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。     

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。     

植被发育斜坡土体大孔隙分布特征的染色示踪法研究

植被发育斜坡土体中广泛存在由各种大孔隙组成的大孔隙网络系统,其分布特征影响斜坡水文行为和孔隙水压力场,对斜坡稳定性有重要影响。运用亚甲基蓝溶液分别在木本植被群落斜坡和草本植被群落斜坡土体进行染色示踪渗透试验。通过对垂直剖面大孔隙分布模式的分析和对整个试验区大孔隙的深度分布的统计分析,研究大孔隙分布的非均匀特征。研究结果表明:1.大孔隙在垂直方向和横坡方向上的分布都表现出非均匀性,顺坡方向表现出明显的变异性;2.大孔隙分布表现出显著的各向异性特征,横坡方向的非均匀性比顺坡方向的非均匀性显著;3.草本植被群落斜坡土体大孔隙分布的非均匀性和变异性比木本植被群落斜坡显著;4.在100 cm×100cm的尺度下研究大孔隙分布特征是合理的。     

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。     

植被发育斜坡非饱和带大孔隙

在气候温湿的滑坡灾害易发区,根系通道、动物通道、干裂缝、管道及团聚体间的结构性孔隙等大孔隙普遍存在于斜坡非饱和带中.采用微观观察、化学分析和现场试验方法并结合相关学科的研究成果,分析大孔隙界定、大孔隙类型和主控因素、大孔隙三维空间结构及大孔隙时效稳定.不同测量方法的差异和大孔隙密度时空变异性是目前大孔隙定义缺乏统一性的原因.大孔隙尺寸不能作为唯一标准界定大孔隙,必须考虑其三维几何形态.多因素控制大孔隙的成因和类型,其中根系通道、裂缝和结构性孔隙对优先流有显著贡献.需从三维几何学和拓扑学方面进一步研究大孔隙三维结构.枯枝落叶层是大孔隙抵御环境因素扰动的重要屏障,但大孔隙域与周围基质域水量交换对大孔隙时效稳定是不利的.深入研究以上问题对植被发育斜坡优先流模型的改进和发展是重要的.     

植被发育斜坡根土间隙降雨入渗研究

基于土柱CT扫描数据,运用Volview软件重构土体三维图及根系分布图,精确了解土体根系分布情况;应用Navier-Stokes方程计算根土间隙物理概念模型,分析横向间隙流速分布情况;采用格子Boltzmann方法,并结合Matlab程序,实现渗流场细观模拟。为研究根土间隙在土体降雨入渗过程中的作用,综合以上多种方法,深入并全面分析根土间隙在植被发育斜坡降雨入渗过程中的作用。结果表明,(1)CT扫描技术结合Volview软件能够进行土柱三维重建,从而获取根系在土体分布实际情况,为研究根土间隙导流奠定基础;(2)横向根土间隙流速分布情况,中心线位置流速最大,为平均速度的1.5倍;(3)格子Boltzmann方法作为一种基于流体离散粒子的计算方法,能够结合编程软件进行土体渗流细观模拟;(4)随着深度的增加,竖向根土间隙渗流速度逐渐降低,其渗流作用主要依赖于一些连通性好的间隙通道,且流速在30 cm左右深度降低为零。以上各分析手段可有效评估根土间隙对植被发育斜坡在降雨入渗过程中的贡献,并深入分析植被发育斜坡根土间隙降雨入渗机理。     

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。     

三峡库区不同垂直带森林土壤大孔隙染色实验

降雨过程中森林土壤大孔隙内优先流的发生,是森林植被调蓄径流和保持水土的主要方式。利用染色示踪法,对三峡库区宜昌大老岭-邓村地区不同垂直带内森林土壤大孔隙特征进行了实验研究。结果表明,山地植被-土壤类型的梯度变化使不同垂直带内土壤大孔隙数量差异显著,在土壤垂直剖面内呈现不同分布模式。亚高山阔叶林覆盖的山地棕壤下,土壤剖面染色面积比达62.3%,染色区域主要集中在根系发达的腐殖质层,染料下渗深度较浅。低山针叶林黄壤剖面染色比例低于亚高山阔叶林棕壤,但染料下渗深度较深可达69.5 cm,腐殖质层、淋溶淀积层和母质层间染色比例无显著差异。中山灌丛幼林黄棕壤剖面染色比例和染料下渗深度较小,腐殖质层染色比例显著高于淋溶淀积层,母质层几乎无染色现象。与森林土壤相比,低山弃耕坡地的染料下渗深度和染色面积比显著减小,染色区域集中在耕作表层。植物根孔、母质裂隙、土壤发育程度和土地耕作是造成山地不同垂直带间土壤大孔隙结构差异的主要因素。     

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。     

水分再分布过程中指流特性及影响因素的实验研究

水分在土壤中的运移过程可分为土体表面存在水分供给的入渗过程和水分供给结束后水分在土体中的再分布过程两个阶段。指流作为一种优先流,区别于大孔隙流和漏斗流。国外已有研究指出,指流可以在充分供水结束后的土壤水分再分布过程中出现。然而,目前国内对指流的研究极少,对其认识和理解也相当缺乏。由此,本文采用石英砂介质对其进行了实验验证,分析了水分再分布过程中指流的特性;同时探讨了前期供水量、实验土箱尺寸、溶液浓度等因素对其发育的影响。研究结果表明,水分再分布过程中,均匀砂质土体中易于出现指流;前期供水量的多少对随后水分再分布过程中指流发育的最终形态影响不大,但能够对指流发育进程产生明显的影响;实验土箱较小时,可使原来指流发生比较明显的土体系统呈现出稳定形态;增大单一溶液的浓度对指流发育有着明显的促进作用,但其指流现象较采用自来水的处理为弱。     

荒漠绿洲土壤优先流研究进展

荒漠绿洲土壤受干湿交替、冻融作用和土壤特性等非生物因素和动物洞穴、植物根系生物因素影响,存在大孔隙。水分和溶质优先沿着相互连通的大孔隙快速补充到土壤深层或浅层地下水,引起绿洲农田水分、养分损失;大孔隙存在,增强了土壤通气性,促进农田地力提升。荒漠绿洲土壤优先流的发生,减少地表径流及其侵蚀,促进水分入渗,影响着干旱区植被恢复和地下水补给。重点分析影响荒漠绿洲土壤优先流的非生物和生物因素,综述优先流对该区土壤性质和水文要素的影响。未来该区研究应重视以下几个方面：（1）加强大孔隙三维空间构型的研究,分析大孔隙结构与土壤优先流发生的内在机制;（2）开展不同景观类型土壤优先流的野外监测,认识土壤优先流的运动规律,揭示荒漠绿洲土壤优先流与植被互馈机制;（3）发展并构建荒漠绿洲土壤优先流运动的动力学模型。     

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。     

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。     

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。     

黄土高原地质灾害发生规律

我国每年约有30%地质灾害发生在约占国土面积6%黄土高原地区,灾害数量多、危害严重、机理复杂,然而由于对黄土灾害的发生规律仍然不明晰,长期以来制约了区内大型工程建设、移民搬迁选址等工作。依托1:5万黄土高原区地质灾害调查数据,通过专题要素图件编制和数理统计等手段,重点分析11680处地质灾害,总结了灾害时空分布规律。结果表明,1)在区域地质构造抬升的背景下,黄土高原地形破碎,地貌沟壑纵横,具有滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害多发的特点。2)地质灾害具有明显的时空发生规律,在整个黄土高原区域尺度上,地貌演化与斜坡结构控制地质灾害空间分布和斜坡破坏模式;在流域尺度上,老年期、壮年期、幼年期等沟谷发育期控制着地质灾害变形破坏模式及危害程度;在具体斜坡点上,坡型、坡度、坡高等坡体几何形态控制地质灾害的类型和失稳概率;在时间上,降雨及冻融作用控制年内地质灾害的分布。     

宽级配弱固结土体内细颗粒迁移规律研究评述

宽级配弱固结土体中细颗粒的迁移是导致滑坡和泥石流的一个重要原因。本文总结了宽级配弱固结土和细颗粒分界粒径的基本概念,以及细颗粒迁移特性,并总结了现有细颗粒迁移在各学科研究的实验方法、数值模拟方法以及研究成果。现有研究表明在宏观尺度上,宽级配土体内细颗粒在水动力条件下的迁移,会导致土体孔隙堵塞,是土体渗透性的降低、发生滑坡泥石流的重要原因;同时亦影响水利科学中土石坝运行,甚至造成管涌破坏。在细观尺度上,相关成果仍旧不完善,亟待在今后进行深入研究。未来建议重点发展微观数值模拟技术,高精度的试验监测手段,并考虑孔隙结构和颗粒级配变化、细观-微观-宏观多尺度转换以及气、固、流多相流耦合条件下的细颗粒迁移规律。     

岷江上游山区聚落生态位空间分布特征研究

基于岷江上游山区藏-羌-回-汉聚落生态位和植被生境适宜性的空间分布,借助分形和贝叶斯模型,定量刻画聚落生态位的民族属性对山区聚落生态位的空间分布特征的影响。结果表明：① 岷江上游藏-羌-回-汉聚落生态位间隙度维数分别为0.949、0.942、0.890、0.960,汉族聚落生态位的高间隙度维数,揭示了山区汉族聚落封闭性特点。同时,流域内1 667个聚落生态位间隙度维数（0.946）与藏族（0.949）相似,表明藏族聚落生态位空间异质性特征能够反映整个流域山区聚落生态位空间分异程度。② 岷江上游藏-羌-汉-回聚落生态位内的植被生境适宜性指数均值分别为：2.816、2.622、2.529、2.644,说明山区聚落生态位的空间分布与植被生境相适宜。同时,流域内1 667个聚落生态位几何特征对植被生境的敏感程度（0.601）与羌族（0.610）相似,表明羌族聚落生态位的几何特征具有典型性。③ 藏-羌-回-汉聚落生态位的空间聚簇性地域分异明显、地理边界清晰,说明聚落生态位的民族属性对聚落区位、规模和形态具有显著影响。     

腾格里沙漠植被特征

腾格里沙漠植被在维持沙漠生态系统稳定、促进生物多样保护及防风固沙等方面发挥着极其重要作用。在实地调查和查阅资料的基础上,划分了腾格里沙漠植被类型,分析了典型植物群落数量特征。结果表明:(1)腾格里沙漠植被类型较多,有6个植被型组、17个植被(亚)型、35个植被群系,具有典型的荒漠化草原植被特征。植被空间分布差异明显,南部流沙分布较广,植被类型单一,北部戈壁与沙漠交错分布,植被类型及物种组成相对丰富。(2)腾格里沙漠共有天然种子植物60科201属382种,多年生草本、一年生草本和灌木分别占总物种数的44.50%、25.92%和21.99%,乔木、寄生草本和水生草本数量较少。(3)腾格里沙漠典型灌木群落中,一年生草本占有较大比例,多年生草本次之,灌木所占比例相对较小,灌木常为群落优势种,属于群落稳定层片,而一年生草本数量随降雨变化较大,属于不稳定层片。(4)群落多样性南北差异较大,沙漠南部群落物种组成相对单一,物种丰富度、Simpson指数、Shanon-wiener指数、种间相遇率相对较低,沙漠北部群落物种组成丰富,多样性指数高,生态优势度不明显。     

天水地区泥石流灾害基本特征

天水地区泥石流灾害可以分为泥流、泥石流和水石流三种。泥石流灾害暴发的频率与境内降雨的年时空分布规律基本一致,但其在空间上分布极不均匀。基于SRTM90数据,并结合天水地区泥石流灾害点实地调查统计分析,可以得出该区泥石流主要发育在1600~2200m高程以内的坡度在30°以上的风化强烈与松散堆积集中的山体斜坡带。