产生项目弃土堆置体下垫面概化与水土流失特征研究--毕业设计.doc

132013届攻读硕士学位研究生学位（毕业）论文生产建设项目弃土堆置体下垫面概化与水土流失特征研究学科专业 地图学与地理信息系统 研究方向 资源环境监测与评价 Classification code: S157.1 University code: 10712UDC: 631.4 Postgraduate number: 2010050239Confidentiality level: Public Thesis for Masters DegreeNorthwest A&F University in 2013 THE STUDY ON GENERALIZATION UNDERLYING SURFACE AND SOIL EROSION CHARACTERISTIC OF THE SPOILBANK IN CONSTRUCTION PROJECT Major: Cartography and Geographical Information system Research field: Resources environment Monitoring and evaluation Name of Postgraduate: Zhao Xuan Adviser: Prof. Xie Yongsheng Date of submission: May, 2013Yangling Shaanxi China本论文受水利部公益性行业科研专项经费项目“生产建设项目水土流失测算共性技术研究”项目（201001036）、水利部公益性行业科研专项经费项目“工程开挖面与堆积体水土流失测算技术研究”项目（201201048）资助完成。特此感谢！研究生学位（毕业）论文的独创性声明本人声明：所呈交的硕士学位（毕业）论文是我个人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究结果；论文中的研究数据及结果的获得完全符合学校关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定,如果违反此规定，一切后果与法律责任均由本人承担。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北农林科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间： 年 月 日导师指导研究生学位（毕业）论文的承诺本人承诺：我的硕士研究生 所呈交的硕士学位（毕业）论文是在我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职务工作的结果，并严格按照学校关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定而获得的研究结果。如果违反学校关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定，我愿接受按学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。导师签名： 时间： 年 月 日关于研究生学位（毕业）论文使用授权的说明本学位（毕业）论文的知识产权归属西北农林科技大学。本人同意西北农林科技大学保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；同意西北农林科技大学将本学位（毕业）论文的全部或部分内容授权汇编录入中国优秀硕士学位论文全文数据库进行出版，并享受相关权益。本人保证，在毕业离开（或者工作调离）西北农林科技大学后，发表或者使用本学位（毕业）论文及其相关的工作成果时，将以西北农林科技大学为第一署名单位，否则，愿意按中华人民共和国著作权法等有关规定接受处理并承担法律责任。任何收存和保管本论文各种版本的其他单位和个人(包括研究生本人)未经本论文作者的导师同意，不得有对本论文进行复制、修改、发行、出租、改编等侵犯著作权的行为，否则，按违背中华人民共和国著作权法等有关规定处理并追究法律责任。（保密的学位论文在保密期限内，不得以任何方式发表、借阅、复印、缩印或扫描复制手段保存、汇编论文）研究生签名： 时间：年月日导 师 签名： 时间：年月日生产建设项目弃土堆置体下垫面概化与水土流失特征研究摘 要随着我国社会经济的迅速发展，综合国力不断增强，水利水电工程、矿产资源开发工程、公路铁路交通运输工程、输油输气工程、工业与民用建筑工程等各类生产建设项目星罗棋布，工程建设规模大、数量多。生产建设项目不仅对原生下垫面造成破坏、扰动，而且在工程建设过程中由于受挖填方的施工时段、材料质量、标段划分、运输距离等诸多因素的影响，不可避免地产生大量的弃土弃渣，由此产生的水土流失强度高、范围广、危害大，严重危及人类赖以生存的水土资源和自然环境， 给社会发展、生态安全以及人民群众的生产生活带来威胁。然而生产建设项目工程扰动下垫面与原生下垫面条件的水土流失存在明显差异，表现出与传统原生下垫面条件不同的水土流失内在机制与外部特征，造成的人为水土流失危害已得到全社会和各级政府的广泛重视和关注。本文以各类型生产建设项目人为弃土堆置体为主要研究对象，依据中国主要水蚀类型区，并结合生产建设项目分布情况，以平原、丘陵、土石山区三大地貌类型为基础的地貌分类框架，以黄土、黑土、褐土、棕黄壤、红壤等为基础的土壤类型分类框架，采取路线调查与典型调查方式，对分布于六个典型类型区（东北平原区、黄淮海平原区、关中平原区、秦巴山区、江西红壤丘陵区、贵州土石山区）的各类点式工程、线式工程产生的人为弃土堆置体进行现场调查研究。针对弃土堆置体的多样性和复杂性，探究不同地形地貌区各类生产建设项目弃土堆置体在堆置类型、下垫面物质组成、坡形因子等方面的共性。根据堆置体的堆置方法和堆置形态概化总结生产建设项目弃土堆置体分类体系；运用经典统计学有关原理确定室内试验下垫面仿真模型标准化参数；采用室内模拟降雨方法对抽象概化出的不同弃土堆置类型仿真模拟下垫面进行试验研究。为进一步揭示生产建设项目人为弃土堆置体水土流失特征，探求弃土堆置体水土流失测算模型以及弃土堆置体水土流失防治途径提供依据，具有重要的科学意义和实际应用价值。主要得出以下结论：（1）生产建设项目弃土堆置体依据弃土的堆置方法和堆置形态可将弃土堆置体抽象概化为散乱锥状堆置、依坡倾倒堆置、分层碾压坡顶散乱堆置、线型垅岗式堆置、坡顶平台有车辆碾压的倾倒堆置5类人为堆置微地貌。（2）结合室内试验运用经典统计学有关原理对弃土堆置体的坡面物质组成进行统计分析。结果表明：秦巴山区、贵州土石山区生产建设项目弃土堆置体在不同坡面位置上，D10 mm的块石和土壤结构体含量均明显大于其它调研区域，而各坡位D10 mm的小粒石与固结土块、粗粒土、中粒土含量均小于其它调研区域，表明秦巴山区、贵州土石山区的弃土堆置体坡面粗粒物质比重大于东北平原区、黄淮海平原区、关中平原区、江西红壤丘陵区的弃土堆置体。六大研究区弃土堆置体坡面D10 mm的块石和土壤结构体重力分选作用明显，小粒石与固结土块、粗粒土、中粒土、细粒土在不同坡位的含量数据变化较小且无明显规律；因此在室内进行下垫面仿真模拟设计时，对D10 mm的坡面组成物质可不考虑坡面位置的差异性。（3）结合室内试验运用经典统计学有关原理对弃土堆置体的坡形因子进行统计分析。结果表明：东北平原区、黄淮海平原区、关中平原区、秦巴山区、江西红壤丘陵区、贵州土石山区弃土堆置体坡度多集中在26 35之间，贡献率分别为61.4%、88.2%、90.2%、88.8%、70.8%、75.4%。东北平原区、黄淮海平原区、关中平原区、秦巴山区、江西红壤丘陵区弃土堆置体坡长多集中在2 8 m之间，贡献率分别为82.5%、90%、100.0%、79.4%、70.5%；贵州土石山区坡长大于5 m的弃土堆置体贡献率达80%。因此，在室内进行下垫面仿真模拟设计时应根据研究区差异重点对上述坡度坡长范围进行试验测试。（4）采用室内模拟降雨方法对不同类型弃土堆置体进行试验研究。结果表明：各类型弃土堆置体的入渗率、径流含沙量随降雨时间波动式减小，径流率随降雨时间波动式增大，侵蚀速率随降雨时间呈平缓型、多峰型2种变化趋势。产流时间与降雨强度呈负幂函数关系，平均入渗率、平均径流率、平均侵蚀速率与降雨强度呈线型关系，平均径流含沙量与降雨强度呈指数函数关系，总产沙量与总径流量呈线型关系。坡顶平台有车辆碾压的倾倒堆置表现出异于其它堆置类型的径流产沙特征，该堆置类型在全部设计降雨强度条件下产流时间最短、平均入渗率最低；当降雨强度从1.5 mm/min提高到2.0 mm/min时，总产沙量增大2.58倍，在降雨强度为2.0、2.5 mm/min情况下，平均径流含沙量、平均侵蚀速率均明显大于其它堆置类型且差异达到显著水平（P10mm) at different position of spoilbank slopes in Qinba mountain area and mountain area of Guizhou were greater than spoilbank in other study region; The percentages of gravel and consolidated soil, coarse-grained soil, medium soil (particle diameter10mm) at different position of spoilbank slopes were less than spoilbank in other study region, indicate the share of coarse-grained material at different position of spoilbank slopes in Qinba mountain area and mountain area of Guizhou were greater than spoilbank in Dongbei plain, Huanghuaihai plain, Guanzhong plain and the red soil hilly region of Jiangxi.The percentages of fine-grained soil in six study regions were all less than 3%; Stones and soil aggregates gravity separation effects were obvious in six study regions, the percentages of gravel and consolidated soil, coarse-grained soil, medium soil, fine-grained soil at different position of spoilbank slopes didnt obviously change; Therefore, percentages of material (particle diameter10mm) at different position of spoilbank slopes cant be considered during the design of the spoil underlying surface for laboratory rainfall simulation. (3) Based on the results of laboratory tests, the theory of statistica was applied to analyze shape factors of slope. The results showed as follows: The gradient of spoilbank were between 26 and 35 in Dongbei plain, Huanghuaihai plain, Guanzhong plain, Qinba mountain area, red soil hilly region of Jiangxi, mountain area of Guizhou, with contribution rate 61.4%, 88.2%, 90.2%, 88.8%, 70.8%, 75.4% respectively.The slope length of spoilbank were between 2m and 8m in Dongbei plain, Huanghuaihai plain, Guanzhong plain, Qinba mountain area, red soil hilly region of Jiangxi, with contribution rate 82.5%, 90%, 100.0%, 79.4%, 70.5% respectively; The slope length of spoilbank were longer than 8m in mountain area of Guizhou with contribution rate 80.0%. Therefore, intervalsof gradient and length were mainly considered during design experiment of the spoilbank underlying surface in laboratory rainfall simulation.(4) The soil erosion and sediment yield process of different types were simulated in inner-door rainfall experimental condition. The results showed as follows: The infiltration rate and sediment concentration of all spoilbanks decreased in a fluctuating tendency with the rainfalls time, while the runoff rate increased in a fluctuating tendency with the rainfalls time, the variation of erosion sediment and transport rate appeared in two types with the rainfalls time, which were smooth and multimodal distribution.Runoff generation time had negative exponent relation to rainfall intensity, average infiltration rate. rainfall intensity had linear function of average runoff rate, average erosion sediment and transport rate respectively, average sediment concentration had exponent relation to rainfall intensity, while total sediment yield and runoff volume accorded with linear correlation.The type of rolling compaction by construction machinery at the top of slope showed different characteristics of runoff and sediment yield from other types, which had the shortest runoff generation time and lowest average infiltration rate in all design condition of rainfall intensity; The total sediment yield increased 2.58 times with rainfall intensities increasing from 1.5 to 2.0 mm/min. Under the rainfall intensity with 2.0, 2.5 mm/min, the average sediment ratio of runoff and average erosion sediment rate were higher than that of other spoilbanks with significant difference (P0.05).Therefore, appropriate measures of soil and water conservation should be taken for this type of spoilbank in engineering practice, to reduce the harmful influence of soil and water erosion; The type of rolling compaction should be distinguished from the other types when analysing and discussing in experimental study.KEY WORDS: construction project, spoilbank, underlying surface, generalization, runoff, erosion目 录59作者简介第一章 绪论1.1 研究背景我国是世界上水土流失最为严重的国家之一（郑粉莉等 2000）。随着经济的飞速发展和城镇化规模的不断扩大，公路、铁路、水利、工矿、房屋等生产建设活动所造成的水土流失在全国水土流失总量中占据越来越大的比重。生产建设项目引起的水土流失不仅直接影响周围人居环境，而且给我国本来紧缺的水土资源带来严重压力。生产建设项目不仅对原生下垫面造成破坏、扰动，而且在工程建设过程中由于受挖填方的施工时段、材料质量、标段划分、运输距离等诸多因素的影响，要做到工程区域内土石方挖填平衡是非常困难的，因此不可避免产生大量的弃土弃渣（李文银等 1996；焦居仁 1998）。由此产生的水土流失强度高、范围广、危害大，严重危及人类赖以生存的水土资源和自然环境，给社会发展、生态安全以及人民群众的生产生活带来威胁。根据水利部、中国科学院、中国工程院联合组织完成的“中国水土流失与生态安全综合科学考察”结果，“十五”期间，我国生产建设项目扰动面积达到5.53104 km2，产生弃土弃渣量92108 t，每年新增水土流失面积超过1.5104 km2，增加的水土流失量超过3108 t（蔺明华等 2008）。“十一五”期间，全国生产建设项目产生水土流失的面积较“十五”期间增加11.5%，弃土弃渣总量增加8.7%（鄂竟平 2007），生产建设项目造成的水土流失在全国水土流失总量中占据的比重越来越大。中华人民共和国水土保持法对生产建设项目水土流失问题做出了相关规定，生产建设项目新增水土流失作为特殊的水土流失类型，要求在山区、丘陵区、风沙区以及水土保持规划确定容易发生水土流失的其它区域开办可能造成水土流失的生产建设项目，生产建设单位应当编制水土保持方案，报县级以上人民政府水行政主管部门审批，并按照经批准的水土保持方案采取水土流失预防和治理措施。水土保持方案应当包括生产建设项目水土流失预防和治理的范围、目标、措施和责任等内容，而这些工作都需以水土流失测算结果作为必要依据。因此，准确测算生产建设项目的水土流失量对于合理编制项目水土保持治理方案，有效控制水土流失具有十分重要的现实意义。生产建设项目扰动下垫面与原生下垫面条件的水土流失存在明显差异，工程建设活动所形成的水土流失更多地受人为活动干扰，具有较大的不确定性，在不同类型的生产建设项目中可能表现出不同的水土流失内在机理与外部特征，难以用单一测算方法确定所有项目类型的水土流失。较传统水土流失类型而言，有关生产建设项目水土流失的研究起步较晚，面向不同项目类型的水土流失测算方法还不规范。除此以外，生产建设项目要在一定时间、特定地点内完成，使得被研项目的水土流失数据具有很大的时空限制性，针对特定项目的观测数据和基础资料比较有限，难以对所有项目逐一建立测算方法。这些原因使得目前生产建设项目的水土流失测算方法远不能满足我国日益增长的项目建设规模和速度，建立一套针对性强、准确性高，且具有普遍适用性的生产建设项目水土流失测算方法体系具有迫切的社会需求和重要的现实意义。1.2 研究目的与意义目前，如何测算生产建设项目造成的人为水土流失量，还没有成熟的方法，也缺乏科学权威的标准，致使在监督管理实践工作中，明知一些单位在生产建设过程中造成了严重的人为水土流失，但因不能确定具体流失量，缺少处罚的科学依据而无法对其实施处罚。对生产建设项目造成的人为水土流失，水利部门在日常宣传工作中，也只能使用大量、严重、惊人等定性描述，缺乏定量指标。在水行政主管部门的要求下，一些大型生产建设项目也在委托水土保持监测机构，对建设过程中造成的水土流失开展定量监测，但受技术水平、投入、监测点布设困难等因素的影响，监测数据与实际有很大差距，无法反映真实情况。同时各个项目都布设监测点，也造成了大量的重复和浪费。因此亟需制定统一权威且简单实用的技术标准，能够根据生产建设项目弃土弃渣的位置、坡度、坡长，和当地的降雨量、降雨强度、风速等参数，科学计算出某个项目的某个弃土场在单场降雨或特定时间内产生的具体水土流失量。现有生产建设项目中存在的水土流失类型主要包括：一般扰动、边坡开挖、弃土堆积、渣土风蚀等方面（苏彩秀等 2006）。弃土堆置体坡面的侵蚀特征主要由下垫面状况和降雨情况控制，而下垫面状况的影响主要表现在坡面物质组成、坡度、坡长等方面。弃土堆置体坡面土壤颗粒的级配情况和坡度对入渗率影响显著，而入渗率的变化是坡面产流与否以及坡面水流性状的决定因素，进而影响坡面侵蚀的形成过程表现出不同的水土流失特征。许多专家学者对生产建设项目产生人为弃土的侵蚀特征和水土流失量进行了卓有成效的科学研究（孙虎和唐克丽 1998；郭成久等 2010；陈奇柏等 2008），采用的研究方法主要为现场原位试验和室内模拟试验（倪三川等 2008；马春艳等 2008；Philip 1991）。然而现场原位试验由于受成本高、堆置体位置难以设置观测工作面等因素的制约，存在较大局限性。因此，利用室内模拟降雨研究人为弃土的侵蚀特征和侵蚀量因其具有可控的试验环境、试验操作便捷等优势成为主流的试验方法。但是目前在对生产建设项目人为弃土堆置体进行室内模拟试验时，因为研究区域和被研工程不同，所采用的试验下垫面物质组成千差万别，造成研究成果的应用范围局限，难以推广；同时试验下垫面的坡度设计模式化，一般为5 10递加设定，如25、30、35或是20、30、40；试验下垫面的坡长一般受制于试验土槽长度而未能反映真实的弃土堆置体坡长；而且试验下垫面模型多用试验土槽装填，然而野外实际弃土堆置体大小尺寸不同，形态各异，且为三维立体结构，正是由于这样的立体结构，在土石比较小时可能发生浅层水土流失甚至堆置体体内水土流失，用试验土槽的方法进行模拟可能存在水土流失量计量不准确等问题。鉴于上述情况，笔者广泛调查不同地形地貌区各类生产建设项目，探究各类生产建设项目弃土堆置体在堆置类型、下垫面物质组成、坡形因子等方面的共性，试图抽象概化出弃土堆置体分类体系、弃土堆置体标准下垫面物质组成、弃土堆置体标准坡形因子，以确定室内试验下垫面仿真模型关键参数的取值范围，据此开展室内模拟降雨试验，使得室内模拟试验的研究成果在特定研究区域或特定地形地貌下应用范围更加广泛，更具推广性。为揭示生产建设项目人为弃土堆置体水土流失特征，探求弃土堆置体水土流失测算模型，提出科学严谨的水土流失计算方程提供科学依据，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。1.3国内外研究综述1.3.1 国外研究动态随着城镇化和工业化的不断深入，各种生产建设项目的水土流失问题得到了愈来愈多的关注。1994年2月15日，在美国内华达州里诺市召开的国际侵蚀控制学会（International Erosion Control Association）第25届学术大会中的8个主题报告，主要探讨了4个方面的问题，其中之一就是关于建筑场地的侵蚀控制。生产建设项目土壤侵蚀成为当今世界环境保护和社会发展过程中日益突出的问题，引起世界各国的普遍重视，生产建设项目水土流失预测的相关研究已成为水土保持与侵蚀控制研究领域的重要课题。国外对水土流失的定量研究主要包括径流小区法、侵蚀测针法、元素示踪法和模型模拟法。其中，径流小区法和侵蚀测针法属于传统试验观测手段，在基础研究中应用最为广泛；元素示踪法主要通过测定土壤中137Cs、210Pb、7Be、22