黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀特征及植物路防蚀机理研究
Experimental Study on Hydrodynamic Characteristics of Earth Road Erosion and the Mechanism of Plant-covered Road Reducing the Road Erosion on the Loess Plateau
沟坡道路侵蚀是黄土高塬沟壑区普遍存在、侵蚀程度较高的一种侵蚀类型.它切断了原来的水流路线,汇集了塬面、农田、村庄、农舍产生的大量径流,加之道路路面产流效率极高,径流冲刷异常严重,常常使土质路面变得沟蚀交错、泥泞不堪,甚至被冲毁冲断,其水土流失明显高于非道路区.目前把广大沟坡生产型土质道路变成柏油路面或煤渣石子路面是不现实的.实践证明,植物路是解决这一问题最经济、最有效的途径.因此,本研究以黄土高塬沟壑区植物路和土质路为研究对象,采用野外放水试验研究方法,研究黄土高塬沟壑区道路侵蚀产沙过程、水动力学特性及侵蚀输沙规律,揭示地形坡度、流量、下垫面类型等因素与侵蚀产沙及水动力参数之间的关系,对比分析植物路和土质路的水动力学差异特征,揭示道路侵蚀的植物防蚀机理,为建立高塬沟壑区道路植物防蚀体系提供定量评价参数和科学依据,为该地区农业生产、水保规划和生态建设服务.得出以下主要结论:(1)植物路和土质路产沙率与水流含沙量随时间变化均为试验初期数值最大,之后迅速下降,在10min左右趋于平缓.产沙率和水流含沙量均随道路坡度及放水流量增大而增大.同一坡度不同放水流量下,植物路和土质路的产沙率均随时间变化呈负对数关系.不同放水流量下土质路产沙率与坡度呈对数关系,植物路产沙率与坡度呈指数关系.(2)植物路和土质路水流流速大约在5min时增大至最高值,10min后流速降低,逐渐趋于平缓.土质道路相同流量下,径流流速随坡度呈一直线状,而植物路增大趋势较缓,表明植被的存在能够很好地限制坡度增大对径流流速的影响.(3)植物路和土质路水流雷诺数分别在938.7-8049.4、1205.3-15277.4之间变化.在一定坡度不同流量条件下,道路坡面径流弗汝德数随径流历时增长而减小.土质路坡面水流弗汝德数值在0.54-2.44之间,平均值为1.09.植物路坡面水流弗汝德数值在0.58-1.12之间,平均值为0.75.(4)在同坡度同流量条件下植物路较土质路,输沙量减少率为48.35%-85.31%, 9°坡度时,减沙率最大;植物路径流含沙量减少率在33.09%-83.08%之间.(5)植物路和土质路水流剪切力、水流功率、单宽能耗随时间均呈增大趋势.同坡度与流量下,植物路水流剪切力和水流功率比土质路要小,植物路单宽能耗比土质路大,从水动力学角度揭示了植物路有效防蚀的机制.(6)植物路和土质路土壤剥蚀率与各水动力学参数均呈线性关系,且存在侵蚀临界值.植物路和土质路的侵蚀临界剪切力、临界水流功率、临界单宽能耗分别为:2.44Pa、3.36Pa;0.26 N/(m·s)、0.45 N/(m·s);2.99 g/(m2·s)、3.48 g/(m2·s).
- 作者：
- 王浩
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 土壤学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2010年
- 导师姓名：
- 王文龙
- 中图分类号：
- S157.1
- 关键词：
- 黄土高塬沟壑区；剥蚀率；临界水动力条件；放水冲刷试验；土质路；植物路
- the Loess Plateau；soil detachment rate；critical hydrodynamic parameters；scouring experiment；earth road；plant-covered road
- 基金项目：
- 国家科技支撑