工程堆积体作为弃土弃渣塑造的特殊地貌单元,其表层物质松散、土壤结构体缺失、植物根系及有机质缺乏,是生产建设区新增水土流失的最主要策源地。科学认识生产建设工程堆积体陡坡坡面水蚀过程及其侵蚀泥沙颗粒分布、分选特征及其搬运机制,是有效提升工程堆积体防护、改善景观功能及区域生态安全亟待解决的重大科学问题之一。本文选取黄土高原北部风沙区风沙土、关中平原塿土工程堆积体开展对比研究,采用野外坡面模拟放水冲刷侵蚀过程监测法与室内激光粒度分析方法,研究坡度、土质、放水强度等因素对工程堆积体土体侵蚀泥沙输移过程及其颗粒组成变化规律的影响,阐明两种下垫面下坡面径流中泥沙颗粒的分选和迁移特点,建立堆积体坡面侵蚀泥沙颗粒搬运能力定量表述,旨在深入了解风沙土、塿土堆积体坡面侵蚀产沙过程规律,揭示坡面侵蚀泥沙颗粒分布、分选运移的内在规律,为黄土高原工程堆积体侵蚀模型的建立提供理论依据。论文得出主要结论如下:(1)不同放水强度和坡度条件下,风沙土和塿土堆积体坡面侵蚀产沙规律有相似也有差异,试验条件下具体表现为:风沙土、塿土堆积体坡面产流率均随放水历时呈现先增加后波动变化趋势,堆积体坡度和放水流量对产流率的变化过程影响显著;风沙土较塿土堆积体,其整体平均初始产流时间滞后约36 s,风沙土产流率前期突增幅度要明显大于塿土堆积体,其大流量条件下波动性较塿土剧烈;风沙土、塿土堆积体坡面产沙率随放水历时的延续呈“多峰多谷”的变化趋势,坡面产沙率随放水流量的增大,产沙率整体呈现逐渐增大趋势,随着坡度增加,产沙率振幅变大,波动性较为剧烈。风沙土较塿土坡面,在各对应放水流量条件下,其整体产沙率明显大于塿土。(2)试验条件下,风沙土、塿土两种下垫面下的累积产流、产沙量的变化规律呈现大体一致,部分差异的态势,具体表现为:风沙土、塿土堆积体坡面累积产流量与冲刷时间均呈一次函数线性关系,风沙土坡面在大坡度大流量下累积产流量增长率明显较塿土大;风沙土、塿土工程堆积体坡面累积产沙量随放水历时均呈较好的二次函数关系,、塿土坡面坡面累积产沙量最大值整体均随放水流量、坡度增大存在增大的趋势,而风沙土累积产沙量最大值及其对应的产流时间随放水流量、坡度的变化规律比较复杂。随着放水历时的推移,各堆积体坡面产流产沙过程较为复杂,受坡度、下垫面和放水强度的综合影响。(3)试验条件下,不同坡度、土质、放水强度下工程堆积体坡面侵蚀泥沙颗粒组成及其分形维数的变化规律差异明显,具体表现为:不同放水流量和坡度下,风沙土、塿土坡面侵蚀泥沙颗粒中粉粒均占主导地位,但两者黏粒、沙粒所占比重存在较大差异,风沙土较塿土堆积体其大颗粒更易被侵蚀搬运,其抗侵蚀性较弱;两种下垫面下侵蚀泥沙颗粒分形维数均随坡度和放水流量的增加而增加,风沙土的分形维数均明显小于塿土坡面。同时,各堆积体坡面侵蚀泥沙颗粒体积分形维数与黏粒、粉粒和沙粒百分含量之间的关系均可以用线性模型进行较好拟合(P<0.01),其中,分形维数与黏粒、粉粒体积分数之间均为极显著正相关关系,但与沙粒体积分数之间呈极显著负相关关系。分形维数可以作为不同下垫面(风沙土、塿土)坡面侵蚀产沙中泥沙颗粒粒级分布差异性的评价指标。(4)不同坡度、流量下,两种下垫面下侵蚀泥沙颗粒中黏粒的富集率整体上均大于1(富集),沙粒小于1(沉积),但两者之间粉粒呈相反差异;黏粒富集率均随放水流量的增加呈显著先增加后降低趋势,粉粒富集率均变化较小,而沙粒富集率均随流量变化趋势与黏粒相反呈显著先降低后增加趋势(P<0.05),但风沙土较塿土坡面各粒级显著性更好;风沙土较塿土坡面,各坡度、流量下,其黏粒、粉粒富集率明显较大,沙粒富集率明显较小,其侵蚀泥沙中小颗粒更易侵蚀富集;两种下垫面下侵蚀泥沙颗粒中黏粒的E/U值整体上均小于1,粉粒均约为1,而沙粒整体上均大于1,黏粒和沙粒容易以团粒形式被径流搬运,而沙粒则主要以单粒形式被搬运;在不同放水流量下,风沙土侵蚀泥沙颗粒分散前各粒径百分含量中0.05 mm~0.25 mm的颗粒最高,而塿土侵蚀泥沙颗粒中0.002 mm~0.02 mm的颗粒最高,风沙土各粒级泥沙颗粒百分比含量的波动性较塿土小;风沙土较塿土坡面,各坡度、流量下,其黏粒、粉粒和沙粒E/U值明显较小,整体均更接近1,其团聚性较差,更易以单粒形式被侵蚀搬运。(5)不同下垫面下各粒径侵蚀泥沙颗粒分布及其搬运过程随放水流量存在差异。具体表现为:在各流量梯度下,风沙土在三个时段<0.057 mm粒级变化趋势基本一致,均在10%~15%波动。当放水流量≤12 L/min时,侵蚀泥沙颗粒表现出双峰分布,≥16L/min时,侵蚀泥沙颗粒表现为单峰分布,其最低搬运率的颗粒的粒级(LST)随着放水历时整体均介于0.057 mm和0.072 mm之间,其大于55%的泥沙颗粒都是以悬移/跃移的方式搬运,并且在大流量(16、20 L/min)下,侵蚀泥沙以悬移/跃移搬运的相对贡献率都随着放水时段而增大;而塿土在三个时段<0.023 mm粒级变化趋势基本一致,均大于10%,>0.023 mm颗粒均小于10%。当放水流量≤16 L/min时,侵蚀泥沙颗粒表现出双峰分布,等于20 L/min时,侵蚀泥沙颗粒表现为单峰分布,其LST随着放水历时略微增大,其大于65%的侵蚀泥沙颗粒是以悬移/跃移的方式搬运。当放水流量小于16 L/min时,悬移/跃移相对贡献率与放水流量成递减关系,而当放水流量大于16 L/min时,悬移/跃移相对贡献率与放水流量成递增关系。(6)风沙土、塿土两种堆积体下垫面下坡面侵蚀泥沙颗粒搬运机制存在一定差异。具体表现为:风沙土较塿土,其在不同时段各流量下侵蚀泥沙各粒级颗粒含量整体相对变化较小,其颗粒百分含量大体在5%~18%波动,而塿土颗粒百分含量大体在3%~24%波动,且塿土侵蚀泥沙颗粒中小颗粒<0.031 mm含量要明显大于风沙土,而大颗粒含量则明显较风沙土小;同时,风沙土较塿土LST要大,塿土侵蚀泥沙颗粒中以悬移/跃移方式被搬运的颗粒粒径上限随着放水历时呈略微增大的趋势。同时,风沙土较塿土,其侵蚀泥沙颗粒中以悬移/跃移方式搬运的相对贡献率较低,而以滚动方式搬运的相对贡献率明显较高。供试土壤中黏粒等小颗粒含量越高,其侵蚀泥沙颗粒的分选性就越强,而土壤中粗颗粒(包括单粒和团粒)含量越高,侵蚀过程中滚动搬运机制的相对贡献率越大。