人工降雨條件下谷子地留茬水土保持效應(yīng)

以黃土高原為例,從坡面和小流域土地利用與土壤侵蝕、土地利用和景觀工程對徑流變化的影響、土地利用和景觀工程對泥沙變化的影響、土地可持續(xù)利用綜合評價等方面來揭示土地利用和景觀工程的水土保持效應(yīng)。研究表明:黃土高原區(qū)域產(chǎn)水和侵蝕都顯著減少,這是長期政策調(diào)整和區(qū)域轉(zhuǎn)型發(fā)展的結(jié)果,壩庫、梯田等工程措施是70年代至90年代黃土高原產(chǎn)沙減少的主要原因,占54%。實(shí)施退耕還林政策以來,黃土高原成為黃河流域植被恢復(fù)最顯著區(qū)域,平均植被覆蓋率從1978年25%增加至1998年29%,2010年達(dá)到46%。2000年以來林草植被措施成為土壤保持的主要貢獻(xiàn)者,占57%。黃土高原地區(qū)土地利用變化與土壤保持、碳固定具有正效應(yīng),與產(chǎn)水量具有負(fù)效應(yīng),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的消長和權(quán)衡具有尺度依賴性,植被恢復(fù)需要與區(qū)域環(huán)境條件和水分的生態(tài)承載力相適應(yīng)、特別是隨著壩庫等工程措施攔沙能力的逐漸下降,維持一個可持續(xù)的植被生態(tài)系統(tǒng)對輸沙量具有更加重要的作用。因此,黃河水沙管理需要從黃土高原小流域綜合治理轉(zhuǎn)向全流域整體協(xié)調(diào)。

降雨入滲條件下公路邊坡滲流數(shù)值分析——本文針對在降雨條件下的邊坡失穩(wěn)問題，研究了降雨人滲情況下邊坡內(nèi)非飽和滲流場的變化以及滲流場的變化對邊坡失穩(wěn)的影響機(jī)理，結(jié)合廣東省梅河高速公路邊坡實(shí)例，進(jìn)行了邊坡內(nèi)滲流場數(shù)值模擬，得出了有意義的結(jié)論。

介紹了滲流與應(yīng)力耦合的基本原理,以及邊坡降雨入滲的過程。根據(jù)工程地質(zhì)條件及巖土的特性建立邊坡數(shù)值模型,運(yùn)用abaqus進(jìn)行降雨條件下的有限元分析,觀察邊坡土體孔壓場、位移場等的變化規(guī)律.最后對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

透水混凝土作為一種環(huán)境友好型道路鋪裝材料在城市道路中得到了廣泛應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)新型滲透性檢測試驗(yàn)裝置,提出模擬降雨條件檢測不同降雨條件下透水混凝土滲透性試驗(yàn)方法,探討不同降雨條件對透水混凝土滲透性能的影響。研究表明:(1)新設(shè)計(jì)的滲透性檢測裝置能準(zhǔn)確反映透水混凝土工作狀態(tài);(2)模擬降雨法與常水頭法相比,測得的滲透系數(shù)均較小一些,并有隨孔隙率的增加,兩者差值增大的趨勢。

我國現(xiàn)代化建設(shè)條件逐漸優(yōu)越,涉及電力工程布施狀況的改良工作也開始大面積進(jìn)行。研究活動中透過對工程組成模式、占地面積、細(xì)致施工工藝等進(jìn)行細(xì)化分析,將工程控制環(huán)節(jié)中衍生的水土流失問題提煉完全。根據(jù)過往電力項(xiàng)目開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)分析,設(shè)計(jì)人員決定深入工程環(huán)境內(nèi)部,將項(xiàng)目水土維持條件和緩和措施進(jìn)行系統(tǒng)制定,希望為后期水土保持活動中的準(zhǔn)入條件提供更多可滲透路徑,維持先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展效應(yīng),進(jìn)一步滿足人們的用電生活需求。

為了進(jìn)行水土保持生物措施的合理配置,因地制宜地治理貴州喀斯特地區(qū)的水土流失,通過野外徑流小區(qū)觀測試驗(yàn),對貴州喀斯特地區(qū)不同生物措施的水土保持效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,各種生物措施的水土保持效果為經(jīng)濟(jì)林>人工草地>水保林,其中,經(jīng)濟(jì)林措施中梨樹>桃樹>板栗,人工草地措施中黑麥草>白三葉,水保林措施中楊樹與墨西哥柏混交林>墨西哥柏>楊樹。與撂荒坡耕地相比,經(jīng)濟(jì)林(梨樹)的保土效果和保水效果均比較好,而香樟、柏樹、馬尾松等水保林在坡度較陡時不具備保水效果。

依據(jù)1984—2004年的統(tǒng)計(jì)與調(diào)查資料,對水土流失比較嚴(yán)重的南鄭縣水土保持投資來源和使用方向進(jìn)行的分析表明,該區(qū)水土保持投資總體呈上升趨勢,說明水土保持事業(yè)越來越被重視。對南鄭縣的水土保持綜合效益進(jìn)行的評價結(jié)果表明:治理后比治理前溝道徑流量、侵蝕量明顯減少,植被覆蓋度增加,生態(tài)環(huán)境改善,當(dāng)?shù)鼐用裆钏揭搽S之提高。

為了探索沿海新墾區(qū)土壤快速脫鹽的途徑,設(shè)計(jì)了3種間距(10m、15m、20m)和3種埋深(0.6m、0.9m、1.2m)的暗管排水組合處理,在灌水洗鹽和降雨洗鹽2種方式下,開展了暗管排水效果以及排水含鹽量變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:埋深相同,暗管間距越小,排水量占灌(降)水量的比例越大,地下水降落速度也越快;間距相同,暗管埋深越大,排水量占灌(降)水量的比例越大,地下水降落速度也越快;暗管埋深對暗管初始排水的鹽度、電導(dǎo)率也有一定的影響,間距相同,暗管埋深越大,初始排水的鹽度、電導(dǎo)率也越大。該研究為江蘇沿海灘涂新墾區(qū)利用暗管排水技術(shù)改良鹽漬土提供了支撐。

通過人工模擬降雨,利用蒸滲儀、tdr(時域反射儀)和翻斗式自計(jì)流量測定儀,對石子和秸稈覆蓋條件下的土壤水分動態(tài)變化、地下滲流過程進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測,并對不同下墊面條件下水量轉(zhuǎn)化的變異特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:(1)不同下墊面條件下土壤表層的水分變異不大,而土壤深層的水分變異較大,這主要是由于覆蓋降低了雨滴對土壤表層結(jié)構(gòu)的破壞程度,以及石子在地表構(gòu)建了許多個微型攔水壩,從而促進(jìn)了土壤水分的快速下滲;(2)覆蓋具有增加地下滲流的效果,特別是坡地上覆蓋小石子在防止土壤侵蝕,增加地下滲流方面效果最為顯著,地下滲流系數(shù)達(dá)到了37.44%;(3)小石子覆蓋有利于山地降水資源的高效轉(zhuǎn)化利用,其中在水平地上進(jìn)行覆蓋處理有助于降水資源的就地利用,而在“上覆土壤、下伏巖石”為結(jié)構(gòu)特征的坡地上進(jìn)行覆蓋處理有助于坡地巖土界面滲流的產(chǎn)生,而從提高降水資源的異地利用率。

降雨是導(dǎo)致排土場邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因之一,因此研究降雨對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律尤為重要.研究以某露天金屬礦老嶺排土場為例,結(jié)合二維有限元軟件geostudio的seep/w模塊和slope/w模塊,對比分析不同降雨條件下對金屬礦排土場邊坡滲流以及穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明降雨對老嶺排土場邊坡滲流場影響較大,可以明顯降低邊坡穩(wěn)定性,坡腳區(qū)域受降雨的影響時間最長,因此降雨條件下誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)破壞大部分發(fā)生在邊坡坡腳處,可以為類似金屬礦排土場的安全生產(chǎn)提供參考.

大量研究表明,主要且直接誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因數(shù)是降雨,雨水入滲對非飽和土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響最大.分析非飽和黏土邊坡基質(zhì)吸力和滲流場影響,采用有限元軟件flacm建立非飽和黏土邊坡的數(shù)值模型,研究計(jì)算在降雨強(qiáng)度不同條件下,降雨時間相同和降雨總量相同這兩種情況對邊坡穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明:非飽和黏土邊坡內(nèi)部的剪應(yīng)變增量隨降雨強(qiáng)度的變大而增大,邊坡的位移也和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,降雨強(qiáng)度越大越容易造成黏土邊坡表層失穩(wěn).

在西北地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)工程建設(shè),遇到了大量的多級黃土高邊坡工程。邊坡工程屬于永久性工程,難免遇到降雨?duì)顩r。降雨入滲會引起邊坡土體飽和度與土體重度的變化,進(jìn)而導(dǎo)致邊坡體基質(zhì)吸力與有效應(yīng)力場的變化,使邊坡的穩(wěn)定性受到較大的影響。本文通過考慮邊坡體不同深度處基質(zhì)吸力隨雨水入滲的變化情況,建立了滲流場與應(yīng)力場的耦合計(jì)算模型,對降雨入滲條件下多級黃土高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。最后,依托實(shí)際邊坡工程,利用plaxis3d巖土有限元軟件,建立邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型,通過設(shè)置降雨量隨時間的變化函數(shù)與滲流邊界條件,進(jìn)行降雨入滲條件下多級黃土高邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算,并與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得到多級黃土高邊坡在降雨入滲條件下的變形、基質(zhì)吸力、有效應(yīng)力、潛在滑移面以及安全系數(shù)的變化情況,從而對降雨入滲影響下多級黃土高邊坡的穩(wěn)定性做出分析。研究結(jié)果可為降雨入滲條件下多級黃土高邊坡的穩(wěn)定性的研究提供一定的指導(dǎo)作用。

為了研究土壤生物工程措施在護(hù)坡中水土保持作用,選擇北京郊區(qū)琉璃河河段裸露岸坡作為研究對象,針對坡面存在著濺蝕、面蝕、溝蝕等土壤侵蝕現(xiàn)象,采用扦插、灌叢墊和梢捆3種土壤生物工程措施,每種措施分別栽種毛柳和金絲柳進(jìn)行邊坡治理。分別對施工后1個月、4個月后植物的生長特征進(jìn)行調(diào)查觀測。同時,對施工后4個月的3種土壤生物工程措施通過人工模擬降雨觀測其削減地表徑流和泥沙含量。測定岸坡施工前后坡形的變化。結(jié)果表明:兩種柳樹生長狀態(tài)良好,適宜用做土壤生物工程材料;削減地表徑流的能力梢捆最強(qiáng),扦插次之,灌叢墊最弱;泥沙含量梢捆最小,灌叢墊次之,扦插最大;對邊坡坡形的影響:梢捆有縮短邊坡坡長,使坡面形成復(fù)式斷面,灌叢墊和扦插不能改造坡形。土壤生物工程對邊坡可以起到保持水土,在一定程度上改變坡形,減輕徑流和雨滴的侵蝕作用,有利于邊坡保持穩(wěn)定。

人工模擬降雨條件下,在大田設(shè)置地膜覆蓋(pm)、4種秸稈覆蓋量(覆蓋量分別為1500,4500,7500,10500kg/hm2,即sm15、sm45、sm75和sm105),同時設(shè)置無覆蓋處理作為對照(ck),研究不同覆蓋方式對雨后冬小麥棵間蒸發(fā)量、土壤剖面水分和降雨土壤蓄積量的影響。結(jié)果表明:各處理雨后冬小麥逐日棵間土壤蒸發(fā)累積量和日變化有相同變化趨勢;同一時間段內(nèi)不同覆蓋處理的土壤蒸發(fā)差異明顯,各生育階段土壤累積蒸發(fā)量和日蒸發(fā)量均表現(xiàn)為sm105sm75>sm45>sm15>ck>pm;受植株冠層降雨截留量增大的影響,冬小麥拔節(jié)期后各處理的土壤含水量和降雨土壤蓄積量明顯低于拔節(jié)期前的。研究結(jié)果可為提高冬小麥農(nóng)田自然降水的利用率,促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

高山蔬菜坡耕地溝廂改造是高山蔬菜生態(tài)栽培技術(shù)的重要組成部分,已被證明能夠有效緩解坡耕地水土流失,促進(jìn)高山蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。以鄂西高山蔬菜主產(chǎn)區(qū)坡耕地為對象,研究了自然降雨條件下高山菜田10種溝廂改造措施對兩種坡度的坡耕地水土流失的防治效果。結(jié)果表明,在30°和15°坡度的高山菜田坡耕地上,設(shè)溝畦和開挖導(dǎo)流溝的耕作措施能夠明顯減少地表徑流量和土壤流失量,且抑制效果與坡度呈正相關(guān)。直畦+導(dǎo)流溝、斜畦+導(dǎo)流溝措施與無導(dǎo)流溝方式相比可分別減少21%和15%的徑流,36%和43%的泥沙,直畦+導(dǎo)流溝抑制地表徑流效果較好,斜畦+導(dǎo)流溝對泥沙的抑制效果更佳,但陡坡地耕作仍有較高的水土流失風(fēng)險。

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,我國交通事業(yè)發(fā)展迅速,高速公路工程數(shù)量逐年增多,有效提高我國公路交通能力的同時,相應(yīng)提高了對于高速公路生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用科學(xué)性和實(shí)效性的實(shí)際要求。就現(xiàn)代高速公路工程而言,生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用占據(jù)重要地位,直接影響著高速公路工程最終的美觀效果、邊坡穩(wěn)定性以及邊坡水土保持能力。但就國內(nèi)高速公路工程的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀來看,其尚未形成系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用體系,限制著該項(xiàng)技術(shù)的良性發(fā)展。筆者即從高速公路生態(tài)護(hù)坡入手,就現(xiàn)有的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)及其水土保持作用機(jī)理,發(fā)表幾點(diǎn)看法,以供相關(guān)單位參考。

高速公路因其地理上的特殊性和功能上的重要性,對自然環(huán)境的要求比一般公路要高,常?？梢娫诟咚俟犯叨高吰律显苑N有大量草木植被,目的就是為了覆蓋坡面以鞏固地形、抑制邊坡侵蝕以控制坡面溝蝕,從而保證水土流失現(xiàn)象得到改善。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的效果很明顯,雨量越大其土壤流失量越小,本文以項(xiàng)目研究的方式對其進(jìn)行實(shí)地分析,探究高速公路生態(tài)護(hù)坡技術(shù)對水土保持效應(yīng)的影響方式和結(jié)果。

對高速公路生態(tài)護(hù)坡工程開展試驗(yàn)觀測,研究探討生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的水土保持效應(yīng)。結(jié)果表明,在高速公路高陡邊坡上采用生態(tài)護(hù)坡技術(shù)建植草本植被,在短期內(nèi)可完全覆蓋坡面,水土保持效果顯著,可抑制邊坡侵蝕的發(fā)育,有效控制坡面溝蝕的發(fā)生,在中雨到暴雨的情況下,邊坡徑流系數(shù)在15.97%以下,土壤流失量極小。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的水土保持機(jī)理主要與草本植被對降雨的截留、雨滴能量的削減、坡面徑流的抑制、根系的錨固與加筋作用,以及生態(tài)護(hù)坡技術(shù)本身的工藝特性有關(guān)。

以陜西水源區(qū)為對象,運(yùn)用因子分析法和專家咨詢法從基礎(chǔ)效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益4個方面構(gòu)建了水土保持效益評價體系,并基于改進(jìn)的層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重,運(yùn)用模糊綜合評價法衡量了水土保持項(xiàng)目效果。結(jié)果表明:總體來看,水土保持項(xiàng)目改善了陜西水源區(qū)整體質(zhì)量,但在不同效益之間存在差異?；A(chǔ)效益方面表現(xiàn)最優(yōu),治理度、土地利用率、道路硬化率等有大幅提升;生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益方面表現(xiàn)次之,森林覆蓋率、環(huán)境質(zhì)量提高率和資金產(chǎn)投比等提升不夠明顯;經(jīng)濟(jì)和社會效益還有很大發(fā)展空間,項(xiàng)目對受教育程度、農(nóng)產(chǎn)品商品率等拉動不足。該研究為南水北調(diào)工程水土保持項(xiàng)目的進(jìn)一步實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)。

針對安太堡露天礦西北幫高陡邊坡,介紹了邊坡的工程背景和滑坡現(xiàn)狀。結(jié)合工程地質(zhì)、氣象條件等資料,分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理,并使用slide軟件將潛在危險滑體分為50個條塊,采用路徑搜索方法對強(qiáng)降雨邊坡在飽水和排水條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明:邊坡降雨飽水條件下的穩(wěn)定系數(shù)約為0.841,且最危險的滑動面位于邊坡上部,穿過上層填土和粉土,而邊坡在排水條件下的穩(wěn)定性為1.010,最危險滑動面仍然位于邊坡上部,但滑動區(qū)域相比飽水條件下明顯減小,滑動面也隨之減小。

在人為擾動、地震、降雨等因素中,降雨是滑坡主要的誘發(fā)因素。以玉溪新平大戛高速公路邊坡為研究工點(diǎn),結(jié)合地質(zhì)勘測、鉆探、物探、現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、資料收集等數(shù)據(jù),采用無限斜坡模型、瑞典條分法及極限平衡法計(jì)算分析降雨條件下斜坡的流向流量及其穩(wěn)定系數(shù),研究斜坡開挖前后的穩(wěn)定性及預(yù)測水流沖刷嚴(yán)重的區(qū)域。結(jié)果表明:開挖前在水位高度等于土層厚度的極限飽和工況下,斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；開挖后按1:1.75的坡比,斜坡亦處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以坡體開挖施工是安全的,但需做好坡面排水及防護(hù)工作。

大多數(shù)滑坡都發(fā)生在降雨期間或降雨之后.基于有限元方法與傳統(tǒng)的極限平衡法相結(jié)合的滑面應(yīng)力法進(jìn)行二維邊坡穩(wěn)定性分析,研究了降雨強(qiáng)度、持時和雨型對邊坡穩(wěn)定性的影響.并以可靠性理論為基礎(chǔ),研究了土體抗剪強(qiáng)度不確定性對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響.分析結(jié)果與重慶地區(qū)的降雨滑坡的案例統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律一致.