本文是工程硕士论文，主要研究工程堆积体陡坡土壤侵蚀动力过程试验。

第一章 绪论

1.1 研究背景

在可预见的未来，基础生产建设产业在相当长的一段时间内仍将呈现高速发展的态势。然而，长期以来受经济结构、产业结构、资源利用结构以及其他诸多社会因素的影响，基础生产建设在支撑整个社会经济发展的同时其环境效应也在逐渐显现，生产建设活动造成的水土流失随着生产建设项目规模的增长呈现显著增加的趋势，当下中国的生产建设已进入生态环境制约时期[1]。生产建设活动扰动并重塑了地表物质形态，造成侵蚀营力环境发生改变，造成项目区水土流失发生的基础条件发生深刻变化，水土流失产生、发展的基本规律亦随之发生变化，造成项目区水土资源破坏及浪费，甚至紊乱区域水沙过程，同时也可能导致周边生态环境破坏、水文状况改变和非点源污染源扩散等一系列恶性环境事件的发生。生产建设活动造成的水土流失，是以人类生产建设活动为主要外营力形成的特殊水土流失类型，是人类生产建设活动过程中扰动地表和地下岩土层、堆置废弃物、构筑人工边坡以及排放各种有毒有害物质而造成的水土资源和土地生产力的破坏和损失，是一种典型的人为加速侵蚀[2]。由于在起源背景、概念的内涵及外延、内容与形式等方面不尽相同，生产建设项目水土流失在时空分布、形式与特征、防治原则与目标、控制技术体系及其效益分析等方面与传统农耕地水土流失基本体系亦有所不同。在我国，传统水土保持作为一项科研命题提出并付诸实践始于上世纪 20～40 年代，而生产建设水土保持相关研究的正式提出则发端于上世纪 90 年代初[3]，是伴随着生产建设项目水土保持法制工作的延伸而逐渐开展起来的，时至今日已初具研究规模。相较于传统农耕地水土保持详实完备的数据资料、较为成熟完善的理论及方法，生产建设水土保持的研究往往注重时效性，缺乏足够的机理支撑，基础理论研究薄弱，尚未形成完善的理论体系，在指导实践生产方面的局限性很大，学科体系的构建尚处于起步阶段。

1.2 研究目的及意义

当前国内生产建设项目土壤侵蚀量的预测多采用经验统计模型[5]，通过模拟降雨实验及天然降雨定位观测，以通用土壤流失方程（USLE）作为模型的基本框架进行因子选择、量化分析及修正，建立土壤侵蚀量与各影响因素之间的量化关系，形成了各具特色的水、沙关系方程及土壤侵蚀预报方程[6-10]。研究所涉生产建设项目类型包括线形工程（公路工程、铁路工程等）和点（片）状工程（水电工程、露天煤矿工程等），涵盖路堤边坡、路堑边坡、弃渣体、弃土体、施工便道、施工营地、原地面及人为扰动地面等下垫面条件，囊括挖方、填方、埋压、堆垫等扰动类型，在研究的深度和广度上均具有一定的代表性和实用价值。然而，各家模型及参数不尽相同，其结果往往因参数选择的主观性而降低了其预报精度，从该角度看，预报模型及参数的多样性亦是其局限性，在生产实践中限制了模型的推广。此外，通用土壤流失方程（USLE）中参数的确定往往以给定时期内的多年平均值表征其大小[11]，限于当前的研究水平、时间序列、数据可获取性及其有效性等方面存在的不足，生产建设区长期动态监测数据匮乏，USLE 的有效性及适用性尚需进一步商榷和验证。

综合前人研究之果可以发现，土壤侵蚀过程的动力描述涉及水力和土壤两类参数，而关于何种动力因子可以准确反映生产建设区不同扰动形式下的水、沙关系及土壤侵蚀过程，目前并无统一的明确结论，鉴于工程建设区水土流失发生背景条件的深刻变化与侵蚀控制实际需求间的矛盾，不同扰动形式下水沙关系、坡面径流的水动力学特性及土壤侵蚀水动力过程的研究仍需进一步加强和深入。本研究以“神木—府谷”高速公路（以下简称为神府高速公路）沿线典型工程堆积体为例，对线形生产建设项目工程堆积体陡坡在模拟径流冲刷条件下的产流特征、侵蚀产沙过程及其时空变化特征、坡面径流水动力学特性、不同水动力学参数对土壤侵蚀动力过程的描述等进行了研究，以期为工程建设区土壤侵蚀预报方程的开发提供一定的科学依据。本研究有望深化对生产建设项目工程堆积体陡坡土壤侵蚀特征及坡面径流水动力学特性的认识，并在参数及控制方程的选择方面为土壤侵蚀过程的动力描述提供一定的参考。

第二章 研究内容与试验设计

2.1 研究内容

该区位于府谷县西南的府谷镇石马川行政村，属中温带半干旱大陆性季风气候，按照府谷县气候区划分区，该区属寒温半干旱峡谷丘陵区，降水量不足，处于 440 mm等降水量线附近，多年平均蒸发量位于 1200 mm 附近，接近于降水量的 2.7 倍。日降水量在 50～100 mm 的暴雨 10 年 8 遇，降水多中雨、大雨或暴雨，一年内暴雨主要集中在 6～9 月，时间分布不均，夏季平均降水 284.6 mm，占全年 62.77%，冰雹、大风比较多，又位于黄河边缘易形成山洪，本区气候干燥，日照充足，年平均气温 8.0～8.5 ℃，无霜期平均 173 天。石马川小流域属水量贫乏地区，石马川多年平均年径流深为 110～120 mm，多年平均流量 0.68 m3•s-1，年径流总量 0.2144 亿 m3，年输沙量597 万 t。试验区所在地植被类型主要为沙生植被，如沙棘、沙蓬、沙芥、沙柳等，原地貌土壤类型主要为黄绵土、红土、风沙土和淤土，原地貌土壤侵蚀形式以水蚀为主，石马川多年平均年土壤侵蚀模数为 3.04×104t•km-2•a-1，试验区所在的黄土梁峁沟壑区年侵蚀模数一般在 2×104～3×104t•km-2•a-1之间，水土流失严重[84]。试验开始前，用标有刻度的标准径流桶率定放水流量 2～3 次，在试验小区沿坡长方向设置 4 个间距相同的观测断面，并在各断面附近测定土壤容重、土壤含水量等。试验开始后，通过调节回水管及出水管上的阀门和开关控制流量，水流经过自制放水槽的稳流、消能，在放水槽出水端溢出，流经防渗布，尽可能使水流在坡面上均匀分散，并随机汇集为股流，产流后记录产流时间，在各断面处测定流速、流宽，并接取径流泥沙样品。产流后 3 min 内每 1 min 取 1 次径流泥沙样，3 min 后每隔 3 min 取一次径流泥沙样，试验不设分流设施，径流桶接收全部泥沙和径流。流速测定采用高锰酸钾染色示踪法，测距为 2 m[85]，流宽用直尺测量，分别取每场试验中 4 个观测断面的平均值，其中，流速乘以修正系数 0.75 作为水流断面平均流速[19]。试验开始和结束时分别用温度计测量溢流槽中水的温度，取其平均值以计算水动力粘滞系数。径流泥沙样品处理采用比重瓶法[12]，依据径流桶中水位变化过程及各时间段内泥沙径流样的测定，推算小区径流、泥沙过程。基于上述各项实测数据确定实验过程中的径流量、入渗量、含沙量、产沙量等水沙要素，每场次试验视情况持续时间为 40～50 min。

第三章 工程堆积体陡坡土壤侵蚀过程.........22

3.1 堆积体坡面产流特征 ........ 22

3.2 堆积体坡面产沙特征 ........ 24

3.3 堆积体坡面水、沙关系 .... 31

3.4 本章小结 ..... 41

第四章 工程堆积体陡坡坡面径流水.....43

4.1 径流流速特征 ........ 43

4.2 水深 ...... 48

4.3 流型流态 .... 51

4.4 坡面径流阻力 ........ 54

4.5 径流切应力 ...... 55

4.6 水流功率 .... 58

4.7 水动力学要素间的关系 .... 59

4.8 侵蚀产沙对水动力学参数的响应 ...... 62

4.9 本章小结 .... 63

第五章 工程堆积体陡坡土壤侵蚀水动力过程.........65

5.1 输沙率随时间的变化特征 ...... 65

5.2 临界切应力模型 .... 66

5.3 水流功率模型 ........ 67

5.4 水流动能与坡面侵蚀产沙的关系 ...... 69

5.5 过水断面单位能量与坡面侵蚀产沙的关系 ........ 70

5.6 本章小结与讨论 .... 71

结论

生产建设区水土流失是生产建设背景下集各类环境因子控制、人为因素影响及下垫面条件为一体的综合环境影响体现，改变了原有地表物质组成、结构、形态及水沙发生、发展规律。作为生产建设项目区人为生产建设活动产生的废弃物堆置而成的特殊地貌单元，工程堆积体是生产建设区新增水土流失的重要来源，进一步探讨不同扰动方式下工程堆积体坡面的土壤侵蚀过程、径流水动力学特性及侵蚀产沙的动力过程对于深化对生产建设区不同地貌单元土壤侵蚀特征的认识和理解具有重要意义，本文通以神府高速公路沿线典型弃土场为例，通过野外模拟径流冲刷试验，对线形生产建设项目沿线工程堆积体陡坡的土壤侵蚀过程及其对坡面径流动力特性的动态响应进行了研究，得出的初步结论如下：

（1）由于供水条件及产流机理、过程的不同，模拟径流冲刷条件下堆积体坡面径流强度的变化过程与降雨条件下的产流过程相比更具变异性、波动性和不确定性，亦从侧面反映在总供水量一致的情况下，坡面径流过程较之于降雨过程更具破坏性；随放水流量的增大，径流强度受时间的影响趋于显著。在试验坡度（36°）条件下，重力侵蚀对径流含沙量的变化具有重要影响，试验条件下重力作用开始发挥重要影响的放水流量临界值在 20 L•min-1～25 L•min-1之间；不同放水流量条件下影响径流含沙量的主导因子不同，主要包括径流量 V、输沙率 Tr及冲刷时间 t 等，平均径流含沙量可以作为反映堆积体侵蚀特征的指标之一。

（2）堆积体坡面产沙过程存在产沙量的突变、波动变化及稳定发展 3 个阶段，不同侵蚀营力作用对比的不断变化，造就了堆积体陡坡复杂多变的土壤侵蚀过程，不同侵蚀形态对不同坡段的产沙量有重要影响；不同坡段产沙量的空间分布特征随着流量的增大出现持续平稳减小、震荡式波动衰减 2 种变化形式。

参考文献

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