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原文传递高寒地区水蚀发育机理及公路边坡水蚀生态防控技术研究

论文题名：	高寒地区水蚀发育机理及公路边坡水蚀生态防控技术研究
关键词：	青藏高原;公路建设;土壤侵蚀特征;水土流失;边坡生态防护
摘要：	青藏高原高寒地区土壤侵蚀防治和强化公路边坡生态防护对保护国家生态屏障和减少公路建设造成的水土流失具有十分重要的意义。本研究以青藏工程走廊带（青藏公路沿线两侧48km2范围）及青藏高原典型公路边坡为研究对象，综合运用GIS技术和137Cs核素示踪技术结合RUSLE模型，并采用野外调査和放水冲刷试验，研究了高寒地区水蚀发育规律和机理及其防控对策。通过研究，阐明了青藏工程走廊带的土壤侵蚀强度特征及其影响因素：揭示了寒区公路裸露边坡细沟发育过程及其产流产沙规律；分析了现有青藏高原公路边坡常见植物防护措施（三维网植草、铺草皮护坡）下的土壤侵蚀特征及其对侵蚀的调控机理；提出了寒区公路边坡生态防护对策；为青藏高原公路建设生态防护和生态修复提供科学依据，为高寒地区公路建设引发水土流失的防控提供合理技术，同时，为寒区复合侵蚀营力作用下土壤侵蚀预报模型的发展提供参考。本研究的主要结论如下：　　（1）阐明了青藏工程走廊带土壤侵蚀特征及其影响因素。青藏工程走廊带范围土壤侵蚀强度以微度和轻度为主，两种侵蚀强度占比大于60％，中度以下的侵蚀类型占78.94%。不同土地利用方式的137Cs含量差异显著，表明其土壤侵蚀强度差异显著，不同土地利用类型土壤侵蚀强度与137Cs含量的大小依次是林地＞草地＞耕地＞路侧裸地＞风沙地，草地土壤侵蚀强度与137Cs含量因草地的类型而呈现出较大的差异，排序为荒漠草原草地＞高寒草甸草地＞高寒草原草地。R值变化范围为16-2037.03MJmm/hm2-h·a，总体呈现由北向南递增的趋势；K值分布范围为0.13-0.83t·hm2·h/hm2·MJ·mm；LS值小于5的累积面积为46%；C值以安多为界，呈现两种不同的特征，安多往北的区域C值整体趋近1，安多往南的区域整体趋近0。R、K、LS、C、P值与A值的灰色关联度分别为：0.677、0.505、0.193、0.627、0.625。低覆盖的荒漠草原草地、高寒草原草地和风沙地及路侧裸地是走廊带内主要侵蚀发源地类。在青藏工程走廊开展建设工程活动中，LS＞15的区域为水土流失脆弱区应尽量减少扰动，提高植被覆盖度是控制该区水土流失的关键。　　（2）揭示了寒区公路裸露边坡细沟发育过程及其产流产沙规律。寒区公路水蚀发育的主要形式以片蚀-细沟-浅沟侵蚀过程为主，阳坡侵蚀沟发育和侵蚀程^高于阴坡。斜坡长10m边坡在1-3m和7-8m是其边坡细沟发育和分布的主要部位，也是侵蚀主要的发生部位和产沙的部位。边坡细沟的累积长度、细沟侵蚀平均深度随放水流量的增大而增大；坡面侵蚀沟宽度和深度伴随流量增大并渐趋平衡，细沟形成后坡面放水流量增大对侵蚀沟的影响逐步减弱。细沟平均宽度、深度、累积细沟长度和细沟侵蚀平均深度随斜坡长度的增加整体均呈现先增大后减小的趋势。寒区裸露坡面径流量随着冲刷历时的延长而增大，其波动变化程度与冲刷流量呈显著的正相关；裸坡产沙量与放水流量呈正比，坡面产沙波动呈现多峰多谷的特点，产沙过程较产流过程波动更为强烈。裸坡的产沙量与径流量之间的倍率关系无较好的相关性，随着冲刷历时的延长，坡面侵蚀含沙量逐渐减小。裸坡累积径流量与累积产沙量的关系均满足幂函数关系。　　（3）分析了现有高寒高海拔地区公路边坡常见植物防护措施（三维网植草、铺草皮护坡）的土壤侵蚀产流产沙特征和防护效果，并建立了青藏高原地区三维网植草措施坡面土壤侵蚀预报模型。植被覆盖可以有效坡面减少径流和泥沙量，坡面径流量与植被覆盖度呈显著负相关关系，不同冲刷流量和植被盖度配置具有控制土壤侵蚀的效果不同；裸坡产沙是覆盖度为37%和74%的植草护坡产沙的9和13倍，三维网植草护坡措施在边坡植被覆盖率达到37%时相比裸坡减沙92.6-95.4%，可有效控制坡面土壤侵蚀。本试验条件下，在放水流量为3.0L/min时，铺草皮的防护效果低于三维网植草护坡。当放水流量增加达到8.0L/min时，铺草皮的防护效果要优于三维网植草措施。三维网措施对产沙的调控能力要优于铺草皮措施，对产流的调控能力要小于铺草皮措施。在非全覆盖条件下，不同植物措施及格局搭配综合防护效果表现为三维网植草护坡优于部分铺草皮护坡；部分铺草皮护坡中草皮位于坡中下部效果优于草皮位于顶部。高寒高海拔地区公路边坡生态防护措施减蚀作用主要体现于对坡面组成物质中的粗颗粒的拦蓄。　　（4）揭示了不同植物措施对坡面水蚀的调控机制。寒区坡面径流侵蚀剥蚀率与径流剪切力、径流功率、过水断面单位流量呈良好的关系，单位水流功率更好用于计算径流产沙量。公路裸坡临界径流剪切力为1.09Pa，土壤可蚀性参数为1.1×10-3s/m，临界水流功率为0.68Pa，土壤可蚀性参数为7.3×10-3s2/m2，细沟侵蚀的临界过水断面单位能量为0.19cm。土壤侵蚀剥蚀率与单位径流功率呈二次函数关系，与侵蚀动能呈对数函数关系。利用灰色关联分析得出各因子与侵蚀产沙关联程度排序为，对于水动力学参数：阻力系数＞雷诺数＞佛汝德数；对于侵蚀侵蚀动力学参数：单位径流功率＞径流功率＞径流动能＞过水断面单位能量。　　植草和草皮护坡具有分散削减侵蚀和防控土壤侵蚀功能。植草防护坡面径流雷诺数和佛汝德数随着覆盖度增大而变小，阻力系数随着草地盖度的增大而减小，单位水流功率和径流动能随着覆盖度的增加呈指数函数减少。不同防护措施条件下，铺草皮护坡和三维网植草护坡单位径流功率较裸坡有所减少，且其减少比例接近。试验设计三种草皮格局护坡，从坡面流态调控效果而言全铺草皮＞中部铺草皮＞上部铺草皮，对比单位径流功率，全铺草皮＜中部铺草皮＜上部铺草皮。　　（5）提出了寒区公路边坡生态防护对策。对青藏工程走廊带公路水土保持选线的界定标准、边坡防护分类及策略、施工工艺进行了系统论述，提出了寒区边坡控制水土流失的新型草皮骨架综合护坡技术，寒区植被建设草种选择应优先将青藏高原本地物种筛选、驯化、开发利用。
作者：	胡林
专业：	水文学及水资源
导师：	李占斌;靳长兴
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文