复合水保措施下工程堆积体坡面土壤侵蚀规律研究

作     者：杨树云 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高照良

授予年度：2022年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 090707[农学-水土保持与荒漠化防治] 0907[农学-林学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：工程堆积体 水保措施 坡面侵蚀 水动力学特性 泥沙颗粒 

摘      要：生产建设项目产生的大量弃土弃渣是新增水土流失的主要来源,布设植被和工程措施是控制土壤侵蚀的重要途径。由于治理措施受多种因素影响,在不同条件下的坡面减蚀效果存在差异,且对堆积体条件下水土保持措施的空间布设方式研究积累不够,因此研究复合措施条件下堆积体坡面侵蚀规律尤为重要。本文以工程堆积体高陡边坡为研究对象,采用恒流冲刷试验,设计了6种坡面措施(裸坡、植物篱、水平沟、鱼鳞坑、植物篱+水平沟、植物篱+鱼鳞坑),3种放水流量(8、12、16 L/min),探究不同措施下工程堆积体坡面径流水动力学特性、侵蚀过程、减流减沙效益、径流泥沙调控、侵蚀泥沙颗粒特性。研究结论如下:(1)揭示了不同措施对堆积体坡面径流水动力学特性的影响,及各水动力学参数与产沙的关系。试验条件下,复合措施的流速、雷诺数、径流剪切力、径流功率小于单一措施和裸坡,相比裸坡分别减少了25.51%～44.03%、47.67%～63.81%、25.79%～52.10%、33.09%～66.37%;弗汝德数表现为:裸坡植物篱鱼鳞坑类措施水平沟类措施,阻力系数则与之相反,水平沟类措施阻力系数相比裸坡增大了-7.25%～114.65%。堆积体坡面产沙率与流速、雷诺数、径流剪切力、径流功率、弗汝德数存在极显著正相关(P植物篱鱼鳞坑水平沟植物篱+鱼鳞坑植物篱+水平沟,各措施平均产流率较裸坡分别减少了16.65%、16.98%、24.69%、26.82%、34.69%。各措施平均产沙率与裸坡相比分别减少了38.03%、45.22%、51.41%、65.51%、72.79%;堆积体坡面累计产流量与累计产沙量存在极显著幂函数关系(R=0.945～1.000,P0.01),复合措施的累计产沙量增长率较单一措施小。(3)量化了不同措施的减流减沙效果及减沙时效性。试验条件下,措施坡面均具有蓄水减沙效果,复合水保措施的减流减沙效益、累计减沙量高于单一措施,二者的减流效益分别为28.17%～37.17%、14.37%～24.94%,减沙效益分别为38.83%～77.45%、14.11%～57.80%,累计减沙量分别为13.80～16.62、4.85～15.30 kg。各措施的减流控沙量大于水沙关系调沙量,径流减少是水保措施调控坡面侵蚀泥沙的主导因素。植物篱+水平沟下的减流控沙与水沙关系调沙的效率系数均大于其他措施,二者能较好地调控径流泥沙。(4)明确了不同措施对侵蚀泥沙颗粒分布和分选特性的影响。试验条件下,侵蚀泥沙颗粒组成以细粉粒和粗粉粒为主,砂粒次之,黏粒占比最小,各颗粒含量分别为33.68%～44.02%、25.51%～32.66%、18.55%～27.32%、7.06%～10.73%。各粒级泥沙颗粒中,细粉粒富集作用最强,其含量及富集率随着流量的增加有所减小,砂粒最不易被运移,其含量及富集率随流量的增大而增大。复合措施的细粉粒含量及其富集率较单一措施和裸坡高,砂粒含量及其富集率则小于二者。粗粉粒基本以单粒的形式运移,而黏粒、细粉粒、砂粒以团聚体的形式运移。黏粒体积分数与体积分形维数的相关性最好,为极显著线性正相关(R=0.855,P0.01)。