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基于WEPP模型的工程建设中施工便道边坡水土流失特征——以林芝市巴宜区为例.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 7 资助项目:国家重点研发计划中美合作项目(2 0 1 9 Y F E 0 1 1 6 5 0 0);国家自然科学基金项目(4 1 9 0 1 2 3 4,3 1 8 7 0 7 0 6)第一作者:于洋(1 9 9 9),女,在读硕士研究生,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-m a i l:y u y a n g 9 9 0
2、 2 1 11 6 3.c o m 通信作者:姜群鸥(1 9 8 1),女,教授,博士生导师,主要从事3 S技术在资源环境的应用。E-m a i l:j i a n g q o.d l s 1 6 3.c o m基于WE P P模型的工程建设中施工便道边坡水土流失特征 以林芝市巴宜区为例于 洋1,2,姜群鸥1,2,王紫璇1,2,甄子雲1,2,刘兰华3,何财松3,周 扬3(1.北京林业大学水土保持学院,北京1 0 0 0 8 3;2.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京1 0 0 0 8 3;3.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所,北京1 0 0 0 8 1)摘要
3、:工程建设中施工便道导致的水土流失与传统土壤侵蚀不同,施工便道改变原自然坡面形态及水文过程,致使植被破坏、地表裸露,并形成路面、挖填边坡等多个侵蚀产沙部位,结构松散的路堑及边坡对降雨的响应更强、速度更快,土质低等级道路所引起的土壤侵蚀问题占比很大,因此研究可为工程扰动中施工便道的水土流失防治提供基础依据。以林芝市巴宜区为研究对象,采用WE P P模型对工程扰动下不同降雨条件、不同坡度坡长情况下施工便道边坡径流量、土壤流失量进行模拟分析,揭示施工便道边坡水土流失特征规律和关键影响因素。结果表明:(1)开始产生径流的6 0m i n最大雨强(I6 0)为1 1.1 6mm/h,降雨量为1 2.4
4、0mm;I6 0处于1 01 7mm/h范围内径流量低于0.5 0mm,土壤流失量低于0.0 1 0k g/m2,当I6 0超过1 7mm/h后,I6 0与径流量、土壤流失量具有线性关系。(2)径流量随坡度增加呈“快速增加增速减慢逐渐减小”3个阶段,坡度在5 以下时产生最低径流量5 6.9 85 8.0 0mm,坡度在3 0 3 5 时产生最高径流量7 6.1 97 7.0 1mm;土壤流失量随坡度增加呈“先快速增加后趋于稳定”2个阶段,坡度在5 以下边坡土壤流失量最小,坡度在5 0 后趋于稳定。(3)靠山边坡径流量随坡长增加而降低,不靠山边坡径流量则随坡长变化保持稳定,坡长在5 0m后靠山边
5、坡径流量低于不靠山边坡,且差异随坡长的增加而增大;靠山边坡土壤流失量随坡长的增加呈“先快速增加后增速减小”趋势,不靠山边坡土壤流失量随坡长的增加基本保持匀速增加。研究结果用于高寒区工程扰动后边坡水土流失驱动机制分析。关键词:施工便道;水土流失;边坡;WE P P模型中图分类号:S 1 5 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 0 3 1-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 0 4S o i l a n dW a t e rL o s sC h a r a c t
6、 e r i s t i c so fC o n s t r u c t i o nS e r v i c eR o a dH i l l s i d e i nE n g i n e e r i n gC o n s t r u c t i o nB a s e do nWE P PM o d e l-T a k eB a y iD i s t r i c t,N y i n g c h iC i t ya sA nE x a m p l eYUY a n g1,2,J I ANGQ u n o u1,2,WANGZ i x u a n1,2,Z HE NZ i y u n1,2,L I U
7、L a n h u a3,HEC a i s o n g3,Z HOU Y a n g3(1.S c h o o l o fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,B e i j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 8 3;2.K e yL a b o r a t o r yo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o na n dD e s e r t i f i c a t i o nC o m b a t i
8、 n g,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,B e i j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 8 3;3.E n e r g yS a v i n ga n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o na n dO c c u p a t i o n a lS a f e t ya n dH e a l t hR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h i n aA c a d e m yo f
9、R a i l w a yS c i e n c e sC o r p o r a t i o nL i m i t e r,B e i j i n g1 0 0 0 8 1)A b s t r a c t:T h e s o i l a n dw a t e r l o s s c a u s e db yt h ec o n s t r u c t i o ns e r v i c e r o a d i ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o
10、 n a l s o i l e r o s i o n.T h e c o n s t r u c t i o ns e r v i c e r o a dc h a n g e s t h eo r i g i n a l n a t u r a l s l o p em o r p h o l o g ya n dh y d r o l o g i c a l p r o c e s s,r e s u l t i n g i nv e g e t a t i o nd e s t r u c t i o n,s u r f a c e e x p o s u r e,a n dh a
11、s f o r m e d r o a ds u r f a c e,e x c a v a t i n ga n df i l l i n gs l o p ea n do t h e re r o s i o na n ds a n dp r o d u c t i o ns i t e s.T h er o a dc u ta n ds l o p eo f s i d ew i t hl o o s es t r u c t u r eh a v es t r o n g e ra n df a s t e rr e s p o n s et or a i n f a l l.S o
12、i le r o s i o nc a u s e db ys o i ll o wg r a d er o a d sa c c o u n t s f o ra l a r g ep r o p o r t i o n,s o t h e s t u d yp r o v i d e s ab a s i s f o r t h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o l o f s o i l e r o s i o n i nt h ec o n s t r u c t i o no fr o a d w a y s.T a k i n gB a y
13、iD i s t r i c t,N y i n g c h iC i t y,a st h er e s e a r c ho b j e c t,u s i n g WE P Pm o d e l t os i m u l a t ea n da n a l y z et h er u n o f fa n ds o i l l o s so fu n d e rd i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o nc o n d i t i o n s,d i f f e r e n ts l o p ea n ds l o p e l e n g t hu
14、 n d e re n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c e,s oa s t or e v e a l t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e y i n f l u e n c i n gf a c t o r so fw a t e r a n ds o i l l o s s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)Wh e n t h em a x i m u mr a i n i n t e n s i t y i n6 0m i n(I6 0)w a
15、 s1 1.1 6mm/ha n dt h er a i n f a l lw a s1 2.4 0mm,r u n o f fb e g a nt oo c c u r;Wh e nI6 0w a s i nt h er a n g eo f1 0t o1 7mm/h,t h er u n o f fw a s l e s st h a n0.5 0mm,a n dt h es o i l l o s sw a s l e s st h a n0.0 1 0k g/m2.Wh e nI6 0w a sm o r e t h a n1 7mm/h,I6 0h a dal i n e a rr
16、e l a t i o n s h i pw i t ht h er u n o f fa n ds o i l l o s s.(2)T h er u n o f fp r e s e n t e dt h r e es t a g e so f“r a p i d i n c r e a s e-s l o wd o w n-g r a d u a l d e c r e a s e”w i t h t h e i n c r e a s eo f s l o p e.T h e l o w e s t r u n o f fw a s5 6.9 8t o5 8.0 0mmw h e n
17、t h e s l o p ew a s 5,a n d t h eh i g h e s t r u n o f fw a s 7 6.1 9t o7 7.0 1mmw h e n t h e s l o p ew a s3 0 t o3 5 .S o i l l o s sp r e s e n t e dt w os t a g e so f“f i r s t r a p i d i n c r e a s ea n dt h e ns t a b l e”w i t ht h e i n c r e a s eo f s l o p e.Wh e nt h es l o p ew a
18、 sb e l o w5,t h e a m o u n t o f s o i l a n dw a t e r l o s sw a s s m a l l,a n d t h e s l o p eb e c a m e s t a b l e a f t e r5 0 .(3)W i t ht h ei n c r e a s eo fs l o p el e n g t h,t h er u n o f fo fb a c k e rs l o p ed e c r e a s e s,w h i l et h er u n o f fo fn o n-b a c k e rs l
19、o p er e m a i n ss t a b l e.T h e r u n o f f o fb a c k e r s l o p ew a s l o w e r t h a nt h a t o fn o n-b a c k e r s l o p ea f t e r 5 0ms l o p e l e n g t h,a n dt h ed i f f e r e n c ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs l o p el e n g t h;W i t ht h ei n c r e a s eo fs l
20、o p el e n g t h,t h es o i l l o s so f t h eb a c k e rs l o p es h o w e dat r e n do f“f i r s t r a p i di n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e”,a n dt h es o i l l o s so ft h en o n-b a c k e rs l o p eb a s i c a l l yk e p tau n i f o r mi n c r e a s e.T h er e s u l t sc a nb eu s e d
21、t oa n a l y z et h ed r i v i n gm e c h a n i s mo f s o i l a n dw a t e r l o s s i ns l o p ea f t e re n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c e i nh i g ha n dc o l dr e g i o n.K e y w o r d s:c o n s t r u c t i o ns e r v i c er o a d;w a t e ra n ds o i l l o s s;h i l l s i d e;WE P Pm o
22、d e l 水土流失是当前人类关注的全球性重要生态环境问题1-2,不仅导致土地资源生态环境遭到破坏、水灾旱灾频繁,还对生态平衡、经济社会发展造成严重影响。青藏高原位于高海拔地区,地形条件复杂,生态环境脆弱,也是我国水土流失易发生且较为严重的区域3。除自然环境因素影响外,人类不合理的开发生产活动也是水土流失的重要诱发因素。近年来,随着我国对西藏地区开发建设强度增大,坡面道路、电网等基本设施建设带来不同程度的水土流失。工程扰动造成的水土流失不仅破坏当地环境,同时还对工程本身造成严重破坏4-5。因此,工程建设对生态环境的破坏尤其是水土流失影响,已经成为国家和当地政府部门关注的重要问题之一6-8。目前
23、,国内外对于工程建设水土流失开展了大量研究。L a l9研究发现,道路建设两侧形成的裸露路面加速土壤侵蚀过程;M a c D o n a l d等1 0研究道路建设使地形地貌特征改变,进而改变原地表径流路径和水土流失特征;F o r m a n等1 1通过研究降雨和地表径流对公路侵蚀影响发现,山区道路建设加速土壤侵蚀,改变当地水文要素,容易引发各种地质灾害。我国相关研究集中于坡面侵蚀的影响因素分析。沈海鸥等1 2研究表明,对于黑土区土质便道土壤侵蚀,影响显著因子为降雨强度和坡度,改变地表性质可以防治土壤侵蚀;刘窑军等1 3研究表明,山区道路建设后,草灌结合植被恢复模式的水土流失防治效益最好,相
24、较于其他植被模式有明显的低产流量和低产沙量;及莹等1 4通过WE P P模型模拟凉山自然保护区内2 0个路段的侵蚀特征表明,道路产沙量与道路长度显著相关。这些研究发现工程建设中道路边坡是影响土壤侵蚀的重要影响因素之一1 5。传统水土流失调查方法具有历时长、可重复性低等局限性。美国通用土壤流失方程(U S L E)是基于经验统计方法估算水土流失量,应用较广,但是对于工程扰动等人类活动导致水土流失量估算具有一定的限制性。WE P P(w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t)模型是连续物理过程模型1 6,是迄今为止描述水蚀相关参数
25、最多的土壤侵蚀模型1 7-1 9,该模型可以根据土壤类型、气候、地表覆盖类型和地形,预测土壤侵蚀和泥沙量2 0-2 1。以林芝市巴宜区为研究区,基于气象、地形、地貌、地质、土壤、植被、水文等数据,采用WE P P模型坡面版模拟不同降雨、坡度、坡长条件下施工便道上下边坡径流量、土壤流失量,分析施工便道边坡水土流失规律,解析工程扰动下降雨、坡度与坡长对径流量和产沙量的影响趋势2 2-2 4。1 研究区概况本研究选取西藏林芝市巴宜区施工便道为研究点,巴宜区(2 9 2 1 3 0 1 5 N,9 3 2 7 9 5 1 7 E)地处青藏高原念青唐古拉山东南麓,雅鲁藏布江与尼洋河在此相汇,行政区域总面
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