第一章 绪论

1.1 选题的背景、目的及意义

1.1.1 研究背景

随着我国经济建设的迅猛发展，各类开发建设项目急剧增加，开发建设过程中人为造成的水土流失现象十分严重[1]。尤其是矿山开采、工业企业建设、交通（公路、铁路）运输工程、水电工程建设及城镇建设等[2]，工程量大，建设周期长，在施工和生产运行中产生的大量弃土弃渣，如不采取合理的防护措施，裸露坡面遇到雨水冲刷将产生严重的水土流失。特别是坡长越长、坡度越陡，水土流失越严重[3]。生产建设中的弃土弃渣堆积体有其不同于原始下垫面的结构和性质。松散的工程堆积体结构上不稳定，从而使土体的抗蚀性降低，在降雨或径流冲刷中极易发生侵蚀。由于其松散堆积物的颗粒组成不一致，在水力和重力共同的作用下，时常发生不同程度的沉陷，并且伴随着坍塌、滑坡现象。国内有关试验观测资料表明：堆置不当、未作防护的弃土弃渣场，其总的流弃比可达 30%～60%，有时甚至占新增水土流失量 65%以上[4,5]。而新堆积的松散土体侵蚀模数高达 14000 ~18000 t/km2•a，达到强度和极强度侵蚀[1]。因此，弃土弃渣场是各类工程建设中水土流失最为严重的地方，是最为主要的水土流失策源地，并成为限制区域经济发展的最大环境问题之一。这已经引起了决策者、科研界和社会公众的普遍关注。为此，开展对开发建设项目引起的人为水土流失研究显得尤为重要与迫切。弃土弃渣场作为各类开发建设项目的附属工程，在设计和施工过程中通常得不到足够的重视[6]，特别是修建高速公路、铁路及水电站建设等，乱堆乱弃、弃而不管的现象比较普遍。在暴雨山洪的冲刷下很容易发生水土流失，甚至发生滑坡、崩塌、泥石泥等严重的环境灾害问题[7]。随着我国对基础建设力度的不断加大，据收集的资料表明：“十五”期间，我国生产建设项目扰动面积达到 5.53 万 km2，弃土弃渣量 92亿 t，每年新增的水土流失面积超过 1.5 万 km2，增加的水土流失量超过 3 亿 t。“十一五”期间，全国生产建设项目产生水土流失面积较“十五”增加 11.5%，弃土弃渣总量增加 8.7%。尽管我国围绕工程扰动水土流失问题进行了一定的研究工作，但针对弃土弃渣堆积体侵蚀过程机理、关键影响因子的响应机制和水土流失量测算预报等方面研究仍十分薄弱，难以对工程扰动水土流失进行准确预报和评估，无法科学地指导水保措施的合理配置，不能为决策者、执法者提供依据。因此，准确、快速测算其水土流失量具有重要的现实意义和迫切的社会需求。水土流失监测预报是实施开发建设项目水土保持监管的重要手段[8]。从国家需求和科学发展来看，开发建设项目必须制定水保方案，主要内容之一是对水土流失量进行预测，估算开发建设过程中破坏植被、扰动地面及堆置弃土弃渣情况下的侵蚀量。

目前国内水土流失预测的方法较多，包括同类工程实测资料类比法、地方经验方程计算法、监测小区实测法、人工模拟降雨小区试验法、专家估判法、航空照片资料判别法等[5]，方法各式各样，多为经验测算方法，各有一定的优缺点及适用范围，不具普遍性，预测精度较低，与生产实际的需求相差甚远。因此，制定统一测算方法，建立全国性各类工程弃土弃渣土壤侵蚀预报模型势在必行。从土壤侵蚀学科发展来看，工程开发建设人为水土流失有其独特的机理与特殊的规律，这是一个新的研究领域，情况复杂、研究难度很大、缺乏系统的试验研究，尚有许多新情况、新问题如过程机理、预测预报等有待深入研究，某些方面甚至还是空白，学术界已经深刻认识到其研究的必要性与科学价值[9]。因此，加强工程开发建设人为侵蚀产沙机理、新增水土流失量的系统研究，建立高精度、适用性广的开发建设土壤侵蚀预测预报模型，将对区域经济发展和生态环境建设具有重要的理论意义和应用价值。

1.1.2 研究的目的及意义

美国通用水土流失方程（USLE）相对简单且具有一定的精度，其较全面考虑了影响土壤侵蚀的各主要影响因素。在不断地应用和完善过程中，世界许多国家和地区在借鉴 USLE 的方法和思路基础上，结合本国土壤侵蚀的实际情况，通过对 USLE 中各影响因子进行修正，研发了适用于本国本地区的侵蚀预报模型。特别是 1.06 版RUSLE 模型已较成功地应用于开发建设项目水土流失量的计算，这对我国生产建设项目堆积体水蚀测算模型的建立提供有力理论和实际应用支持。因此，本研究以通用水土流失方程为基础，通过对各影响因子进行修订，以建立适用于我国生产建设项目堆积体的水蚀测算模型。本研究以黄土区工程堆积体为主要研究对象，采用室内人工模拟降雨的研究方法，应用土壤侵蚀学、水力学、水文学和泥沙运动力学等学科的理论与方法，探讨各类工程堆积体产流产沙规律，研究黄土区工程堆积体水土流失的坡度影响因子，阐明其水土流失量与坡度因子之间的定量关系，初步建立工程堆积体不同土石比水土流失量水蚀测算模型坡度参数的定值方法，探讨不同土石比情况下的水动力参数变化特征。为建设项目水保方案编制、防治措施布设及开展水土保持监督执法提供科学依据和技术支撑，丰富和完善水土保持学科内容。

第二章 研究内容与试验方法

2.1 研究目标及内容

2.1.1 研究目标

以美国通用土壤流失方程（USLE）为蓝本，通过室内人工模拟降雨试验，研究黄土区工程堆积体的产流、产沙规律及水动力学参数特征，阐明黄土区工程堆积体水土流失量与坡度因子之间的关系，揭示其侵蚀产沙机理。明确黄土区开发建设工程类型的坡度参数因子修订表达式及其定值方法。为生产建设项目水保方案编制水土流失量的准确测算提供科学的计算方法，也为生态环境整治与区域经济发展、国家监督执法和水土流失综合治理提供技术支撑和科学依据。野外不同地区、不同类型工程堆积体物质组成、结构、形态、地形因子等自然条件异常复杂，方便的水源和下垫面条件难以统一，且试验受天气（风、雨等）的影响也较为严重，很难保证下垫面条件的一致性和试验的可重现性。室内模拟降雨试验则能够保证试验条件的一致性和可重现性，同时试验结果具有理论分析基础和可比性，为进行科学分析和水蚀模型的建立提供了前提条件。因此试验采取室内人工模拟工程堆积体的办法，对水蚀测算模型的坡度因子进行研究。

第三章 黄土区工程堆积体径流产沙特征........17

3.1 石砾含量相同条件下的工程堆积体坡面........17

3.1.1 纯土体径流产沙特征.....17

3.1.2 石砾含量为 10%的土石体径流产沙特征....21

3.1.3 石砾含量为 20%的土石体径流产沙特征....26

3.1.4 石砾含量为 30%土石体径流产沙特征........29

3.2 降雨量相同条件下的工程堆积体坡面径流产沙特征.......33

3.3 坡度相同条件下的工程堆积体坡面径流产沙特征.....40

3.4 径流率与降雨量、坡度和石砾含量的关系....46

3.5 径流输沙率与降雨量、坡度和石砾含量的关系 ........47

3.6 小结......47

第四章 黄土区工程堆积体水动力参数特征与产沙的关系.....49

4.1 水动力学参数及计算公式.......49

4.2 径流剪切力与产沙的关系.......50

4.3 水流功率与产沙的关系.....54

4.4 单位水流功率与产沙的关系.........58

4.5 土壤剥蚀率与各影响因子之间的关系......62

4.6 小结......63

第五章 黄土区工程堆积体地形坡度因子 S 值修订....65

5.1 USLE/RULSE 模型中标准小区及坡度因子定义......65

5.2 本文标准小区的确定及坡度因子的定义........65

5.3 石砾含量相同条件下地形坡度因子试验数据 ......66

5.4 土石体类型地形坡度因子表达式建立......68

5.5 坡度因子 S 值查算表.........69

5.6 工程堆积体坡度因子简化转换关系式......70

5.7 小结......70

结论

（1）不同石砾含量条件下，径流率随时间表现为先增大后（3~6 min）在一定范围内呈现上下波动的稳定变化过程；径流含沙量随时间表现为（约 6~9 min 前）先急剧下降后呈现出不同程度的波动变化趋势。特别在大的降雨量和坡度条件下，径流率和径流含沙量多呈现出多峰多谷的剧烈波动状态。当坡度一定时，径流率和径流输沙率均随降雨量的增大而增大；当降雨量一定时，径流率基本上随坡度的增大而减小，径流输沙率随坡度的关系较复杂。不考虑坡度的影响，径流率、径流输沙率分别是降雨量的线性和指数函数。不考虑降雨量的影响，径流率、径流输沙率与坡度均无相关关系。径流率、径流输沙率与降雨量和坡度分别呈显著的复合线性和复合幂函数关系。径流输沙率与径流率之间的关系可以用指数函数来描述。

（2）不同降雨量条件下，不考虑石砾含量的影响，径流率均随坡度的增大而减小，不考虑坡度的影响，径流率与石砾含量无相关关系。径流率与坡度呈显著的线性函数关系，与坡度和石砾含量呈显著的复合线性函数关系。当降雨量为 45、90 和 112.5 mm 时，径流输沙率与坡度和石砾含量均呈显著的复合线性函数关系。当降雨量为 90 和 112.5mm 时，径流输沙率与石砾含量呈显著的指数函数关系。

（3）不同坡度条件下，当石砾含量一定时，径流率和输沙率均随降雨量的增大而增大；当降雨量一定时，径流率随石砾含量的增大表现为在某一均值附近上下波动，径流率与石砾含量之间的关系较复杂。不考虑石砾含量的影响，径流率、径流输沙率分别是降雨量的线性和指数函数。不考虑降雨量的影响，径流率、径流输沙率与石砾含量无相关关系。径流率、径流输沙率分别是降雨量和石砾含量的复合线性函数。径流输沙率均是径流率的指数函数。

（4）不考虑坡度和石砾含量的影响，径流率、径流输沙率分别与降雨量呈显著的线性和指数函数关系，决定系数均为 0.864。径流率、径流输沙率是降雨量、坡度和石砾含量的复合线性，决定系数分别为 0.954 和 0.686。

参考文献

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