数1.2×10-3 s2/m2,临界径流功率0.25 N/(m·s)。上方来水和降雨共同作用下,水流剪切力模型中土壤可蚀性参数0.4×10-3s/m,相比单独降雨,土壤可蚀性参数增大2倍,临界水流剪切力增大6倍;径流功率模型中土壤可蚀性参数1.2×10-3 s2/m2,相比单独降雨,土壤可蚀性参数未发生改变,临界径流功率增大18倍。(6)量化了砾石含量对坡面侵蚀产沙及坡面流水动力学特性的影响。相比对照,砾石含量20%和40%可以减小产流率60%82%,减小土壤剥蚀率62%91%。减小坡面流速43%55%。砾石含量不影响坡面流态,但改变坡面流型,将过渡流转变为层流。砾石含量增大了坡面粗糙度,阻力系数增大130%286%;减小水流剪切力52%89%,减小径流功率63%89%。
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