海涂围垦区粉砂土坡面降雨-径流-泥沙水动力学过程试验研究

海涂围垦区边坡坡面侵蚀严重，但其相关研究有待加强，特别是土壤钠盐含量对坡面降雨-径流侵蚀过程的影响机制尚不明确。本研究拟以江苏沿海滩涂不同时段围垦区沟渠（河）边坡坡面为研究对象，通过试验研究与理论分析，研究海涂围垦区高钠盐粉砂土边坡的侵蚀特征及其主要影响因子；采用统计方法和坡面水动力学理论，从时间和空间尺度上，揭示高钠盐粉砂土坡面在降雨击溅和径流冲刷作用下，土壤颗粒的迁移过程及其水动力学机制；建立坡面高钠盐粉砂土颗粒迁移水动力学模型，探索围垦区沟渠（河）等边坡土壤侵蚀演变规律。研究成果可弥补海涂高钠盐粉砂土坡面水土流失过程机理研究的不足，并为海涂围垦区水利工程建设坡面侵蚀控制和生态防护提供科学依据。

围垦区60 %以上面积用作农地，其配套水利工程建设产生大量开挖坡面。由于成陆过程中受海水渗杂影响，滩涂土壤积盐先于成土过程，土壤为高钠盐粉砂土，工程边坡侵蚀严重，但相关研究有待加强，特别是土壤钠盐含量对坡面降雨-径流侵蚀过程的影响机制尚不明确。基于此，本研究选取了江苏不同年限围垦区工程（沟渠、河等）边坡进行定位监测，结合室内试验与数值计算，围绕围垦区粉砂土坡面降雨-径流-泥沙水动力学等过程开展了为期3年的研究。结果表明，新垦区土壤盐渍化程度高，属于氯化物盐土。东凌垦区（2007年围垦）沟渠（河）边坡土壤侵蚀模数为96.4-140 kg/m2，沟渠内年淤积厚度平均达0.8米。随围垦年限延长，坡面土壤侵蚀模数显著降低（p<0.05），老垦区边坡侵蚀模数低于10 kg/m2。地表覆盖度增大和土壤有机质累积是老垦区边坡侵蚀降低的重要因子，而土壤高钠盐含量、高容重和低覆盖度是新近垦区边坡高侵蚀模数的重要因子。围垦区坡面土壤质地、容重和盐分均显著影响土壤水力参数和入渗特性，从而决定坡面降雨分配与产沙过程。模拟降雨试验坡面径流输沙率与雨强和坡度均呈显著正相关，且坡度对输沙率的影响随雨强增大而显著减小。坡面溅蚀率随雨强变化无明显规律，而随坡度增加呈先增大后减小趋势，其临界坡度为11°。径流功率可有效预测输沙速率，海涂粉砂土坡面产沙的临界功率为10.367 g s-3。坡面土壤钠盐含量增大促使累积径流量增大，而入渗系数降低。低坡度条件下，坡面侵蚀产沙率随土壤钠离子含量增大显著增大；而高坡度条件下，土壤钠离子含量对坡面侵蚀产沙率无显著影响。水流剪切力和径流功率随土壤钠盐含量增大而增大。随坡面土壤容重增大，产流速率增大，导致径流冲刷能力增强，径流输沙率保持较高水平。上方来水冲刷条件下侵蚀产沙率与径流能耗呈显著线性关系，海涂粉砂土可蚀性参数为570.5g/J，临界单宽径流能耗为0.0109 J/min•cm。基于坡面水流动力学原理建立围垦区粉砂土坡面降雨侵蚀模型，采用有限元法对坡面径流量和侵蚀量求解，并对降雨事件坡面侵蚀过程进行模拟，模拟值与实测值具有较好一致性。边坡覆盖增加坡面糙率，降低流速，从而有效降低坡面侵蚀量；相对于碎石覆盖、遮阳网覆盖和裸露处理，草垫覆盖边坡径流系数和侵蚀速率均保持最低水平。项目提出了一种围垦区草石格网式生态护坡法（专利号CN201210060411.0）。