龙脊古梯田稳定性与水循环系统研究修.docx

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龙脊古梯田稳定性与水循环系统研究修

分类号TV3密级

UDC

硕士学位论文

龙脊古梯田稳定性及水循环

系统研究

学位申请人:

谭宁

学科专业:

水利水电工程

指导教师:

童富果教授

田斌教授

二○一二年五月ADissertationSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsforthe

DegreeofMasterofScienceinEngineering

StudyOnStabilityAndWaterCycleSystemInAncientLongji

Terrace

GraduateStudent:

Tan-Ning

Major:

HydraulicAndHydroelectricEngineering

Supervisor:

Prof.Tong-FuGuo

Prof.Tian-Bin

ChinaThreeGorgesUniversity

Yichang,443002,//.na

May,2012三峡大学硕士学位论文

三峡大学学位论文独立完成与诚信声明

本人重声明:

所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工

作所取得的成果,除文中已经注明引用的容外,本论文不含任何其他个人或集体

已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文

中以明确方式标明,本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

学位论文作者签名:

日期:

I三峡大学硕士学位论文

摘要

梯田是古代劳动人民在农业生产中创造的一种行之有效的水土保持措施,它的出

2

现是古代农业发展的一个显著进步。

我国现有耕地总面积为1.21亿hm,人均耕地

2

0.08hm,只占世界人均耕地的1/4。

梯田具有良好的保水保土性能,针对我国人多

地少、西南地区山岭丘陵分布、工业化进程中耕地日益减少的局面,推广坡改梯工程、

在适宜地方修筑梯田一方面可以更好的减少水土流失,另一方面可以增加耕地面积,

缓解我国耕地不足的局面。

龙脊梯田位于广西省龙胜县,是一处我国古代农耕稻作文化遗存。

研究龙脊梯田

灌溉系统的功能及水循环与水补给特点,探明与总结龙脊梯田存在机制与保护的经

验,研究龙脊梯田稳定性与渗流特点,对龙脊梯田稻作文化的保护与申报世界文化遗

产以及研究梯田规划建设标准,推广梯田建设技术,都具有重要的理论与实践意义。

本文通过对龙脊梯田的研究,对梯田的保水保土性能进行了初步探索。

主要研究容

包括:

（1）对梯田的水循环系统进行了系统概括,并探究了梯田水循环的影响因素。

（2）对龙脊梯田土物理性质进行实验研究,分析其特点;

（3）概括总结了梯田稳定性与渗流分析方法;

（4）考虑自然状态与降雨条件,结合龙脊梯田,进行了梯田的整体稳定性与田

埂稳定性计算;

（5）考虑降雨条件下,结合龙脊梯田,进行了梯田的渗流计算

关键词:

梯田土物理性质水循环系统稳定饱和?

非饱和渗流

II三峡大学硕士学位论文

Abstract

Theancientfarmerscreateterraceinagriculturalproductionwhichisaneffective

waterconversationmeasure.It’sasignificantprogressintheancientagricultural

production.CurrentlyChina’stotalcultivatedareais121millionsquarehectares.Per

capitafarmlandisonly0.08squarehectares,whichisaquarterofpercapitafarmlandof

world.Terraceplaysagoodperformanceinwaterandsoilconservation.Ourcountryhas

largepopulationandlittlearableland,whilesouthwestofChinahasalargenumberofhills

andmountainsaswellasarablelandisreducinginindustrialprocesses,promoteturning

slopefieldsintoterraceandbuild

LocatedatLongShengTownofGuangxiProvince,LongjiTerraceisoneofChina's

culturalrelicsofancientricefarming.ThefunctionoftheirrigationsystemofLongji

Terraceaswellasthecharacteristicswatercycleandwatersupplywerestudiedinthis

paper.Ithasgreattheoreticalandpracticalsignificancefortheprotectionofricecultureof

LongjiTerrace,theapplicationofworldculturalheritage,thestudyofterraceplanningand

constructionstandardandthepromotionofterraceconstructiontechnology.Inthispaper,

Longjiterracehavestudiedtopreliminaryexploretheperformanceofremainingwaterandsoilby

terrace.Themaincontentsinclude:

1Thewatercirculationsystemoftheterracearesummarized,andtheimpactfactorofthewatercycle

ofterracesarestudied;.

2ThesoilphysicalpropertiesofLongjiterraceareobtainedbyexperiment,whileitscharacteristics

areanalyzed;

3Sabilityandseepageanalysismethodsofterracearesummarized;

4Thestateofnatureandrainfallconditionsareconsidered,combinedwiththeLongjiterrace,

calculatetheoverallstabilityoftheterraceridgestability;

5Therainfallconditionsareconsidered,combinedwithLongjiterrace,calculateterracesseepageof

terrace.

Keywords:

terracesoilphysicalpropertieswatercirculationsystemslope

stabilitysaturated-unsaturatedseepage

III三峡大学硕士学位论文

1绪论1

11问题的提出1

12论文研究的目的和意义1

13梯田的历史与发展.3

14国外研究现状4

15本文的主要研究容6

2龙脊梯田概况8

21地理位置8

22气候条件9

23地质条件10

24水文条件11

3龙脊梯田土物理性质实验.12

31抗剪实验12

32梯田土颗粒级配实验.13

33液塑限测定实验13

34土水饱和度实验15

4梯田水循环机理17

41水循环机理17

42独特的灌溉系统18

43影响梯田水循环过程的因素分析19

44综合分析23

5梯田稳定性分析及计算24

51梯田稳定性分析方法.24

52SLOPE在梯田稳定性分析中的应用25

53稳定性计算参数的确定27

IV三峡大学硕士学位论文

54梯田整体稳定性分析.28

55梯田局部稳定性计算.29

56小结31

6渗流分析及计算33

61梯田的坡面入渗及径流33

62控制方程和定解条件39

63驱动势和达西定律.40

64SLOPE在梯田渗流过程中的应用.42

65ABAQUS在梯田渗流过程的理论42

66降雨条件下地下水位线的确定48

67降雨入渗分析.50

68ABAQUS输入命令57

69小结123

7结论与展望124

71结论124

72展望124

参考文献.125

致129

附录:

攻读硕士学位期间发表的学术论著与参与的项目130

V三峡大学硕士学位论文

1绪论

11问题的提出

随着近年来我国对农业及农田水利的重视,梯田的建设与保护也得到了更多的关

注。

部分坡改梯工程未能达到预期的耕种与保持水土的目标而荒废,也要求我们需要

加强对梯田水循环系统的研究及对梯田的保护机制。

广西龙脊梯田作为我国古梯田遗

存,历经数百年未发生大面积的滑坡与坍塌,对我们研究梯田的保护及坡改梯工程的

建设有重要的借鉴作用。

从历史上看,在远古时候（五六千年以前）,人们主要在平地上种粮维持生活,

山区、丘陵区都有茂密的森林或草原,到处青山绿水,基本上没有水土流失。

后来由

于人口增加,平地种粮不够吃,就到山区、丘陵区去,毁林毁草,陡坡开荒种粮,于

是就产生了水土流失。

陡坡开荒种粮前一二年产量还可以,由于水土流失,土地日益

瘠薄,生态环境日益恶化,粮食产量一年不如一年,加上人口增多,为维持生存又进

一步毁林毁草,扩大陡坡开荒种粮,致使水土流失就进一步加剧。

这种“越垦越穷,

越穷越垦”的恶性循环,造成了严重的水土流失。

从当前的现状看,有些地方仍旧继续毁林毁草,陡坡开荒种粮;有些由于开矿采

石、修路及城市开发等基本建设,大量开挖土地,破坏原生地面,并随意倾倒弃土弃

渣,形成虚土陡坡,暴雨一来,就产生水土流失。

梯田修筑历史悠久,而且普遍分布于世界各地,尤其是地少人多的山丘地区。

梯

田几乎与农业一样古老,广泛分布于世界许多地区。

梯田作为一项行之有效的坡地降

雨径流调控措施,在减少水土流失和解决干旱缺水问题方面做出了重大贡献。

目前有

关梯田的研究在国开展的较多,而在国外则较少,梯田相关研究方面但仍存在一些

不足:

（1）针对梯田的土壤水分规律、减水减沙效益方面研究的较多,而针对梯田水循

环系统问题的研究尚不足。

（2）对于梯田的稳定性及渗流计算,多采用试验研究、理论分析等方法进行确定,

明确结合数学建模、基于调控降雨径流的计算仍然很少。

12论文研究的目的和意义

从国家长远规划上讲,水是生命之源、生产之要、生态之基。

兴水利、除水害,

事关人类生存、经济发展、社会进步,历来是治邦的大事。

2011年中央一号文

1三峡大学硕士学位论文

件中做出加快水利改革发展的决定。

着重指出农田水利等基础设施十分薄弱,要大力

发展农田水利这个薄弱环节。

作为农田水利的一部分,梯田水利的建设与研究也十分

必要。

2012年中央一号文件印发了《关于加快推进农业科技创新持续增强农产品供

给保障能力的若干意见》,指出农业发展是工作中的重点。

其中又再次重申要坚持不

懈加强农田建设。

因此梯田的建设与研究做为农田建设的一部分,有着非常重要的作

用。

从梯田所能发挥的作用上来讲,梯田能够起到保持水土的作用。

而水土保持能增

加环境人口容量。

我国每年净增人口1300万,每年非农占用耕地350万公顷,石化、

沙化损失耕地6.7万公顷（100万亩）,现在全国人均耕地只有0.103公顷（1.55亩）,

以占世界7%的耕地养活着世界22%的人口,保护可贵的耕地资源,已成为当务之急。

水土保持保护和增加了可利用的水土资源,提高了水土资源的利用率。

治理区农业生

产条件的改善,抗旱、防涝、固沙等抗御自然灾害的能力增强,土地产出率大大提高,

增加了环境容量,促进了人口、资源、环境和经济、社会的协调发展。

另一方面,水

土保持提高了环境容量,促进了土地利用和产业结构的调整,促进农林牧各业的全面

发展,提高了综合生产力,发展了区域经济,使封闭、落后、荒凉、贫困的水土流失

区,逐步建设成山川秀美的富庶地区。

地面上的水分主要是由降雨所产生的。

所降雨水一部分渗入到地面土壤中,另一

部分不能入渗的就形成“地表径流”,冲走地面的土粒,产生水土流失。

如果降雨的

强度很小,降雨能全部被土壤吸收,不产生“地表径流”,就不会有水土流失。

如果

降雨强度很大,地面的土壤不能全部吸收所降雨水,就会产生“地表径流”和水土流

失。

我国、广西、云贵地区山区、丘陵区分布,这些地方山地多、坡度陡、土层

薄、暴雨多,自然条件差,很容易造成滑坡泥石流等地质灾害。

如果在条件适宜的山

区丘陵地带修筑梯田,不仅可以保持水土,预防滑坡泥石流等自然地质灾害,更可以

增加耕地面积、发展农业。

梯田通过这种改变小地形的方法防止坡地水土流失,将雨

水及雪水就地拦蓄,使其渗入农地、草地或林地,减少或防止形成坡面径流,增加农

作物、牧草以及林木可利用的土壤水分。

同时,将未能就地拦蓄的坡地径流引入小型

蓄水工程。

在有发生重力侵蚀危险的坡地上,可以修筑排水工程或支撑建筑物,防止

滑坡作用。

从梯田的悠久文化与发展来讲,梯田是人类充分利用山地资源,获取作物产品同

时保持水土的一种最佳方式。

大面积的梯田因层层叠叠的紧紧相连,表现了人与大自

然的高度和谐,艺术感染力浓厚,旅游吸引力强。

同时,从历史人类学的角度看,具

有历史悠久和民族文化气息浓郁等特色,所以梯田是人类自然和文化双重遗产。

因此本课题的研究对于山区梯田农业基础设施建设、龙脊梯田申报世界文化遗产

2三峡大学硕士学位论文

及壮、瑶、侗、苗等少数民族文化发掘、抢救与保护,对于民族区域的农业与旅游可

持续发展等都具有重要的理论与实践意义。

13梯田的历史与发展

131国外梯田的发展

梯田修筑历史悠久,而且普遍分布于世界各地,尤其是地少人多的山丘地区。

梯

田几乎与农业一样古老,广泛分布于世界许多地区,如北非、地中海沿岸、法国、中

美洲及亚洲的日本、印度、菲律宾、国及东南亚等地。

公元前两千年,中国南方或

印支移民将梯田的文化传到菲律宾山区,至今还保存有一个灌溉梯田的宏伟实例?

菲

律宾的巴诺水稻梯田。

梯田作为过去的文化遗产在秘鲁安第斯山地区留下了著名的马

丘?

皮克丘的古代阶式梯田2500年以上。

波多黎哥分布有斜式水平梯田,日本

主要为外斜式水平梯田。

132中国梯田的历史与发展

[6]

中国梯田的发展大致经历了四个时期:

1）梯田的雏形期公元前2世纪至公元

10世纪前后。

这一时期以便于耕作和保水、保肥、增加产量的小面积区田形成为标

志,并且己经开始修筑山地池塘,以收集径流进行灌溉;2）梯田的形成期公元10

世纪至16世纪。

在这一时期己形成了严格意义上的梯田,梯田已经不是零星分布的

局部小块,而是沿坡面修筑而成阶阶相连的成片梯田,这一时期继承和发扬了修建山

坡池塘、拦截雨水、灌溉梯田的传统;3）梯田建设与治山治水结合期公元16世纪

至20世纪40年代。

这一时期梯田推广的围越来越大,修筑梯田在获取粮食的基

础上同治山治水结合了起来,进一步发挥了梯田的作用,在16世纪后期,己形成了

引洪导淤、保水、保土、肥田的技术和理论;4）梯田工程技术体系的发展完善期20

世纪40年代至现在。

这一时期梯田得到了大面积推广,由梯田沟渠工程到修田埂、

修坡式梯田、改一次水平梯田,并由人工修筑发展到大面积机械修筑梯田,到现在已

形成梯田建设以小流域治理为单元,在合理利用土地与保持水土原则下,形成了农业

耕作梯田工程、果园梯田工程、造林整地梯田工程等类型,注意到了综合治理与开发

利用。

2

我国建设梯田的历史悠久,据不完全统计,目前国家修梯田约667104hm,成

[1]

为发展农业生产的一项重要措施。

其中哈尼梯田距今已有2000多年的历史,

凝结了我国人民尤其是少数民族人民的智慧。

此外,紫鹊界梯田及广西龙胜梯田

3三峡大学硕士学位论文

也是非常著名的古梯田。

这些梯田历经几百年甚至上千年未衰,由于这些地方多山、

丘陵分布,只有梯田供当地居民从事农业生产的。

如今我国人口基数大,人均耕地面

积很少,而对于山地丘陵众多西南地区,平原地带较少,以这些古梯田作为借鉴建设

新梯田,对缓解我国耕地逐渐减少的局面有一定的缓解作用。

我国修建梯田的历史悠久,因而在对农田水利建设时积累了一定经验,但是近代

修建的梯田相对我国三大古梯田（包括广西龙脊梯田、哈尼梯田和紫鹊界梯

田）仍有很多不足之处,因此对三大古梯田共同特点进行了简要介绍:

1）历史悠久

龙脊梯田位于广西省龙胜地区,开创于元代,完成于清代,历时数百年。

哈尼梯

田位于红河等县市,距今已有2000多年的历史,梯田规模巨大,并保存了良好

的水土保持功能。

紫鹊界梯田起源于汉,盛于唐宋,至今也有两千余年历史。

2）少数民族首创梯田

梯田的开创者首先是少数民族,龙脊梯田是由瑶族建造,紫鹊界梯田则由瑶族和

苗族建造,哈尼梯田则是哈尼族建造。

梯田不仅如诗如画,而且有深厚的少数民族文

化涵。

3）规模宏大

2

龙脊梯田有500余级,分布面积有66km,,多位于海拔300m到1100m的山坡上,

[7]?

坡度大都为之间。

紫鹊界梯田面积近八万亩,其中连片有2万余亩,从海

26~35

拔500m到1200米之间。

有500余级,坡度一般在30°左右,有的甚至可达50°以

[9]

上;哈尼梯田仅元阳一处就有1.67万亩,梯田最多级数达3000级,坡度最陡可达

[8]

75°。

4）特有的植被、水、土和气候

成土母岩经过长期风化,形成了有机质丰富的土壤;茂密的森林覆盖了每一个山

头,它的最大功效是使土壤不被冲刷,同时枯枝落叶归根增加了土壤的自然肥力;有

丰沛的降水渗入地下或千沟万渠的涓涓细流,使梯田有取之不尽用之不竭的水源,同

时又无暴雨造成的地质灾害;气候适宜,有充足的光照,如龙脊梯田平均日照1224.7

小时。

14国外研究现状

梯田在防止坡耕地水土流失、改善农业生产条件、提高农业生态系统功能、促进

山区社会发展方面都发挥了重要作用。

前人针对梯田的研究主要集中在以下几个方

面:

4三峡大学硕士学位论文

141土壤水分分布规律研究

梯田土壤水分变化的规律决定于两个方面。

一是土壤水分的蓄积,如降水、灌溉

水、地下水的供应和水气的凝结;二是土壤水分的消耗,如地面蒸发、作物的利用和

蒸腾,年份不同,土壤水分的收支也不相同,当消耗大于积蓄时,就造成土壤的干旱。

梯田土壤水分的变化是一个动态且复杂的变化过程,对土壤水的研究有利于合理进行

[18]

梯田形式的规划和布置。

国杰等通过研究发现梯田土壤水分变化幅度随土层深度

增加而变小,表土下0~20cm围水分分布变化最大,20~50cm与50~100cm

围土壤水分变幅大小随降水年型不同而变化,平水年50~100cm土层土壤水分变化

幅度大于20~50cm土层土壤水分变化,而干早年20~50cm土层土壤水分变化幅

[26]

度大于50~l00cm土层土壤水分变化。

卫三平、吴发启等根据梯田0~100cm土层

土壤含水量变化规律将其分为3个层次:

水分剧变层、水分主要供给层和水分相对稳

定层,其中水分相对稳定层是作物深层根系的主要分布层,也就是通常所说的“土壤

水库”,主要调节上下层土壤水分的供给与蓄积。

水平梯田土壤水分变化情况为:

0~

40cm无明显变化,40cm以下土壤含水量侧中部外侧,其中梯田外侧60cm土层处

土壤水分含量明显低于其他各层,从全年水分观测情况来看,每次观测的该层土壤水

分含量都非常低。

[13]

吴发启等针对不同宽度梯田果园的土壤水分研究发现,受梯田侧向蒸发影响,

宽式梯田外两侧土壤水分含量相差较大,一般在2%~8%之间;距田埂愈近,越靠

近外部,越接近土壤表层,土壤湿度越小,土壤愈干旱,越靠近里面,且越向下,土

壤湿度越大。

窄式梯田、外两侧0~200cm土壤水分分布比较接近,由于水分的侧

向蒸