花岗岩残积土溅蚀特征及微生物固化抗溅蚀研究

作     者：甘钰 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘伟平;梁安宁

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：花岗岩残积土 溅蚀 粒径分选 影响因素 正交试验 微生物固化 

摘      要：水力侵蚀是最严重的土壤退化过程之一,溅蚀是水力侵蚀的初始阶段,由雨滴对土壤表面团聚体的破坏力引起。除了降雨强度,土壤特性和地表状况对于理解溅蚀至关重要。然而,目前关于土壤前期含水量和砾石条件等因素对溅蚀的影响研究较少,尤其是针对我国水力侵蚀现象频繁的赣南花岗岩残积土地区的溅蚀研究还不足。本文将花岗岩残积土作为研究对象,通过室内降雨溅蚀试验和正交试验,研究降雨强度、砾石含量、砾石粒径和前期土壤含水量四种单一因素作用和多因素耦合作用对土壤溅蚀过程的影响。同时,采用喷洒法对花岗岩残积土进行表面处理并进行溅蚀试验,结合扫描电镜观测技术,研究喷洒式微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation,MICP)表面固化处理对花岗岩残积土的抗溅蚀性的改善效果,并探讨其微观机制。主要得出以下结论:(1)通过不同降雨强度下的溅蚀试验得出:溅蚀率与降雨强度呈正相关关系;溅蚀量与降雨强度呈指数关系,并且与降雨历时呈线性关系;对于一次降雨产生的溅蚀颗粒与降雨过程中的溅蚀颗粒,其粒径分选组成均为粉粒(0.002～0.02mm)含量最高,粗砂(0.2～2mm)含量最少;粘粒(0.02mm的粒径颗粒含量随着降雨历时和前期含水量的变化则呈相反趋势;土壤颗粒的破碎程度随降雨历时的延长先下降再上升后波动稳定,随前期含水量的增大而下降;溅蚀过程的分选性随降雨历时的延长先减弱再增强后波动稳定。前期含水量12%～25%条件下,两种颗粒含量和破碎程度变化趋势均相反;溅蚀过程的分选性随降雨历时的延长先增强后波动稳定,随前期含水量的增大先减弱后增强,在前期含水量为12%时分选性最弱。此外,溅蚀粒径分选各指标与前期含水量的关系均可用抛物线方程描述。(4)基于正交实验法,采用室内降雨溅蚀试验,研究降雨强度、前期含水量、砾石含量及砾石粒径四种因素共同作用下对土壤溅蚀的影响,结果表明:对于溅蚀量,四种因素影响的主次顺序为降雨强度前期含水量砾石含量砾石粒径;对于溅蚀粒径分选中粘粒(砾石含量前期含水量砾石粒径;然而对于溅蚀分选中粉粒(0.002～0.02mm)和粗砂(0.2～2mm)颗粒含量、粉粒(0.002～0.02mm)和细砂(0.02～0.2mm)颗粒富集率主次顺序则为降雨强度砾石含量砾石粒径前期含水量。(5)采用微生物固化技术对土样加固后进行室内降雨溅蚀试验,结果表明:微生物对土壤开裂有修复作用,且处理过的土样表面有一层质地较硬的“保护层,土样表面从裂缝修复处开始破坏;各细菌浓度下,OD=0.75处理的土样表面破坏程度最小;加固次数越多,土样表面破坏程度越小;降雨过程中对照组的溅蚀率均最高,溅蚀率随细菌浓度的升高先减小后增大,随加固次数的增加而减小;溅蚀量和总溅蚀率随细菌浓度的升高先减小后增大,随加固次数的增加而减小;溅蚀量与细菌浓度的关系可用幂函数方程描述,与加固次数的关系可用线性函数方程描述;微生物固化处理下,溅蚀分选中粉粒(0.002～0.02mm)含量最高,粗砂(0.2～2mm)含量最少;微生物固化处理土样的溅蚀分选各个粒径含量达到波动稳定状态的时间比对照组早;微生物固化作用会使土壤颗粒和团聚体破碎化程度降低,土壤颗粒的破碎程度随细菌浓度的升高先上升后下降,随加固次数的的增加而上升;溅蚀过程的分选性均随降雨历时的延长先增强后波动稳定;各溅蚀分选指标与细菌浓度的关系均可用抛物线方程描述,与加固次数的关系均可用幂函数方程描述;微生物固化处理土样表面有碳酸钙胶结土壤颗粒形成的硬壳层,且硬壳层形成处分布了大量钙元素。微生物固化方法可有效提高花岗岩残积土的抗溅蚀能力。