汶川震区滑坡堆积体坡面水蚀模拟研究

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汶川5·12地震诱发大量山体滑坡,在震后形成数量巨大的滑坡堆积体,据估计滑坡堆积体有19.7万之多。滑坡堆积体多为土石混合介质,其结构松散,孔隙率大,表面植被覆盖率低,且广泛分布于江河两岸。一方面滑坡堆积体在外力作用下易发生次生灾害,毁坏城镇、道路、水利等基础设施,危害当地居民生命财产安全;另一方面在降雨、径流、地震等外力作用下,滑坡堆积体极易产生水土流失,对震区生态环境恢复造成极大困难,同时流失泥沙进入河道影响河流水质,对岷江下游流域生态环境造成潜在威胁,可见开展滑坡堆积体研究工作对灾区震后生态环境重建具有重要意义。本文从土壤侵蚀角度出发,以汶川震区滑坡堆积体为研究对象,应用土壤侵蚀、土壤学、水文学等理论,对震区滑坡堆积体水土流失展开模拟研究。实地调查汶川县滑坡堆积体分布及几何特征,分析滑坡堆积体坡面物质组成等物理性质,采用室内人工模拟降雨方法,研究滑坡堆积体坡面土壤侵蚀规律,探讨土石比、雨强、坡度对坡面土壤侵蚀的影响。主要研究结果如下:(1)研究区滑坡堆积体呈线性分布,广泛分布在岷江两岸,汶川县东部滑坡堆积体数量较多,海拔高度多在2000m以下,滑坡堆积体分布与当地居民空间分布具有一定相似性。88.8%滑坡堆积体坡度在30°~40°之间,高度从几米至几百米不等,80%以上堆积体高度在10-150m之间,堆积体剖面不同层细土(<2mm)含水率差异明显,含水率随着深度增加有增大趋势,增大倍数分别为2.83、1.38、1.03倍,0-10cm层含水率明显小于非滑坡堆积体0-10cm层,其他层含水率与非滑坡堆积体对应层相比差异不大。堆积体不同层含土量随着深度增加而增大,0-1 Ocm层含土量小于非滑坡堆积体表层,10-20cm、20-30cm层大于非滑坡堆积体对应层。10-20cm层合土量从坡顶至坡底有增大趋势,其他层随坡长变化无明显规律。滑坡堆积体10-20cm、20-30cm层级配良好,其他层级配不好,滑坡堆积体不同层颗粒粒径组成中均以中碎石(60-10mm)为主,占50%以上,细土(<2mm)以沙粒为主,占70%左右。(2)人工降雨条件下,堆积体坡面入渗过程随土石比不同而不同,土石比为1:4时,3种雨强条件下降雨均全部进入堆积体,土石比为1:1、1:2时入渗过程较-致,随着降雨的进行,入渗率不断减小,到一定时间后达到稳定入渗率。土石比、坡度对稳定入渗率的影响较复杂。地表径流量随着雨强的增大而增大,土石比为1:4时,地表无径流产生,土石比为1:2时,小雨强1.0mm/min条件下,地表也无径流产生,说明土石比存在某一临界点,小于此阀值,无论雨强多大地表无径流产生,大于此阀值,雨强较小时也无地表径流产生。地表径流含沙量在不同雨强条件下,随时间变化过程曲线不一致,35°土石比为1:1,雨强为1.5mm/min时,含沙量开始有增大的趋势,后逐渐减小,其他条件下,含沙量均随着降雨历时逐渐减小,但减小幅度有差异,同一雨强下,地表径流平均含沙量随着土石比减小而减小。地表产沙率变化过程分两个阶段:快速增大阶段和波动变化阶段,平均产沙率均随着土石比、雨强的减小而减小。地表时段径流量和产沙量、累积径流量和产沙量之间均可用幂函数关系表示,R2分别在0.8504~0.9848和0.9962~0.9993之间。(3)壤中流径流量随时间变化过程存在峰值,但峰值持续时间随土石比、雨强不同而不同,累积壤中流与时间之间可用线性关系表示,R2均在0.94以上,雨强较小时,壤中流平均径流量随土石比减小而增大。壤中流含沙量随时间逐渐减小,含沙率变化在10min时存在突变,壤中流产沙率总体呈减小趋势,并逐渐达到稳定,。壤中流累积产沙量与时间关系随土石比不同而不同,土石比为1:1、1:2时,呈对数函数关系,土石比1:4时呈线性关系。壤中流时段径流量与产沙量之间关系复杂,开始时,产沙量随着径流量增大而增大,到一定时间后,时段产沙量又随着时段径流量减小而减小。壤中流累积径流量与产沙量之间与地表径流相同,可用幂函数表示,R2在0.9086~0.9995之间。(4)地表产流时间随雨强的增大而减小,随土石比减小而增大,壤中流产流时间与土石比、雨强之间无明显规律,壤中流产流时间均在10min以内,地表径流产流时间最短2.7min,最长达38.9min,地表径流产流时间多数长于壤中流产流时间。堆积体径流总量随着雨强的增大而增加,相同土石比条件下,地表径流和壤中流对径流总量的贡献随雨强不同而不同,土石比为1:1和1:2时,在雨强2.0mm/min时,地表径流贡献大于壤中流,而在雨强为1.0mm/min时,壤中流贡献大于地表径流,土石比为1:4时,无地表径流产生,径流总量仅来自壤中流。土石比、坡度对径流总量的影响不大,随土石比减小,壤中流贡献增大,坡度对地表径流和壤中流的贡献规律较复杂,土石比为1:1时,随坡度增大,地表径流贡献逐渐增大,土石比为1:2时,随坡度增大,地表径流贡献逐渐减小。堆积体产沙总量随着雨强的增大而增加,地表泥沙和壤中流泥沙对泥沙总量的贡献规律与径流表现一致。产沙总量随着土石比的减小而减小,地表泥沙对泥沙总量的贡献随着土石比的增大而增大。土石比为1:1时,产沙总量随着坡度增大而增加,土石比为1:2时,产沙总量随坡度增大有减小的趋势。
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