沙棘柔性壩水土保持生態(tài)效應(yīng)與機理研究.pdf

1、黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一,然而砒砂巖是黃土高原集中的碎屑基巖產(chǎn)沙區(qū)的核心,系黃河流域多沙粗沙區(qū)的重要組成部分。該區(qū)由于嚴重的土壤侵蝕,被喻為“世界水土流失之最”,具有“地球癌癥”之稱。由于砒砂巖地區(qū)惡劣的自然環(huán)境,劇烈的水土流失,給黃河下游河道造成了更加嚴重的泥沙淤積,引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題。沙棘植物柔性壩是利用生物措施治理水土流失、利用自然改造自然的生物工程,是治理河流泥沙災(zāi)害的一種治本之舉。因此,開展沙棘柔性壩攔沙

2、、生態(tài)及流速場效應(yīng)等方面的研究,為沙棘柔性壩的推廣及規(guī)劃種植提供理論依據(jù),在理論與實踐上都具有重要意義。本文基于野外試驗,以沙棘植物柔性壩為核心,對沙棘柔性壩所構(gòu)成的溝道生態(tài)系統(tǒng)的水保效應(yīng)、生態(tài)水文及土壤環(huán)境效應(yīng)進行了分析與研究,探索并成功應(yīng)用先進的PIV法,分析與討論了沙棘植物柔性壩對水流特性和流速場的影響與效應(yīng)；運用河流動力學及泥沙運動力學理論對沙棘柔性壩的攔沙機理進行了理論分析與探討；運用泥沙數(shù)學模型對沙棘柔性壩的攔沙效應(yīng)進行了數(shù)

3、學模擬,并根據(jù)分析結(jié)果對沙棘柔性壩的種植規(guī)劃參數(shù)進行了有益的分析與討論；最后,提出了防治砒砂巖地區(qū)水土流失的幾點建議。論文取得的主要成果如下：1.在時空尺度上,從定性與定量兩方面揭示了沙棘植物柔性壩的攔沙效應(yīng)。具體結(jié)論為：(1)沙棘“柔性壩”對泥沙具有顯著的分選攔截作用,柔性壩系與下游剛性谷坊配套使用可天然分選溝道里的泥沙一攔粗淤細,就近將粗沙過濾在壩系溝道里,細沙淤積在下游谷坊內(nèi)；(2)下游谷坊還可在上游沙棘植物壩系的過濾下儲蓄細沙含

4、量較少的清水,形成一座微型水庫,可作局部農(nóng)業(yè)用水之用。2.根據(jù)監(jiān)測的生態(tài)特性資料,(1)對沙棘柔性壩的生態(tài)學特性、土壤改良效應(yīng)、溝道土壤水分特性、土壤水分時空動態(tài)變化進行了研究；(2)用地統(tǒng)計學方法分析了沙棘植物柔性壩溝道不同空間立面二維區(qū)域不同方向的土壤水分空間變異特征,研究了植物柔性壩對溝道土壤水分在立面區(qū)域分布格局的影響；(3)揭示了沙棘植物柔性壩優(yōu)良的生態(tài)效應(yīng)、土壤改良效應(yīng)及對溝道徑流的調(diào)控作用,證明了沙棘柔性壩對土壤水資源具有

5、顯著的調(diào)節(jié)作用。3.分析了沙棘柔性壩對水流特性的影響與阻滯效應(yīng),論證了沙棘柔性壩對水流具有很強的攔截、阻滯和雍水作用,致使雍水區(qū)流速降低,泥沙在這一區(qū)域沉降淤積。(1)揭示了壩長、株距在水流流速、水深變化中起主導(dǎo)作用,且壩長的優(yōu)勢大于種植密度；(2)水位雍高最大發(fā)生在壩前段；(3)沙棘的年際生態(tài)調(diào)查表明,壩體的阻水效應(yīng)隨沙棘的強勢生長而增強；(4)分析還表明,植物的生長密度較小時,壩長是導(dǎo)致植物壩上游區(qū)水深增加的主要因素,其次是種植密度

6、,最后是溝床坡度；(5)植物的生長密度較大時,植物的壩長依然是導(dǎo)致植物壩上游區(qū)水深增加的主要因素,其次是種植密度,再次是生長密度,最后是溝床坡度。4.在野外試驗基地,首次探索并成功的應(yīng)用了先進的流場測量技術(shù)—-一PIV法,對沙棘柔性壩流速場的分布與變化規(guī)律進行了系統(tǒng)的分析與研究,討論了沙棘柔性壩的流速場特性,探明了水流能量損失主要發(fā)生在壩上游壅水區(qū),指出泥沙優(yōu)先在這一區(qū)域沉降,再次論證了沙棘柔性壩具有顯著的阻水與泥沙淤積效應(yīng),為沙棘柔性

7、壩治理水土流失提供了理論依據(jù)。具體表現(xiàn)為：(1)沙棘柔性壩內(nèi)的流速明顯小于壩前無沙棘對比區(qū),表現(xiàn)出柔性壩顯著的流速衰減效應(yīng)；(2)柔性壩段內(nèi)的橫斷面上流速分布易呈現(xiàn)出反“流舌”型態(tài),且流速沿橫向分布曲線呈現(xiàn)出波浪形態(tài)或者是曲折反復(fù)的“之”字型態(tài)；(3)研究結(jié)果表明將粒子圖像測速這一先進技術(shù)推廣應(yīng)用到室外流速場的觀測是完全可行的。5.運用河流泥沙動力學理論分析探討了沙棘植物柔性壩的阻力問題,從理論上推導(dǎo)了沙棘植物柔性壩的糙率系數(shù)估計公式,

8、估計了沙棘柔性壩的糙率系數(shù),用實測資料進行了對比驗證,結(jié)果良好；運用合適的輸沙公式,對東一支溝溝道輸沙特性作了理論探討與分析。結(jié)果表明：(1)沙棘植物柔性壩的阻力主要由沙棘植物、溝床底及溝道邊壁阻力及床面型態(tài)阻力構(gòu)成,這些阻力可通過植物柔性壩的曼寧糙率系數(shù)來綜合反映；(2)沙棘植物柔性壩的曼寧糙率系數(shù)大致處于0.04-0.09的范圍內(nèi),并與溝床平均植物密度、淹沒體積比、水力半徑及植物的生長期有關(guān),而且植物密度、淹沒體積比都隨著水深的變化

9、而有所不同；(3)使用不同的輸沙公式會對攔沙結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。6.應(yīng)用一維水沙數(shù)學模型對東一支溝沙棘植物柔性壩的攔沙效應(yīng)進行了模擬。根據(jù)計算結(jié)果對沙棘植物柔性壩的規(guī)劃種植參數(shù)進行了優(yōu)化探討,為沙棘植物柔性壩的規(guī)劃種植提供參考。模擬結(jié)果表明：(1)植物壩的曼寧糙率越大,植物壩的攔沙效果越好；(2)植物壩單壩的攔沙率隨壩長的增加而趨近于某一最大穩(wěn)定值；(3)壩長越短時,淤積范圍可覆蓋整個壩段,壩段較長時,壩尾部易發(fā)生不同程度的沖刷,這表明

10、設(shè)計植物壩時,壩長并非越長越好,其壩長應(yīng)在合理的范圍內(nèi),避免造成浪費；(4)當溝道內(nèi)設(shè)置兩座植物壩時,壩間溝床段易發(fā)生沖刷,雙壩的綜合攔沙率隨壩間距的增加而減小,且逐漸趨于某一穩(wěn)定值；(5)溝道內(nèi)設(shè)置兩座及以上植物壩時,并非一定能提高綜合攔沙率,間距為零時的雙壩與兩壩所合成單壩的攔沙率相當；(6)雙壩間有區(qū)間支流泥沙匯入時,下游壩可有效的發(fā)揮攔截區(qū)間泥沙的功能；(7)植物壩的攔沙率受溝床比降的影響,植物壩攔沙率隨溝床比降的減小而增大,植