沙棘“柔性坝”拦沙与生态效应的实验研究

论文摘要

沙棘“柔性坝”作为一种新的水土保持生物措施,在治理砒砂岩地区水土流失过程中显现出了良好的效果,它实现了对沟道内泥沙的有效拦截、改善了土壤水分的再分布、提高了土壤肥力,不仅可以从源头上减少向黄河的输沙量,而且能够改善局部的生态环境,起到了标本兼治的作用。沙棘“柔性坝”这些水土保持功能的实现归根到底是由于它通对水流的“消能”实现了对流速场的调节,从而有利于泥沙的沉降和沟道内洪峰的平坦化。本文以野外实验和室内实验相结合的形式进行研究,分别在内蒙古鄂尔多斯市西召沟小流域和陕西华县沙棘“柔性坝”实验基地内开展了实地监测调研,取得了如下成果:(1)有机质的垂向分布与土壤的发育过程、土层结构和土壤中的水分运移过程密不可分;不同坝龄的沙棘“柔性坝”对土壤有机质含量有着不同程度的提高;随着研究范围的扩大,沙棘“柔性坝”引起土壤的空间异质性逐渐显著。(2)坝内淤积的泥沙整体上呈细化趋势,上游断面处此变化最为明显;单个坝体内泥沙淤积无明显规律;沟道内泥沙粒径从上游到下游呈递减趋势,且沙棘对粒径大于0.25mm的粗颗粒泥沙具有较好的分选效果。(3)沙棘的生长形态对水流的流态有着决定性的影响,进而影响着微地形的变化;在一定范围内适当提高沙棘排的种植密度可以减少水流对排后地表的冲刷;每排沙棘后冲坑平均深度的最大值往往出现在第一排后;排数越多越易形成稳定床面,进而使得冲刷强度保持在较低水平。(4)初步分析了沙棘不宜在特别湿润土壤中种植的特点、根系萌蘖的特点,提出了沙棘种植密度对群落稳定及发展的重要性,用Logistic模型和三次多项式拟合了沙棘树高、地径和冠幅的生长。(5)沙棘“柔性坝”若多处出现缺苗、少苗现象,其“消能”的作用就大大降低;水流从进入床面到流出床面经历了先增后减又缓慢增加的一个过程,并由此可将实验床分为进口段、坝前壅水段和坝内段来进行研究;沙棘“柔性坝”对进口段影响较小,而对坝前壅水段影响最大;在实验的准确性、可操作性和效果等方面进行对比分析后发现,PIV法要比染色剂示踪法更具有实用性。(6)小流域内沙棘“柔性坝”的布设要从降雨、下垫面条件和流域面积等水文特征出发,掌握流域内的产汇流规律,然后由设计暴雨推求出设计洪水,由设计洪水和沟道形状共同确定沙棘“柔性坝”的种植参数,提出了这样一个概化的布设思路,并从理论上进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 沙棘“柔性坝”的提出
• 1.1.2 沙棘“柔性坝”相关的研究进展
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 研究内容及技术路线
• 2 沙棘“柔性坝”对沟底土壤有机质的影响
• 2.1 实验区域概况
• 2.2 实验方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 种植沙棘“柔性坝”沟道内土壤有机质的垂向分布
• 2.3.2 种植沙棘“柔性坝”沟道内土壤有机质的横向对比
• 2.3.3 种植沙棘“柔性坝”沟道内土壤异质性的初步思考
• 2.4 本章小结
• 3 沙棘“柔性坝”对沟道土壤粒径分布的影响
• 3.1 实验方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 沙棘“柔性坝”内垂向粒径分布
• 3.2.2 单座沙棘“柔性坝”内粒径纵向变化
• 3.2.3 沿沟道沙棘“柔性坝”内粒径纵向变化
• 3.3 本章小结
• 4 实验设施及沙棘“柔性坝”内冲刷分析
• 4.1 实验设施及实验项目
• 4.1.1 水流实验设施的建设
• 4.1.2 实验床内沙棘“柔性坝”的种植参数
• 4.1.3 实验设施平面布置
• 4.1.4 实验项目及实验方案
• 4.2 沙棘“柔性坝”内水流对地面的冲刷
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 结果与分析
• 4.3 本章小结
• 5 沙棘生长节律的实验研究
• 5.1 实验场概况
• 5.2 实验方法
• 5.3 沙棘的生物学特征
• 5.4 数据分析与模型的建立及讨论
• 5.4.1 Logistic模型简介
• 5.4.2 沙棘基本量的生长模拟
• 5.5 本章小结
• 6 沙棘“柔性坝”对流速场影响的实验研究
• 6.1 实验方法
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 典型流场分布及其成因分析
• 6.2.2 同一时刻流速沿实验床的分布规律
• 6.2.3 同一监测断面上流速的变化规律
• 6.2.4 染色剂示踪法测流速
• 6.2.5 监测断面上最大水深的变化规律
• 6.2.6 PIV法测速与染色剂示踪法测速的对比分析
• 6.3 本章小结
• 7 沙棘“柔性坝”布设的主要影响因素分析
• 7.1 沟道内沙棘“柔性坝”布设的概化思路
• 7.2 设计暴雨及设计洪水
• 7.2.1 设计暴雨的确定
• 7.2.2 设计洪水的推求
• 7.3 洪水与沙棘“柔性坝”种植参数之间的关系
• 7.4 本章小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 应用展望与建议
• 8.2.1 沙棘“柔性坝”在砒砂岩地区的应用展望
• 8.2.2 存在的问题及建议
• 致谢
• 参考文献
• 附图
• 附录