龙脊古梯田稳定性及水循环系统研究修.doc

分类号 T V 3 密级 U D C硕 士 学 位 论 文龙 脊 古 梯 田 稳 定 性 及 水 循 环 系 统 研 究 学 位 申 请 人: 谭宁学 科 专 业 : 水利 水电工 程指 导 教 师 : 童富 果 专家田斌 教 授二一 二 年五 月A Dissertation Submitted in Fulfillment of the Requirements for theDegree of Master of Science in EngineeringStudy On Stability And Water Cycle System In Ancient LongjiTerraceGraduate Student: Tan-NingMajor: Hydraulic And Hydroelectric EngineeringSupervisor: Prof. Tong-FuGuoProf.Tian-BinChina Three Gorges UniversityYichang, 443002, /.naMay, 2023三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文三峡大 学 学位论 文独立完 成与诚 信声明本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 学 位 论 文 , 是 本 人 在 导 师 的 指 导 下 , 独 立 进 行 研 究 工作 所 取 得 的 成 果 , 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外 , 本 论 文 不 含 任 何 其 他 个 人 或 集 体已 经 发 表 或 撰 写 过 的 作 品 成 果 。 对 本 文 的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的 个 人 和 集 体 均 已 在 文中以明确方式标明,本人完全意识 到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者署名:日 期:I三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要梯田是古代劳动人民在农业生 产中发明的一种行之有效的水土保持措施, 它的出2现是古代农业发展的一个显著进步 。我国现有耕地总面积为 1.21 亿 hm ,人均耕地20. 08 hm , 只占世界人 均耕地的 1/4。 梯田具有良好的保水保土性能, 针对我国人多地少、 西 南地区山岭丘陵分布、 工业化进程中耕地日益减少的局面, 推广坡改梯工程、在适宜地方修筑梯田一方面可以更 好的减少水土流失,另一方面可以增长耕地面积 ,缓解我国耕地局限性的局面。龙脊梯田位于广西省龙胜县, 是一处我国古代农耕稻作文化遗存。 研究龙脊梯田灌溉系统的功能及水循环与水补给 特点,探明与总结龙脊梯田存在机制与保护的经验, 研究龙脊梯田稳定性与渗流特点, 对龙脊梯田稻作文化的保护与申报世界文化遗产以及研究梯田规划建设标准,推 广梯田建设技术,都具有重要的理论与实践意义 。本文通过对龙脊梯田的研究, 对梯田的保水保土性能进行了初步探索。 重要研究内容涉及:(1) 对梯田的水循环系统进行了系统概括,并探究了梯田水循环的影响因素。 (2) 对龙脊梯田土物理性质进行实验研究,分析其特点;(3) 概括总结了梯田稳定性与渗流分析方法;(4) 考虑自然状态与降雨条件, 结合龙脊梯田, 进行了梯田的整体稳定性与田埂稳定性计算;(5) 考虑降雨条件下,结合龙脊梯田,进行了梯田的渗流计算关 键词 :梯田 土 物理性 质 水循环 系统 稳定 饱 和?非 饱和 渗流II三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThe ancient farmers create terrace in agricultural production which is an effectivewater conversation measure. Its a significant progress in the ancient agriculturalproduction. Currently Chinas total cultivated area is 121 million square hectares. Percapita farmland is only 0.08 square hectares, which is a quarter of per capita farmland ofworld. Terrace plays a good performance in water and soil conservation. Our country haslarge population and little arable land, while southwest of China has a large number of hillsand mountains as well as arable land is reducing in industrial processes, promote turningslope fields into terrace and buildLocated at LongSheng Town of Guangxi Province, Longji Terrace is one of Chinascultural relics of ancient rice farming.The function of the irrigation system of LongjiTerrace as well as the characteristics water cycle and water supply were studied in thispaper. It has great theoretical and practical significance for the protection of rice culture ofLongji Terrace, the application of world cultural heritage, the study of terrace planning andconstruction standard and the promotion of terrace construction technology. In this paper,Longji terrace have studied to preliminary explore the performance of remaining water and soil byterrace. The main contents include:1 The water circulation system of the terrace are summarized, and the impact factor of the water cycleof terraces are studied;.2 The soil physical properties of Longji terrace are obtained by experiment, while its characteristicsare analyzed;3 Sability and seepage analysis methods of terrace are summarized;4 The state of nature and rainfall conditions are considered , combined with the Longji terrace ,calculate the overall stability of the terrace ridge stability;5 The rainfall conditions are considered, combined with Longji terrace, calculate terraces seepage ofterrace.Key words: terrace soil physical properties water circulation system slopestability saturated-unsaturated seepageIII三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文目 录1 绪论 111 问题 的提出 112 论文 研究的 目 的和意义113 梯田 的历史 与 发展. 314 国内 外研究 现 状415 本文 的重要 研 究内容 62 龙脊梯 田概况821 地理 位置822 气候 条件923 地质 条件 1 024 水文 条件 1 13 龙脊梯 田土物 理 性质实验. 1 231 抗剪 实验 1 232 梯田 土颗粒 级 配实验. 1 333 液塑 限测定 实 验 1 334 土水 饱和度 实 验 1 54 梯田水 循环机 理1 741 水循 环机理1 742 独特 的灌溉 系 统 1 843 影响 梯田水 循 环过程的 因素分 析1 944 综合 分析 2 35 梯田稳 定性分 析 及计算2 451 梯田 稳定性 分 析方法. 2 452 S L O P E 在梯 田稳 定性分析 中的应 用 2 553 稳定 性计算 参 数的拟定 2 7IV三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文54 梯田 整体稳 定 性分析. 2 855 梯田 局部稳 定 性计算. 2 956 小结3 16 渗流分 析及计 算3 361 梯田 的坡面 入 渗及径流 3 362 控制 方程和 定解 条件 3 963 驱动 势和达 西定 律. 4 064 S L O P E 在梯 田渗 流过程中 的应用. 4 265 A B A Q U S 在梯田 渗流过程 的理论 4 266 降雨 条件下 地 下水位线 的拟定 4 867 降雨 入渗分 析. 5 068 A B A Q U S 输入 命令5 769 小结 1 2 37 结论与 展望1 2 471 结论 1 2 472 展望 1 2 4参考文献. 1 2 5致 谢1 2 9附 录 : 攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 学 术 论 著 与 参 与 的 项 目1 3 0V三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪 论11 问 题的 提出随着近年来我国对 农业及农田水利的重视, 梯田的建设与保护也得到了更多的关注。 部分坡改梯工程未能达成预期的耕种与保持水土的目的而荒废, 也规定我们需要加强对梯田水循环系统的研究及对 梯田的保护机制。 广西龙脊梯田作为我国古梯田遗存, 历经数百年未发生大面积的滑坡与坍塌, 对我们研究梯田的保护及坡改梯工程的建设有重要的借鉴作用。从历史上 看,在 远古时 候(五六 千年以 前) , 人们重要 在平地 上种粮 维持生活 ,山区、 丘陵区都有茂密的森林或草原, 到处青山绿水, 基本上没有水土流失。 后来由于人口增长, 平地种粮不够吃, 就到山区、 丘 陵区去, 毁林毁草, 陡 坡开荒种粮, 于是就产生了水土流失。 陡坡开荒种 粮前一二年产量还可以, 由于水土流失, 土地日益瘠薄, 生态环境日益恶化, 粮食产量一年不如一年, 加上人口增多, 为维持生存又进一步毁林毁草,扩大陡坡开荒种粮 ,致使水土流失就进一步加剧。这种“越垦越穷 ,越穷越垦”的恶性循环,导致了严 重的水土流失。从当前的现状看, 有些地方仍 旧继续毁林毁草, 陡坡开荒种粮; 有些由于开矿采石、 修路及城市开发等基本建设, 大量开挖土地, 破坏原生地面, 并 随意倾倒弃土弃渣,形成虚土陡坡,暴雨一来,就 产生水土流失。梯田修筑历史悠久, 并且普遍 分布于世界各地, 特别是地少人多的山丘地区。 梯田几乎与农业同样古老, 广泛分布于世界许多地区。 梯田作为一项行之有效的坡地降雨径流调控措施, 在减少水土流失和解决干旱缺水问题方面做出了重大奉献。 目前有关梯田的研究在国内开展的较多, 而在国外则较少, 梯田相关研究方面但仍存在一些局限性:(1)针 对梯田 的土壤 水分规律 、减水 减沙效 益方面研 究的较 多,而 针对梯田 水循环系统问题的研究尚局限性。(2) 对 于梯田的稳定性及渗流 计算, 多采用实验研究、 理论分析等方法进行拟定,明确结合数学建模、基于调控降雨 径流的计算仍然很少。12 论 文研 究的 目的 和意 义 从国家长远规划上讲,水是生 命之源、生产之要、生态之基。兴水利、除水害 ,事关人类生 存、经济 发 展、社会进 步,历来 是 治国安邦的 大事。2023 年中央一号文1三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文件中做出加快水利改革发展的决定 。 着重指出农田水利等基础设施十分薄弱, 要大力发展农田水利这个薄弱环节。 作为农田水利的一部分, 梯田水利的建设与研究也十分必要。2023 年中央一号文献印发 了关于 加 快推动农业 科技创新 持 续增强农产 品供给保障能 力的若 干意见 ,指出 农业发 展是工 作中的重 点。其 中又再 次重申要 坚持不懈加强农田建设。 因此梯田的建设与研究做为农田建设的一部分, 有着非常重要的作用。从梯田所能发挥的作用上来讲 , 梯田可以起到保持水土的作用。 而水土保持能增加环境人口容量。 我国每年净增人口 1300 万, 每年非农占用耕地 350 万公顷, 石化、沙化损失耕地 6.7 万公顷 (100 万亩) , 现在全 国人均耕地只有 0.103 公顷 (1.55 亩) ,以占世界 7%的耕地养活着世界 22% 的人口,保护可贵的耕地资源,已成为当务之急 。水土保持保护和增长了可运用的水 土资源, 提高了水土资源的运用率。 治理区农业生产条件的改善, 抗旱、 防涝、 固沙等抗御自然灾害的能力增强, 土地产出率大大提高,增长了环境容量, 促进了人口、 资源、 环境和 经济、 社会的协调发展。 另一方面, 水土保持提高了环境容量, 促进了土地运用和产业结构的调整, 促进农林牧各业的全面发展, 提高了综合生产力, 发展了区域经济, 使封闭、 落后、 荒凉、 贫困的水土流失区,逐步建设成山川秀美的富庶地 区。地面上的水分重要是由降雨所 产生的。 所降雨水一部分渗入到地面土壤中, 另一部分不能 入渗的 就形成 “地表径 流” , 冲走地 面的土粒 ,产生 水土流 失。假如 降雨的强度很小 ,降雨 能所有 被土壤吸 收,不 产生“ 地表径流 ” ,就 不会有 水土流失 。假如降雨强度很大, 地面的土壤不能所有吸取所降雨水, 就会产生 “地表 径流” 和水土流失。 我国四川、 广西、 云贵地区山 区、 丘陵区 分布, 这些地方山地多 、 坡度陡、 土层薄、 暴雨多, 自然条件 差, 很容易导致滑坡泥石流等地质灾害。 假如在条件适宜的山区丘陵地带修筑梯田, 不仅可以保 持水土, 防止滑坡泥石流等自然地质灾害, 更可以增长耕地面积、 发展农业。 梯田通 过这种改变小地形的方法防止坡地水土流失, 将雨水及雪水就地拦蓄, 使其渗入农地、 草地或林地, 减少或防止形成坡面径流, 增长农作物、 牧 草以及林木可运用的土壤 水分。 同时, 将未能就地拦蓄的坡地径流引入小型蓄水工程。 在有发生重力侵蚀危险 的坡地上, 可以修筑排水工程或支撑建筑物, 防止滑坡作用。从梯田的悠久文化与发展来讲 , 梯田是人类充足运用山地资源, 获取作物产品同时保持水土的一种最佳方式。 大面积的梯田因层层叠叠的紧紧相连, 表现了人与大自然的高度和谐, 艺术感染力浓厚, 旅游吸引力强。 同时, 从历史人类 学的角度看, 具有历史悠久和民族文化气息浓郁等 特色,所以梯田是人类自然和文化双重遗产。因此本课题的研究对于山区梯 田农业基础设施建设、 龙脊梯田申报世界文化遗产2三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文及壮、 瑶、 侗、 苗等少 数民族文化发掘、 抢救与保护, 对于民族区域的农业与旅游可连续发展等都具有重要的理论与实 践意义。13 梯 田的 历史 与发 展131 国 内 外 梯 田 的 发 展 梯田修筑历史悠久, 并且普遍 分布于世界各地, 特别是地少人多的山丘地区。 梯田几乎与农业同样古老, 广泛分布于世界许多地区, 如北非、 地中海 沿岸、 法国、 中美洲及亚洲的日本、 印度、 菲律宾、 韩国及东 南亚等地。 公元前两千年, 中国南方或印支移民将梯田的文化传到菲律宾 山区, 至今还保存有一个灌溉梯田的宏伟实例?菲律宾的巴诺水稻梯田。 梯田作为过去的文化遗产在秘鲁安第斯山地区留下了著名的马丘?皮克 丘的古 代阶式 梯田 2500 年 以上 。 波多黎哥 分布有 内斜式 水平梯田 ,日本重要为外斜式水平梯田。132 中 国 梯 田 的 历 史 与 发 展 6中国梯田的发展大体经历了四 个时期 : 1) 梯田的雏形期公元前 2 世纪至公元10 世纪前后。 这一时期以便于耕 作和保水、 保肥、 增长产量的小面积区田形成为标志,并且 己经开 始修筑 山地池塘 ,以收 集径流 进行灌溉 ;2) 梯田的 形成期 公元 10世纪至 16 世纪。 在这一时期己形成了严格意义上的梯田, 梯田已经不是零星分布的局部小块, 而是沿坡面修筑而成阶阶相连的成片梯田, 这一时期继承和发扬了修建山坡池塘、拦截雨水、灌溉梯田的传统; 3)梯田建设与治山治水结合期公元 16 世纪至 20 世纪 40 年代。 这一时期梯田推广的范围越来越大,修筑梯田在获取粮食的基础上同治山治水结合了起来,进一 步发挥了梯田的作用,在 16 世纪 后期,己形成了引洪导淤、 保水、 保土 、 肥田的技术和理论; 4) 梯田工程技术体系的发展完善期20世纪 40 年代至现在。这一时期梯 田得到了大面积推广,由梯田沟渠工程到修田埂 、修坡式梯田、 改一次水平梯田, 并 由人工修筑发展到大面积机械修筑梯田, 到现在已形成梯田建设以小流域治理为单元 , 在合理运用土地与保持水土原则下, 形成了农业耕作梯田工程、 果园梯田工程、 造 林整地梯田工程等类型, 注意到了综合治理与开发运用。2我国建设 梯田的 历史悠 久,据不 完全统 计,目 前国家修 梯田约 66 7104hm ,成1为发展农业生产的一项重要措施 。其中云南哈尼梯田距今已有 2023 数年的历史,凝结了我国人民特别是少数民族人 民的智慧。 此外, 湖南紫鹊界梯田及广西龙胜梯田3三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文也是非常著名的古梯田。这些梯田 历经几百年甚至上千年未衰,由于这些地方多山 、丘陵分布, 只有梯田供本地居民从 事农业生产的。 如今我国人口基数大, 人均耕地面积很少, 而对于山地丘陵众多西南 地区, 平原地带较少, 以这些古梯田作为借鉴建设新梯田,对缓解我国耕地逐渐减少 的局面有一定的缓解作用。我国修建梯田的历史悠久, 因而在对农田水利建设时积累了一定经验, 但是近代修建的梯田相对我国三大古梯田 (涉及广西龙脊梯田、 云南哈尼梯田和湖南紫鹊界梯田)仍有很多局限性之处,因此对三 大古梯田共同特点进行了简要介绍:1)历史悠久龙脊梯田位于广西省龙胜地区 , 开创于元代, 完毕于清代, 历时数百年。 哈尼梯田位于云南红河等县市,距今已有 2023 数年 的历史,梯田规模巨大,并保存了良好的水土保持功能。紫鹊界梯田起源 于秦汉,盛于唐宋,至今也有两千余年历史。2 )少数民族首创梯田梯田的开创者一方面是少数民族 , 龙脊梯田是由瑶族建造, 紫鹊界梯田则由瑶族和苗族建造, 哈尼梯田则是哈尼族建 造。 梯田不仅如诗如画, 并且有深厚的少数民族文化内涵。3)规模宏大2龙脊梯田有 500 余级, 分布面积有 66km , , 多位于海拔 300m 到 1100m 的山坡上,7?坡度大都为 之间 。紫鹊界梯田面积近八万亩,其中连片有 2 万余亩 ,从海26 35拔 500m 到 120 0 米之间 。有 500 余级,坡度一 般在 30左右,有的甚至可达 50以9上 ; 哈尼梯田仅元阳一处就有 1.67 万亩, 梯田最多级数达 3000 级, 坡度最陡可达875 。4 )特有的植被、水、土和气候成土母岩通过长期风化, 形成了有机质丰富的土壤; 茂密的森林覆盖了每一个山头, 它的 最大功效是使土壤不被冲 刷, 同时枯枝落叶归根增长了土壤的自然肥力; 有丰沛的降水渗入地下或千沟万渠的 涓涓细流, 使梯田有取之不尽用之不竭的水源, 同时又无暴雨导致的地质灾害; 气候适宜, 有充足的光照, 如龙脊梯田平均日照 1224.7小时。14 国 内外 研究 现状梯田在防止坡耕地水土流失、 改善农业生产条件、 提高农业生态系统功能、 促进山 区 社 会 发 展 方 面 都 发 挥 了 重 要 作 用 。 前 人 针 对 梯 田 的 研 究 主 要 集 中 在 以 下 几 个 方面:4三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文141 土 壤 水 分 分 布 规 律 研 究 梯田土壤水分变化的规律决定 于两个方面。 一是土壤水分的蓄积, 如降水、 灌溉水、 地下水的供应和水气的凝结; 二是土壤水分的消耗, 如地面蒸发、 作物的运用和蒸腾, 年份不同, 土壤水分的收支也不相同, 当消耗大于积蓄时, 就导致土壤的干旱。梯田土壤水分的变化是一个动态且 复杂的变化过程, 对土壤水的研究有助于合理进行18梯田形式的规划和布置。 赵国杰等 通过研究发现梯田土壤水分变化幅度随土层深度增长而变小,表土下 020cm 范围内水分分布变化最大,2050cm 与 50100cm 范围内土壤水分变幅大小随降水年型 不同而变化, 平水年 50100cm 土层土壤水分变化幅度大于 2050cm 土层内土壤水分变化,而干早年 2050 cm 土层土壤水分变化幅26度大于 50l00cm 土层土壤水分变化。卫三平、吴发启等 根据梯田 0100cm 土层土壤含水量变化规律将其分为 3 个 层次: 水分剧变层、 水分重要供应层和水分相对稳定层, 其 中水分相对稳定层是作物 深层根系的重要分布层, 也就是通常所说的 “土壤水库” , 主 要调节上下层土壤水分 的供应与蓄积。 水平梯田土壤水分变化情况为: 040cm 无明显变化, 40cm 以下土壤含水量内侧中部外侧, 其中梯田外侧 60cm 土层处土壤水分含量明显低于其他各层, 从全年水分观测情况来看, 每次观测的该层土壤水分含量都非常低。13吴发启等 针对不同宽度梯田 果园的土壤水分研究发现,受梯田侧向蒸发影响 ,宽式梯田 内外两 侧土壤 水分含量 相差较 大,一 般在 2%8 % 之间 ;距 田埂愈近 ,越靠近外部, 越接近土壤表层, 土壤湿度越小, 土 壤愈干旱, 越靠近里面, 且越向下, 土壤湿度越大。 窄式梯田内、 外两侧 0200 cm 土壤水分分布比较接近, 由于水分的侧向蒸发, 内侧高于外侧。 但由于田面较窄, 差 异并不明显。 余峰等结合水平梯田土壤水分时空变化规律的定点观测结果 , 阐述了梯田土壤水分季节变化的 4 个时期和垂直29变化的 3 个层次变化规律。蔡进军 等 提出水平梯田土壤水分与季节降水关系密切 ,含水量随土层深度增长逐渐减少且 变化趋于稳定。 在水平梯田的不同部位, 由于地表和根系活 动层水 分变化 较为活跃 ,使得 040 cm 土层土 壤水分 无明 显变化规 律,在40cm 以下土层, 土壤含水量呈现出规律变化, 土壤水分含量明显表现为: 内侧中部外侧,这是由于梯田内侧接受雨水 较多,而梯田外侧受侧面蒸发影响的缘故。5对梯田土壤水分的研究, 到目前为止国外研究的很少。 /.w 等通过对梯田排水系统有效性进行研究发现, 排水沟道可以减少坡长, 增长临时土壤的表面湿度贮藏能力, 促进中耕作物的等高种植 , 它们是减少侵蚀的有效措施, 并且增长水分入渗,保持水分供应作物生长。5三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文142 蓄 水 保 土 效 益 研 究 梯田的减水减沙效益除与降雨 的多少和强度大少等因素有关外, 与梯田的质量标7准以及有无蓄水田埂也有很大的关 系。 赵文礼 提出将坡地修成水平梯田后, 在一般情况下,即日降雨 50100 mm 时 径流泥沙可以就地拦蓄。吴发启等通过研究得出:2 2当 PI20.0 mm /min 时 ,水平梯田的减沙效益为 100%;当 P 20.0m m /min 时,水平i梯田的减沙效益平均为 83.52%, 并随着 P 的增大而减小。 焦菊英、 王万忠在对山西离石王家沟水平梯田的研究发现坡度为 1、田面宽度为 4m 的多台无边田埂水平梯田年减水减沙效益分别为 86.9%和 97.5%; 次减水减沙效益分别为 76.7%和 95.4%。 蒋定生在中国科学院安塞水土保持综 合实验站的观测也表白, 蓄水田埂维护很好的水平梯田和隔坡梯田蓄水田埂高 25cm,平坡比 1 :1,无论是整个汛期还是次暴雨,都不 发 生 水 土 流 失 。 徐 乃 民 等 根 据 黄 委 会 绥 德 、 西 峰 、 以 及 山 西 离 石 水 保 1954-1966年社区观测资料进行记录分析发现 , 不同标准水平梯田在汛期不同降雨量情况下的减水减沙效益不同:一类梯田的减水 减沙效益分别为 54.2%和 58.0%; 二类梯田分别为36.9%和 39.9%; 三类梯田分别为 19.6%和 21.2%。 焦菊英等35将梯田按其质量进行分 类 研 究 发 现 , 梯 田 质 量 对 减 水 减 沙 有 很 大 的 影 响 , 一 类 梯 田 的 减 水 、 减 沙 效 益 为99.6%和 100%;二类梯田的减水减沙效益为 99.0%和 99.4%;三类梯田的减水、减沙效益为 97.8%和 98.8% 。梯田有没有田埂对其减水减沙效益影响很大,特别是减水效2益的影响。随着降雨量的增长,梯 田的减水减沙效益在减小。当 P 50mm /min 时,i302有田埂水平梯田减水、 减沙效益均为 100%; 当 P 50mm /min 时, 减水、 减沙效益 分i302别为 82.6%和 90.9%,并随 P 的增大而减小;无田埂梯田在 P 为 4.445mm /mini30 i30之间的减水减沙效益平均为 82.0% 和 94.8%。Rawat 等认为坡改梯以后,由于精耕田作, 改良了梯田的土壤结构, 增长了入渗强度, 田面上栽培的植物, 增长了水流阻力,延长了入渗时间, 并且田土方可拦截住梯田间距内产生的径流和冲刷的泥沙, 同时梯田土壤的稳定性、 容重和透水性等基本特性不会改变。 Critchlcy 等则认为水平梯田并 不 会 产 生 水 土 保 持 作 用 , 反 而 会 随 着 其 数 量 的 增 多 使 自 身 变 成 非 常 明 显 的 侵 蚀 危害,农业措施会使梯田的物质比例 发生再分派。15 本 文的 重要 研究 内容本文通过对梯田水循环系统理 论的学习, 对降雨条件下梯田的渗流与局部稳定性问题进行了初步探索。重要研究内 容涉及:(1) 对梯田水循环系统进行初步研究,并分析了影响梯田水循环的影响因素; (2) 概括总结了边坡稳定性的计算方法,并提出了梯田稳定性计算的方法;6三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文(3) 总结了梯田渗流计算原理与方法;(4) 考虑降雨条件下, 结合 广西龙脊梯田进行渗流计算, 得到在降雨条件下梯田地下水位线的变化规律以及梯田饱和时的孔压分布、 水平位 移及沉降的规律。(5) 考虑自然状态与降雨条件, 结合广西龙脊梯田进行梯田稳定性计算, 得出梯田最也许滑裂面。7三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文2 龙 脊 梯 田 概 况图 2-1 龙 脊 部 分 梯 田 样 貌 龙脊梯田是我国境内的三大古 梯田之一, 始建于元代, 至清代基本建成, 距今有近 600 年的历史。 从河 谷, 到山巅, 从林边到石壁崖下, 龙脊附近有泥土的地方, 均开垦了梯田。 从山脚盘绕到山顶, 层层叠叠, 高低错落。 其 形 态 如 链 似 带 , 层 层 叠叠 , 高 低 错 落 。 除了 较为平坦的地带,梯田田埂宽度均很窄,平均只有 1m 左右。龙脊梯田的耕种历史上尚未出现过 干旱、崩塌、大面积的冲毁等灾害。龙脊梯田的集雨功能由稻田及 相邻的沟渠、 山塘组成 “隐形水库” 实 现。 山地暴雨时, “隐形水库” 、 茂密的植被及腐殖质层有效地减少了地表径流流速, 也因此减轻对梯田乃至对下游河道产生的洪 水压力。 通过植被的截流, 也可以保持水土、 净化水质。 “隐形水库” 与 人工修建的水库由沟渠相连, 梯田灌溉的水源来自山顶和山腰的山涧水, 而梯田高程之上的森林 可以涵养水源, 形成了功能完善的灌溉系统, 达成保障稻禾生长, 趋利避害的目的。 龙脊梯田通过度散蓄水及分级截流的功能, 完毕了区域内水资源的再分派, 可以有效的减少山洪与干旱灾害的发生概率。 龙脊梯田一般种植一季稻, 因此地力消耗相对种 植两季稻较小。 因田垄面积较小, 梯田的分布较陡,机耕和牛犁难以实现。 农作方式大都采用手锄手耙等传统的手工方法, 这种传统的农作方式没有破坏土壤的团粒结构和 梨底层,也就保障了龙脊梯田维持保水保土的能力。21 地 理位 置龙脊梯田 地 处 广西龙胜自 治县和 平乡平 安 村 龙脊山, 距 县 城 22 公里。 距 桂 林8三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文/ / / /市 80 公里, 处 东 经 10932 -10014 , 北 纬 2535 -2617 之间。 梯 田 分 布 在海 拔 3 0 0 至 1 1 0 0 米 之 间 , 自 下 而 上 垂 直 高 度 一 般 5 0 0 - 8 0 0 m 。 坡 度 大 多 在 2 6 至3 5 度 之 间 , 最 大 坡 度 达 5 0 度 。 梯 田 从 山 脚 盘 绕 到 山 顶 , 小 山 如 螺 , 大 山 似 塔 , 层 叠 起 伏 。 龙 脊 梯 田 规 模磅 礴 壮 观 , 气 势 恢 弘 , 有 “ 梯 田 世 界 之 冠 ” 的 美 誉 。 龙 脊 梯 田 由 金 坑 瑶 族 梯 田 及 平 安 壮 族 梯 田 组 成 。 通 常 讲 的 龙 脊 梯 田 是 指 平安 壮 族 梯 田 , 该 梯 田 开 发 较 早 。 前 往 梯 田 几 乎 都 是 盘 山 公 路 , 一 直 升 到 约海 拔 6 0 0 米 以 上 , 到 梯 田 时 海 拔 达 到 8 0 0 米 以 上 。 22 气 候条 件龙胜 气 候 属中 亚热 带温湿气 候, 全年 平 均 气温 18. 40, 最 高 气温 一 般 为 37( 极 端 最 高气温达 38. 9) , 最低 气 温 一般为-2 ( 极 端 最 低气温为-3. 7) , 全年 无 霜 期 250300 天。 龙胜 地 处 南北 暖 湿 与 干 冷 气流的 交 锋 地带, 春夏之 交 雨 水 连绵。9三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文23 地 质条 件图 2.2 龙 脊 梯 田 地 质 样 貌 10龙脊梯田是在距今约 8 亿年的上元古界蓟县系板溪群变质碎屑岩上形成的 。 龙胜县地处南岭山系,属构造- 侵蚀山区。龙脊梯田所在, 地质构造复杂 。 它的构造线大部分都是北北东向, 地层涉及变质岩系、 泥质硅质岩、 炭 质页岩、 砂岩、 砂页岩 等。 资源县附近, 尚有 花岗岩体花岗岩株群。 龙脊梯田常见的岩性组合, 如辉橄岩、 橄榄岩、 辉长岩, 及细 碧岩以及纹岩等。龙 脊 梯 田 地 区 , 在 地 质 历 史 中 , 有 多 次 构 造 变 动 。 对 本 区 影 响 较 大 的 有: 雪 峰 运动, 侵入了基性岩和超基性岩; 印支运动; 燕 山运动, 生成岩脉群和岩株, 广西运动;喜山运动,龙胜地区以 间断性上升为主,河流 深切,形成了典型的“V ”形河谷。现代河床中有少量沙卵石,基本上无 第四纪堆积物。10三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文24 水 文条 件龙胜地区, 地处西江支流的融 江水系和桂江水系, 水资源十分丰富。 由于龙脊梯田所在境内山岭层峦叠嶂, 连绵起伏, 常形成 地形雨, 秋季经常细雨霏霏, 因此龙脊地区雨量充沛,年平均降雨量达 1.592 毫米, 是我国年平均降雨量 629 毫米的 2.53倍。降雨时间多在每年的 4-8 月间 ,正值农作物生产季节。11三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文3 龙 脊 梯 田 土 物理 性 质 实 验31 抗 剪实 验为研究龙脊梯田的保水保土特 性以及得到计算中更精确的参数值,课题组在2023 年 6 月到 2023 年 8 月对采样 的梯田土进行了一系列实验,重要是直剪、颗分 、密实度、液塑限、比重及渗透性实 验。在计算梯田土的稳定性时,必 须先要得到梯田土的粘聚力 c 与内摩擦角这两 个参数值, 因此运用直剪仪进行了直接剪切实验, 来测定土的抗剪强度。 在实验中, 采用内径为 60mm、 高度 20mm 的环刀 。 在制备原状土试样时, 同时测定了梯田土的密度与含水量,然后进一步实验得到龙 脊梯田土试样的抗剪强度参数。3测定梯田原状土的试样, 得到土的平均密度为?1.824 g cm , 平均干密度的值3为?1.390 g cm ,平均含水率 的值 w0.314 。在得到土的密度及含水率后,测 算d得到直接剪切实验 c 曲线如下图 3.1 所示:图 3.1 梯 田 原 状 土 抗 剪 强 度 与 垂 直 压 力 关 系 曲 线 经计算可得到 c 4.759KPa,1634 。 12三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文32 梯 田土 颗粒 级配 实验修筑梯田,对土体中的各粒组 的相对含量,即对土的粒径级配有一定规定。如果土的级配不良,暴雨时容易导致 水土流失,这种土质则不适合修建梯田。判断土壤级配优劣的参数涉及:表达土颗 粒组成的重要特性的参数不均匀系数C 和曲率系u数C 。这两个参数可以通过土的 颗分实验拟定。因此对龙脊梯田土