植被发育斜坡土体大孔隙结构多尺度特征

植被发育斜坡土体中普遍存在大孔隙,在强降雨过程中大孔隙产生的优先流加快降雨入渗,影响斜坡稳定。大孔隙结构影响优先流过程和优先流的水动力特性。为探明植被发育斜坡土体大孔隙结构的多尺度特征,本文在分析土体大孔隙研究进展的基础上,提出适用于研究植被发育斜坡土体大孔隙的试验方法。以云南省段家营、头寨、象冲、东月各、白泥山和贵州八渡滑坡的植被发育斜坡土体为研究对象,采用挖掘法、染色示踪法、CT扫描法、SEM法定性和定量分析植被发育斜坡土体大孔隙的多尺度几何形态和分布特征。研究表明:挖掘法、染色示踪法、CT扫描法、内窥镜检查和SEM法适用于分析植被发育斜坡土体的大孔隙结构;植被发育斜坡土体的大孔隙有腐烂根系通道、根-土间隙、动物通道、团聚体间大孔隙、土-石间隙、干缩裂隙和成因不明大孔隙,其中前四种是主要类型;各种大孔隙相互交织组成大孔隙网络系统;受到植物物种、树龄、动物物种、土体生态系统和立地条件的影响,不同类型大孔隙的多尺度几何形态和分布特征不同。将先进技术手段与染色剂溶液降雨模拟示踪试验结合起来,研究大尺度的大孔隙三维几何形态和分布特征是未来的主要工作。     

根-土间隙对斜坡降雨入渗的贡献——以头寨和段家营地区为例

在植被发育程度较高的云南昭通头寨试验区和呈贡段家营试验区,使用亚甲基蓝和罗丹明B溶液多次进行染色示踪渗透试验,发现根-土间隙的导流现象十分明显,其导流作用很可能已经超过了传统的三类土体大孔隙。对不同尺寸根-土间隙流道内水分入渗速度模型进行推导与理论计算,并将其与实测实值进行比较分析,最后讨论了头寨试验区和呈贡段家营试验区斜坡土体中根-土间隙在降雨入渗过程中导流量所占比例。结果表明:昭通头寨和呈贡段家营试验区斜坡土体中根-土间隙的尺寸主要集中在0.5~1.0 mm,多数间隙尺寸为0.5 mm左右,根-土间隙流道内水分下渗速度主要分布在区间0.027~0.203 mm/s和0.014~0.102 mm/s,两试验区土体中根-土间隙的导流量分别占总入渗量的72%~82%和54%~70%,相同面积上,头寨试验区土体中根-土间隙的导流量是呈贡段家营试验1.67倍,根-土间隙对降雨入渗的贡献是显著的。     

植被发育斜坡非饱和带土体优先域及其对水分入渗的贡献——以云南省呈贡和昭通玄武岩质斜坡为例

为了全面得到植被发育斜坡非饱和带土体中优先域结构类型,以2个试验区5个玄武岩斜坡为研究对象,采用染色示踪试验揭示优先域的存在形式及其影响因素,并采用双环入渗试验对不同深度非饱和带土体渗透特征进行测定,揭示优先域对水分入渗的贡献。研究表明：植被发育斜坡非饱和带土体中优先域结构类型除了传统的植物根系腐烂后残留的通道、动物通道、土体干缩裂隙以外,还存在有根系-土体以及砾石-土体接触带空隙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;试验区斜坡非饱和带土体的饱和渗透速度随深度增加有降低的趋势,土体饱和渗透速度最大值高达513.6 mm/h（表层）;最小值13.33 mm/h,受广泛分布的优先域影响下形成的斜坡饱和带高渗透盖层对降水入渗的贡献是巨大的。     

不同植被发育斜坡土体优先流特征

以昆明市呈贡新区马卡山云南松和狗牙根两类典型植被发育斜坡土体为研究对象,采用染色示踪试验研究了水分通过斜坡土体大孔隙网络以优先流形式下渗这一过程。对采集到的剖面染色示踪图像进行处理,得到了土体优先流特征参数的变化规律,结果表明:不同植被发育斜坡土体对降雨的响应是不同的;平均染色面积比和染色路径数量在同一深度不同剖面间以及不同深度处同一剖面间均表现出明显的异质性;除了表层2 cm深度范围外,其余深度处云南松发育斜坡土体中平均染色面积和平均染色路径数量比狗牙根的大,说明前者优先流发生和发展较后者活跃。最后,通过对土体中分层根系生物量的测定,发现其与总染色面积比以及染色路径数量随深度增加呈较好的正相关关系,说明斜坡土体中优先流特征与植被根系分布有着密切的关系。     

植被发育斜坡土体中根-土间隙的导流特性

水分或溶液在土体中的迁移具有空间和时间上的异质性。以植被发育斜坡云南昭通头寨沟和昆明呈贡段家营为研究试验区,分别运用亚甲基蓝和罗丹明B溶液进行了多次染色示踪渗透试验,发现根-土间隙的导流现象十分明显,其导流作用很可能已经超过了传统的三类土体大孔隙。然而,国内外研究者对根-土间隙方面的研究还比较欠缺。为此,对根-土间隙宽度为0.5~3.0 mm,步长为0.5 mm流道内单相流体摩擦阻力系数和入渗速度进行了理论计算,并讨论了在同一流道和不同间隙流道内影响水分下渗速度的因素,结果表明:根-土间隙的大小对根-土间隙通道内流体的流动特性有着重要影响,随着间隙的减小摩擦阻力系数也相应减小;间隙对流动阻力系数的影响还依赖于Re的大小,其影响随Re的减小而减小。在昭通头寨植被发育斜坡土体中,根-土间隙宽度主要集中在0.5~1.0 mm,间隙内水分下渗的速度分布在区间0.014~0.203 mm/s;相同面积上,头寨试验区渗透速率是呈贡段家营试验区的26.28倍。由于根-土间隙的存在,大大地促进了土体水分的快速下渗,对滑坡孕育的贡献是显著的。     

碘-淀粉显色试验研究植被发育斜坡非饱和带土体水流路径

植被发育斜坡非饱和带土体中共同存在基质孔隙和大孔隙。为研究强降雨条件下植被发育斜坡非饱和带土体中水流路径分布模式及水流运动过程。在云南螳螂川流域的马卡山开展碘-淀粉显色示踪试验,基于顺坡方向的垂直染色剖面,采用经典K均值聚类算法和一般统计法研究水流路径分布特征。结果表明:1.水流路径分布是非均匀的,顺坡方向的异质性比垂直方向显著,湿润前锋面不是平面,降雨入渗不是活塞式,Darcy定律和Richards方程等均匀多孔介质水流理论不能完整地描述强降雨条件下植被发育斜坡非饱和带土体的水流运动过程;2.随着非饱和带土体深度增加,水流从基质流渐变到优先流与基质流的过渡流,深部土体以优先流为主;3.应该从三维流场方面对植被发育斜坡非饱和带土体中的水流运动过程进行精细描述。     

植被发育玄武岩斜坡土体基质吸力及其影响因素

植被发育斜坡非饱和带垂直深度50 cm范围内根系密布,与根系相关的大孔隙很大程度上降低了土体密实程度,而垂直深度50 cm范围内根系稀疏,土体较密实,孔隙比较小。基质吸力受土体孔隙分布影响显著。对昆明呈贡县某植被发育玄武岩斜坡垂直深度10~20 cm和60~80 cm处取原状样(编号为XA和XB)进行了基质吸力测试,结果表明相同含水率下基质吸力XA小于XB。对头寨沟滑坡左翼某植被发育玄武岩斜坡垂直深度10~20 cm和60~80 cm处取原状样(编号为TA和TB)也进行了基质吸力测试,结果表明相同含水率下基质吸力TATB。对研究区土体有机质含量测试发现,TA、TB分别为14.89%、3.28%,而XA、XB分别为1.05%、0.39%。土壤有机质自身结构疏松多孔,并且会增大土壤比表面积和毛管孔隙度,改善颗粒级配和土体结构,使土壤吸附作用增强,利于土壤水分的保持,进而影响到土体土-水特征曲线。     

碎石土古滑坡体水理性质与稳定性分析

碎石土古滑坡体水理性质特殊,特别是对强降雨的响应。大量工程经验表明,堆积体斜坡具有高渗透性、强贮水性及吸水性等诸多水理特性,这些特性主要受控于土体中各种孔隙、裂隙以及土体矿物成分等。堆积体斜坡对降雨响应过程中形成的暂态饱和区是浅层易滑区。表层发育有一定厚度土层的斜坡,可以防止滑带水分的过度蒸发,保证了滑带内的水-岩化学作用在时间上,尤其是无降水入渗的旱季的连续性。对堆积体稳定性不利。     

华南地区漓江上游3种典型森林不同层次土壤湿度比较研究（英文）

不同森林植被改变了林下穿透雨、树干径流、蒸发散和地表入渗,进而对林下不同层次土壤湿度产生重要影响。以华南地区漓江上游3种典型森林,包括毛竹林(Phyllostachyspubescens)、荷木林(Schimasuperba)和杉木林(Cunninghamia lanceolata)为研究对象,比较其不同层次土壤湿度及其影响因素。结果表明:(1)毛竹林、荷木林和杉木林3种典型植被林下凋落物层和土壤层存在明显差异,荷木林林下土壤入渗强于毛竹林和杉木林;(2)由于森林植被垂直结构差异,从0–20cm表层土壤到50–80 cm深层土壤,3种典型植被不同层次土壤湿度存在较大的时空差异;(3)荷木林各层次土壤湿度都明显高于毛竹林和杉木林;(4)各层次土壤含水量与年降雨关系密切,随雨旱两季变化,毛竹林、荷木林和杉木林不同层次土壤湿度随降雨变化趋势基本一致;(5)在0–20 cm表层土壤,土壤湿度主要受地表凋落物性质的影响,而在深层土壤,土壤湿度主要受植物根系分布和土壤物理性质的影响。本研究为深入了解漓江上游森林植被对降水产流的调节作用,客观评估漓江上游水资源和科学管理水源涵养林提供理论依据。     

震区砾石土泥石流起动临界状态与力学性状

虽然汶川震区的松散砾石土历经近10年的自然固结过程,坡面植被恢复良好,但灾后持续活跃的泥石流等地质灾害告诉我们,了解这类因地震产生的砾石土的力学性状,仍然是理解灾区地质灾害肆虐的最重要的方面之一。本文以汶川县映秀镇牛圈沟泥石流源区的砾石土为研究对象,采用人工水槽模型试验与三轴测试,观察泥石流起动时砾石土的宏细观现象,分析粗细颗粒含量变化对砾石土干密度的影响,并从临界状态土力学角度,探讨了泥石流起动时砾石土的力学性状,提出砾石土临界状态数学表达式。结果表明:(1)泥石流起动时间、模式与初始干密度密切相关,其过程伴随着干密度和孔隙比的变化;(2)细颗粒迁移与粗细颗粒含量调整引起土体内部细观结构重组是干密度与孔隙比变化的主要原因;(3)相同级配的砾石土在等同围压条件下排水剪切,会近似达到一个临界孔隙比;(4)砾石土力学性状可根据其状态参数(e,p')与e_c-p'平面临界状态线的相对位置来判断;(5)砾石土边坡在降雨淋溶下失稳形成泥石流,坡体内同时存在剪胀与剪缩两种力学性状,且以剪胀为主。本文研究成果一方面能对泥石流起动机理的理论体系进行完善与补充,另一方面能为震区砾石土泥石流的防治预警预报提供初步依据。     

青藏高原东北部观赏地被植物马蔺根系固土护坡效应研究

为了进一步丰富青藏高原东北部地区植被护坡工程植物选择,推动区内植被护坡工程实用性和观赏性兼顾发展。该项研究以青藏高原东北部观赏地被植物马蔺为研究对象,以青海省大通县朔北藏族乡至东峡镇之间区域为研究区,在野外植物分布特征和生长特征调查的基础上,结合单根拉伸试验和重塑根-土复合体三轴压缩试验,定量评价了野生马蔺植株和根系生长特征、单根抗拉特性以及根系对土体抗剪强度的增强效应。试验结果表明：马蔺主要分布在研究区内洪积扇、坡积裙和河漫滩等地貌单元,立地条件包括上述地貌单元内的林下坡地、田间、道旁、湿地、荒地等;通过选取两处试验区开展调查可知,马蔺平均株高、冠幅和植株密度分别为75.22±11.40 cm、106.09±25.62 cm和1.51±0.55 株/m2;马蔺标准株根系分布深度可达50 cm,主要分布在0~30 cm深度范围内,根幅约40~50 cm;马蔺根径为0.20～0.70 mm,单根抗拉力、抗拉强度和延伸率平均值分别为7.94±2.91 N,46.30± 11.06 MPa和54.17%±17.08%,随着根径的增大,单根抗拉力和单根抗拉强度分别呈幂函数增大和幂函数降低关系,单根极限延伸率随着根径的增大呈逐渐增大变化趋势,但二者之间未表现出相对显著性的关系;马蔺根系对土体黏聚力和内摩擦角均有增强作用,可分别显著增强0~30 cm和0~10 cm深度范围内土体黏聚力和内摩擦角,且对土体黏聚力的增强作用较为显著。该项研究成果对于选用观赏地被植物马蔺进行研究区坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害现象的生态防护工作,具有理论研究价值和实际指导意义。     

植被发育斜坡土体干缩裂缝发育规律的实验研究

为了得到斜坡非饱和带土体失水过程中干缩裂缝的发育规律,实验室条件下,将不同粒度组成的四组植被发育斜坡非饱和带土样饱和以后恒温失水,获取裂缝形成和发展过程中形态特征,并计算分析其裂隙率和裂缝盒维数的变化规律;基于Image J软件计算裂缝发育稳定时被裂缝切割形成的块区个数和各块区面积。研究结果表明:在裂缝发育过程中,土样的裂隙率和盒维数呈上升的趋势,且两者呈显著正相关关系,裂隙率总体上符合三阶段变化规律;颗粒组分越粗,裂缝发育越缓慢,其盒维数越小,裂缝形态相对规则;裂缝发展稳定时裂缝块区面积分布范围越广,块区面积越不均匀,裂缝切割土样形成块区个数越少。本文仅主要考虑了土样颗粒组成对裂缝发育的影响,其他影响因素有待进一步试验分析。     

植被发育斜坡土体物理力学特性

头寨植被发育斜坡土体具有高含水率、大孔隙比、富含有机质等类似软土的基本物理性质。然而,与不同沉积相软土的压缩性对比,头寨土e-lgp曲线没有明显的结构屈服强度,e-p曲线不适用双曲线模型,也没有"倒大"的现象,压缩模量极小且有随深度递增的规律。头寨土剪应力-剪切位移曲线普遍无峰值,属于土样应变硬化的情况,年最低含水率100%、平均150%的超高含水率,使得土体具有极强的延性和变形性能。利用Image J对团聚体SEM照片分析表明,团粒的圆形度平均65%、复杂度平均42%、各向异性率平均25%,主定向角在0~360°之间变化,具有很好的"支架"结构,但团粒的"支架"作用并未体现。高含水率及团粒结构的特点,决定了头寨土压缩过程中孔隙水压力自始至终起到双重作用,即增大抗压性的同时也使得土中孔隙连通性增大,更容易压缩变形。     

巴丹吉林沙漠沙山区径流与地下水补给条件

在全球高差最大的巴丹吉林沙漠沙山斜坡上发现了沙漠区罕见的因大气降水而产生的地表超渗径流,地表径流侵蚀,缓渗径流及因地下径流出露而产生的地表径流--风沙混合物理沉积与化学沉积(次生盐).根据电镜观察,能谱分析,化学分析和粒度分析等资料,研究了径流化学沉积物的矿物和化学组成,风积沙和径流--风沙混合物理沉积物的粒度组成,径流类型及沙山区水分平衡,降水对地下水与湖水的补给机制.超渗径流的出现表明,虽然该区降水量少,但存在能够为地下水提供补给来源的较强有效降雨过程.径流,径流--风沙混合物理沉积和化学沉积等六项科学指标从深层次上充分证明,该区降水通过入渗至少达到了沙山的下部,完全能够对地下水构成有效补给.细粒层相对的隔水性是该区地下径流出露于地表的原因.沙山区确实存在令人惊奇的水分正平衡,即在大气降水在经过蒸发和蒸腾等消耗之后,每年还有约134648.4 t/km²水补给了地下水和湖水,成为湖水的重要补给来源之一.沙山区能够产生有效降水,植被稀少蒸腾量少,沙层入渗率高和沙层受蒸发影响深度很小是该区水分出现正平衡和大气降水能够补给地下水的四个条件,也是导致该沙漠区有众多湖泊发育的主要条件.