植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙研究

【摘要】上世纪中期以来,强降雨诱发的山区流域植被发育斜坡大规模群发性失稳的频率越来越高,降雨型滑坡给广大人民群众生活和安全构成的威胁和生态环境造成的破坏已引起各国学者的广泛关注,对其形成机制、过程及灾害效应的研究已取得了若干进展,但总体上这些成果是不均衡的,主要表现在对降雨-滑坡这一关系形成的基础环节-降雨(经大孔隙通道)入渗研究以及对渗透介质的刻画精度不高,机制研究明显滞后,因而开展植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙及其对降雨入渗的影响研究显得很有必要,本文选择云南省境内段家营和头寨两个披覆有不同植被的自然斜坡(五个试验点)为研究对象,采用现场和室内试验、送样分析以及数值模拟等手段研究植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙基本特征及其影响因子、大孔隙的定量化分析和三维重组、大孔隙流过程及大孔隙对降雨入渗的影响。本文的主要工作和取得的主要成果如下：(1)试验区植被发育斜坡非饱和带土体的物理、化学和水理性质研究表明：斜坡土体(尤其是头寨试验区)的有机质含量较高,导致土体呈现高孔隙度-低容重-高含水率的物理特征以及高胀缩性的水理特征,其物理参数与农业土壤和裸露斜坡土体具有明显的差别。试验区峨眉山玄武岩风化壳经历了强烈的脱硅富铝作用和风化淋溶过程,其风化过程符合表生条件下成土作用规律。(2)植被-动物-有机质相互驱动为植被发育斜坡非饱和带土体中大孔隙形成和演化提供了有力的条件。采用亚甲基蓝和罗丹明B为示踪剂进行多组不同强度降雨的染色示踪试验表明：大孔隙流行为表现出较强的异质性和非均匀性,不同植被发育斜坡土体中大孔隙流区别很大；局部染色特征表明大孔隙类型主要有植物根系腐烂后残留的通道、根系-土体以及砾石-土体接触带空隙、动物通道、团聚体间结构性大孔隙、土体干缩以及气候冻融交替产生的裂隙,其中植被根系对大孔隙的影响占主导地位。(3)采用CT无损检测技术对试验区大尺度土柱进行扫描,利用CT值范围将大孔隙从CT切片上提取出来,大孔隙定量化计算表明植被发育斜坡非饱和带土体中大孔隙发育规模显著高于农田耕地土和水稻土,大孔隙的平面和空间变异性由两个独立参数成圆率和复杂度表征,两者随深度的离散性较小。土体中大孔隙具有统计意义上的自相似特征,其盒维数随深度单调递减,并与大孔隙度呈显著正相关关系；当盒维数一定时,累积大孔隙度随大孔隙孔径呈幂函数规律递增。基于VolView软件,对试验区土体及其大孔隙结构进行三维重组,方法可行且图像质量理想。(4)基于格子Boltzmann方法对大孔隙流过程的研究结果表明：方法能清晰定量化描述大孔隙流湿润前锋的推进过程,大孔隙效应明显,在固定格点处流速随着时间的推移逐渐增加最终趋于稳定,大孔隙效应逐渐减弱；在连通性较好、孔径较大的区域流体流速较快,且在孔隙中心流速最大,往两侧逐级递减；大孔隙流模拟过程与实际斜坡区土体大孔隙流过程相吻合,说明格子Boltzmann方法具有很好的适用性。(5)由于非饱和带土体中大孔隙的广泛存在,植被发育斜坡土体具有强吸-强贮-高渗的特点,促使斜坡能基本上同步吸收来自降雨过程的全部水量,极大优化着地下水的补给环境；同时,沟谷溪流流量对降雨的响应表现出无明显滞后和强烈敏感特征,且绝大部分的溪流流量均来自于地下水排泄,表明斜坡地下水的径流交替十分强烈；再者,大孔隙通道能为斜坡水-岩化学作用提供物质基础和湿度条件,保持水-岩化学作用体系内交换相饱和指数始终处于较低水平,保证水-岩化学作用时间上的连续性,所以在降雨条件下,植被发育斜坡非饱和带土体中大孔隙显著的影响着水分入渗,促进地下水补给和循环以及斜坡水-岩化学作用,从而推动着斜坡失稳的进程。本文的研究有如下的创新性：(1)植被发育斜坡土体大孔隙分布特征及其对强降雨过程的响应与裸坡具有明显的不同,在已有研究中,现场和室内降雨入渗试验以及相关数学模型的建立大多没有考虑植被的影响,有的甚至人为消除了植被因素,本文以两个披覆有不同植被的自然斜坡为研究点,研究结果具有较强的针对性和指导意义。(2)已有对大孔隙分布特征的研究多集中于农业土壤,且采用CT扫描进行的相关研究相对偏少,以植被发育斜坡土体为对象且以山区流域频发性滑坡地质灾害为背景的研究则更少,本文CT扫描对象为大尺度(25cm×25cm×50cm)的植被发育斜坡非饱和带土柱,在研究对象和研究尺度上具有一定的突破。(3)本文创新性的将格子Boltzmann数值模拟方法和CT切片相结合,对大孔隙流过程进行研究,为三维空间内土体的大孔隙渗流研究奠定了基础。
【作者】徐宗恒；
【导师】徐则民；
【作者基本信息】昆明理工大学，工程力学，2014，博士
【关键词】植被发育斜坡；大孔隙；染色示踪；CT扫描；LBM方法；降雨入渗；

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