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植被发育斜坡根土间隙降雨入渗模拟

张有为  
【摘要】:植被发育斜坡频繁发生滑坡现象,给人民生命财产安全造成了难以估量的损失,引起学者广泛重视,然而相关研究以定性居多,定量化研究少之又少。随着滑坡事件增多,土体水分下渗以及优先流现象对滑坡孕育过程的作用引起广泛重视。大孔隙是产生优先流的主要路径,大孔隙的种类繁多。国内外也已有许多针对传统大孔隙导流现象(腐烂根系通道、虫孔通道和土体干缩裂缝)的研究,并对其在降雨入渗过程中产生的积极作用表示认可。然而相关研究还远远不够,像根土间隙这样的新型环状大孔隙,需深入全面分析。基于CT扫描数据,运用Volview软件重构土体三维图及根系分布图,了解土体根系分布情况;应用Navier-Stokes方程计算横向根土间隙物理概念模型,分析横向间隙流速分布情况,并通过C语言结合格子Boltzmann方法进行编程,分析得到流速云图,从而全面分析横向根土间隙在降雨入渗过程中的渗流场情况;用二值化方法处理CT扫描原始数据,得到试验需要的CT切片,采用格子Boltzmann方法,并结合Matlab程序,读取之前经过一系列处理过的CT切片,得到速度云图和流速时程变化情况,实现纵向渗流场细观模拟。综合以上研究方法,深入分析根土间隙对植被发育斜坡降雨入渗过程影响,得到结论如下:(1)CT扫描技术结合Volview软件,能够很好还原根系在土体中分布的真实情况,并且应用于土体渗流分析,能够为根土间隙导流奠定基础。采用取点法、隔离法以及综合法对各物质的CT值分类,最终确定砾石的CT值在1500到3071之间,根系的CT值在(-1200)到(-800)之间,风化壳的CT值为800到1200之间。(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,沿两边逐级递减,到两边壁面处流速为零。纵向根土间隙流速分布为,随着深度的增加,渗流速度逐渐降低,主要依赖于一些连通性好的间隙通道。(3)平板间隙流中实现的是模拟根土间隙数值模拟,得到流速变化分布规律,最大流速从中线位置向两端递减,就是泊肃叶流。(4)不同植被根土间隙纵向流速分布为,流速、流量均随深度增加而减小,木本植被群落土体各层流速、流量均大于草本植被群落,两种植被群落土体中根土间隙导流贡献率均随深度增大而增大,木本土体各层占比均大于草本,其值范围分别为40.91~93.33%、15.00~50.00%。


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