花岗岩区崩壁土体水力侵蚀特征研究

摘要

本文选取湖北省咸宁市通城县五里镇一发育典型的花岗岩区崩壁作为研究对象，采集崩壁A层、B层、BC层、C层土样，开展模拟降雨试验和冲刷试验。研究花岗岩区崩壁土体的产流产沙特征、可蚀性空间变化特征、抗冲性影响因素和水动力学侵蚀特征。进而揭示花岗岩区崩壁各层次土体侵蚀的产流产沙机理、抗侵蚀性能和水力侵蚀规律。为崩壁水蚀过程研究和模型建立奠定基础，为丰富崩岗侵蚀理论、有效治理崩岗提供理论基础和技术指导。研究结果如下:
　　(1)花岗岩区崩壁各层次土体入渗率和累积入渗量在整个降雨时间段内差异显著。随着降雨时间的延长，各层次土体入渗率均表现出先快速减小后逐渐趋于稳定，累积入渗量则相差越来越大;B层的稳定入渗率最大为0.27mm/min，是A层的1.13倍，C层的1.76倍;Horton模型能对各层次土体入渗率很好的拟合(R2＞0.922)，且拟合结果证实了模拟降雨条件下各层次土体入渗率随时间的变化规律。
　　(2)降雨条件下花岗岩区崩壁各层次土体产沙率和累积产沙量在整个降雨时间段内差异显著。C层平均产沙率为40.43g/L·min，是B层的1.79倍，A层的3.11倍;B层的累积产沙量增加较快，A层的累积产沙量较缓慢增长，C层的累积产沙量在整个降雨时间段内不断增加且远远大于A层和B层的累积产沙量。各层次土体＜0.2mm粒径的流失量最多，0.2～1mm粒径次之，＞1mm粒径流失量最小;随着降雨时间的延长，A层各粒径流失量均逐渐减小，B层各粒径流失量逐渐增多，C层各粒径流失量逐渐趋于稳定。
　　(3)冲刷条件下花岗岩区崩壁各层次土体产沙率存在很大差异，产沙率变化规律和降雨条件下一致，C层产沙率最大，BC层次之，A层最小;同一流量下，各层次土体产沙率均随冲刷时间的延长逐渐降低并趋于稳定，同一坡度下，土体产沙率随径流流量的增大而增大;产沙率受坡度和流量的复合影响且可用二元幂函数方程很好的拟合(R2＞0.878)。其中，坡度对A层、B层、BC层产沙率的影响大于流量，而C层反之。
　　(4)花岗岩区崩壁各层次土体可蚀性差异显著，C层平均K值最大，是A层的1.20倍，B层的1.03倍;诺莫法估算的各层次土壤的可蚀性K比值与40min每层土的稳定产沙率之比最接近，诺莫法估算各层次土壤可蚀性K值的灵敏度最高，为修正诺莫的1.5倍，EPIC模型法的6倍。因此，针对花岗岩区崩壁土体可采用诺莫法准确评价土壤可蚀性K值。
　　(5)花岗岩区崩壁各层次土体抗冲指数差异明显，且均随流量和坡度的增大逐渐减小，A层抗冲指数变化范围是2.603～12.705S/g，B层抗冲指数变化范围是0.279～5.099S/g，BC层抗冲指数变化范围是0.125～0.823S/g，C层抗冲指数变化范围是0.018～0.110S/g，在同一坡度和流量条件下，A层的抗冲指数最大，B层次之，C层最小，各层次土体抗冲指数与坡度、流量的关系能用二元幂函数方程很好地拟合(R2＞0.89)。崩壁各层次土体理化性质、矿物组成及力学特性对抗冲性均有影响。其中，土体容重、有机质含量、粘聚力及抗剪强度与崩壁土体抗冲性呈显著正相关，而0.2～0.02mm颗粒含量与崩壁土体抗冲性呈显著负相关，且相关性均较高。因此，土体容重、有机质含量、0.2～0.02mm颗粒含量、粘聚力和抗剪强度均可作为花岗岩区崩壁土体抗冲性的评价指标。
　　(6)径流剪切力、水流功率对崩壁各层次土体产沙率的影响均可采用线性方程很好地描述(R2＞0.926)，相比用单位水流功率拟合的多项式方程的相关性(R2＜0.830)要高，径流剪切力和水流功率均可作为描述崩岗各层次土体土壤侵蚀的水动力学参数。A层、B层、BC层、C层土体的临界径流剪切力依次减小，分别为0.28Pa、0.13Pa、0.10Pa、0.07Pa，各层次土体细沟可蚀性参数差异明显，C层的最大，BC层次之，A层最小。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 崩岗侵蚀研究

1．2．2 可蚀性研究

1．2．3 抗冲性研究

1．2．4 水动力侵蚀特征研究

1．3 进一步研究的问题

2 研究内容与试验方法

2．1 研究区概况

2．2 研究目标和内容

2．2．1 研究目标

2．2．2 研究内容

2．2．3 技术路线

2．3 试验方法

2．3．1 土壤性质测定

2．3．2 模拟降雨试验

2．3．3 冲刷试验

2．3．4 数据处理

3 结果与分析

3．1 崩壁各层次土体产流产沙特征

3．1．1 入渗特征

3．1．2 产沙特征

3．1．3 粒径流失特征

3．1．4 小结

3．2 崩壁各层次土体可蚀性K值估算及比较

3．2．1 五种可蚀性K值估算方法

3．2．2 比较5种土壤可蚀性K值估算方法

3．2．3 基于降雨条件的土壤可蚀性K值比较

3．2．4 小结

3．3 崩壁各层次土体特性对抗冲性的影响

3．3．1 各层次土体特性

3．3．2 抗冲性变化特征

3．3．3 土体理化特性对抗冲性的影响

3．3．4 土体力学特性对抗冲性的影响

3．3．5 小结

3．4 崩壁各层次土体侵蚀的水动力学特征

3．4．1 水动力学参数计算

3．4．2 产沙率与水动力学参数的关系

3．4．3 小结

4 结论与展望

4．1 主要结论

4．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文及其他成果