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植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙对降雨入渗影响研究

作　者: 张家明
导　师: 徐则民
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 植被发育斜坡大孔隙降雨入渗染色示踪渗透试验大孔隙流模型有限元本论文得到国家自然科学基金-云南联合基金重点项目资助(项目编号 U1033601)
分类号: P641.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

二十世纪中期以来,在日益加剧的全球变暖趋势的强烈驱动下,极端强降雨事件及与之相伴的山区流域植被发育斜坡群发性失稳事件的发生频率越来越高,因此对该问题深入研究具有重要的现实意义。截止目前,对降雨诱发型滑坡的研究主要集中在并无直接关系的降雨事件与滑坡事件及斜坡岩土体水岩相互作用方面,而对地下水对降雨的响应过程和响应机制的研究没有得到足够重视。地下水对降雨响应的第一发生环节是土壤水对降雨的响应,土体结构是影响该响应过程的重要因素。天然植被发育斜坡非饱和带土体中存在各种大孔隙结构,但既有斜坡土体降雨入渗研究多未考虑大孔隙的影响,因此植被发育斜坡土体降雨入渗研究已成为系统理解地下水对降雨响应的瓶颈。因此,本文采用现场亚甲基蓝染色示踪渗透试验法、碘-淀粉可视化方法、理论分析和有限元软件HYDRUS-2D数值模拟分析植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙对降雨入渗的影响研究。本文完成的主要工作和取得的主要成果如下：1、对呈贡段家营试验区和昭通头寨沟试验区植被发育斜坡土体的物理、化学和水力特性进行了室内试验和现场试验研究。试验结果表明：植被发育斜坡土体的含水率和总孔隙率一般比裸坡土体和耕作土壤大,而容重和比重一般比裸坡土体和耕作土壤小：植被发育斜坡土体有机质含量比耕作土壤多；植被发育斜坡土体的给水度和饱和导水率总体随深度增加而减小,其中饱和导水率普遍大于裸坡土体和耕作土壤。2、选择亚甲基蓝作为染色示踪剂,在植被发育斜坡非饱和带开展染色示踪渗透试验,研究植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙类型、大孔隙流路径分布模式及植被根系、有机质、土壤颗粒尺寸分布和土壤动物对大孔隙流路径分布模式的影响。研究得出以下结论：植被发育斜坡土体大孔隙主要有植被根系通道(有根皮腐烂根系通道、无根皮腐烂根系通道和根-土间隙),动物通道、洞穴,团聚体间大孔隙和砾-土间隙,其中根-土间隙是最主要的大孔隙；植被根系显著影响大孔隙流路径数量、尺度和分布特征,尤其是铅垂向下和顺坡向下的根系,当根系尺寸增大时,其对大孔隙流路径影响更显著；有机质有利于团聚体间大孔隙的形成；黏粒、粉粒和砂粒对大孔隙流路径形成没有积极功效,但砾粒有利于大孔隙路径形成,尤其是在表土层；土壤动物区系对动物通道网络形态的影响与动物生活习性和土壤质地、根系分布情况有关。3、采用碘-淀粉可视化方法和聚类分析方法研究植被发育斜坡非饱和带水流路径分布模式。试验结果表明：从地表垂直向下,强降雨条件下植被发育斜坡水流路径分布模式异质性逐渐增大；水流路径在顺坡方向的异质性比垂直方向的异质性大。4、土壤水运动理论研究表明非饱和土壤水运动理论有两次质的飞跃发展,但既有大孔隙流模型研究主要针对农业土壤,不适用于研究植被发育斜坡大孔隙流问题。本文提出植被发育斜坡非饱和带土体根-土间隙大孔隙流的概念模型。5、基于染色示踪渗透试验、水流路径示踪试验和既有相关研究成果讨论植被发育斜坡大孔隙对降雨入渗的影响。研究得出如下主要结论：植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙主要通过截留地下暴雨径流而产生大孔隙流,快速增加降雨入渗进入土体的面积,加速降雨入渗；树干径流也能快速进入土体深部；土壤动物通道或土体的饱和导水率、入渗率与动物通道的生物量、总面积、长度和体积呈正相关关系,而与通道的连通性关系不显著；砾-土间隙截留地下暴雨径流或其他类型的大孔隙流,提高土体降雨入渗能力；植被根系通道对降雨入渗的影响远大于土壤动物通道；大孔隙网络系统的非均匀性导致土体含水率空间分布异质性。6、采用有限元软件HYDRUS-2D模拟分析相同降雨条件下,有无大孔隙、大孔隙直径、长度、弯曲率、密度和轴向对植被发育斜坡降雨入渗的影响。分析得出以下一些结论：植被发育斜坡土体大孔隙加快降雨垂直入渗,减弱表土层地下径流,延缓表土层出现暂态饱和区的时间,导致湿润前锋形态不规则；单根大孔隙直径变化对斜坡剖面含水率分布、压力水头分布和湿润前锋形态影响不大；大孔隙直径增大,优先流流速减小,大孔隙积水响应时间(稍微)推迟,有压入渗面积增大致使大孔隙内积水消散更快；大孔隙长度增大,斜坡剖面湿润前锋形态越不规则,降雨入渗深度越深,延缓大孔隙底部积水响应时间,大孔隙内积水高度减小,大孔隙长度对优先流流速没有显著影响；大孔隙弯曲率增大,其内部积水响应时间先增大后减小,降雨垂直入渗深度减小,大孔隙内积水长度增加,优先流最大流速先增大后减小；大孔隙弯曲率对湿润前锋形态的影响主要在降雨初期,随着弯曲率增大,湿润前锋形态不规则性逐渐减小；大孔隙群密度增大,湿润前锋形态越复杂,降雨下渗越快,大孔隙积水响应时间延缓,大孔隙之间的相互作用越显著；大孔隙群轴向与斜坡倾向之间的夹角减小,斜坡坡面湿润前锋形态不规则性减弱,优先流最大流速增大；当大孔隙位于表土层且大孔隙轴向与斜坡坡面近似平行时,大孔隙不利于降雨入渗。

全文目录

目录  4-7
摘要  7-9
Abstract  9-12
第一章绪论  12-27
  1.1 引言  12-14
  1.2 降雨—地下水—滑坡关系  14-21
    1.2.1 降雨与滑坡的关系  14-17
    1.2.2 地下水与滑坡的关系  17-18
    1.2.3 降雨与地下水的关系  18-21
  1.3 斜坡土体降雨入渗研究进展  21-23
  1.4 本文的主要研究内容和论文结构安排  23-26
  1.5 本文特色和创新之处  26-27
第二章试验区概况及植被发育斜坡土体基本特性  27-51
  2.1 引言  27
  2.2 试验区基本概况  27-35
    2.2.1 段家营试验区  27-32
      2.2.1.1 自然地理环境  27-30
      2.2.1.2 工程地质环境  30-32
    2.2.2 头寨沟试验区  32-35
      2.2.2.1 自然地理环境  32-34
      2.2.2.2 工程地质环境  34-35
  2.3 植被发育斜坡土体基本特性  35-49
    2.3.1 土体物理特性  35-38
    2.3.2 土体化学特性  38-43
    2.3.3 土体水力特性  43-49
  2.4 本章小结  49-51
第三章植被发育斜坡土体大孔隙辨识与特征研究  51-78
  3.1 引言  51-52
  3.2 大孔隙界定  52-54
    3.2.1 定性定义  52-53
    3.2.2 定量定义  53-54
      3.2.2.1 直接定义  53-54
      3.2.2.2 间接定义  54
  3.3 试验设计  54-58
    3.3.1 试验工况  54-55
    3.3.2 试验步骤  55-58
    3.3.3 图像处理  58
  3.4 大孔隙类型及控制因素  58-68
    3.4.1 根系通道与植被根系  58-62
    3.4.2 动物洞穴、通道与土壤动物区系  62-66
    3.4.3 团聚体间大孔隙与有机质  66-68
    3.4.4 土壤管道、砾土间隙与碎石  68
  3.5 大孔隙流路径分布模式  68-76
    3.5.1 大孔隙流路径分布模式  69-71
    3.5.2 根系对大孔隙流路径的影响  71-73
    3.5.3 有机质对大孔隙流路径的影响  73
    3.5.4 碎石对大孔隙流路径的影响  73-75
    3.5.5 土壤动物对大孔隙流路径的影响  75-76
  3.6 本章小结  76-78
第四章强降雨条件下植被发育斜坡非饱和带水流路径可视化研究  78-98
  4.1 引言  78-79
  4.2 试验设计  79-83
    4.2.1 试验工况  79
    4.2.2 试验原理  79-80
    4.2.3 试验步骤  80-82
    4.2.4 图像处理  82-83
  4.3 水流路径分布模式聚类分析  83-97
    4.3.1 垂直方向聚类分析  83-90
    4.3.2 顺坡方向聚类分析  90-97
  4.4 本章小结  97-98
第五章非饱和土壤水运动理论研究  98-119
  5.1 引言  98
  5.2 土壤水的形态和能态  98-102
    5.2.1 土壤水的形态  98-99
    5.2.2 土壤水的能态  99-102
  5.3 土壤水运动基本方程  102-107
    5.3.1 非饱和土壤水运动达西定律  102-103
    5.3.2 非饱和土壤水运动的连续方程  103-104
    5.3.3 非饱和土壤水运动的基本方程  104-106
    5.3.4 土壤水运动基本方程的定解条件  106-107
  5.4 土壤水运动参数  107-112
    5.4.1 土壤水分特征曲线  107-109
    5.4.2 非饱和土壤导水率  109-110
    5.4.3 比水容量和扩散率  110-111
    5.4.4 土壤水运动参数测定  111-112
  5.5 大孔隙流模型  112-117
    5.5.1 大孔隙流概念模型  112-113
    5.5.2 大孔隙流计算模型  113-116
    5.5.3 植被发育斜坡非饱和带大孔隙流概念模型  116-117
  5.6 本章小结  117-119
第六章大孔隙对植被发育斜坡非饱和带土体降雨入渗的影响  119-135
  6.1 引言  119
  6.2 大孔隙对降雨入渗过程的影响  119-124
  6.3 大孔隙对土体入渗性能的影响  124-131
    6.3.1 土壤动物通道与土体入渗率  125-128
    6.3.2 碎石与土体入渗率  128-129
    6.3.3 植被根系通道与土体入渗率  129-131
  6.4 大孔隙对含水率分布的影响  131-132
  6.5 本章小结  132-135
第七章非饱和带大孔隙对降雨入渗影响的数值分析  135-154
  7.1 引言  135-136
  7.2 数值模拟方法  136
  7.3 计算模型及工况  136-140
    7.3.1 计算模型  136-138
    7.3.2 计算工况  138-140
  7.4 计算结果分析和讨论  140-152
    7.4.1 有无大孔隙对降雨入渗的影响  140-145
    7.4.2 大孔隙直径对降雨入渗的影响  145
    7.4.3 大孔隙长度对降雨入渗的影响  145-148
    7.4.4 大孔隙弯曲率对降雨入渗的影响  148-149
    7.4.5 大孔隙密度对降雨入渗的影响  149-151
    7.4.6 大孔隙群轴向对降雨入渗的影响  151-152
  7.5 本章小结  152-154
第八章结论  154-158
  8.1 本文主要工作及结论  154-158
参考文献  158-179
致谢  179-180
附录A (攻读博士学位期间撰写的学术论文及获得奖励)  180-181
附录B (攻读博士学位期间参与的研究课题)  181

植被发育斜坡非饱和带土体大孔隙对降雨入渗影响研究

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