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基于分布式监测的降雨-黄土斜坡水文响应过程

赵利云  
【摘要】:水是诱发黄土滑坡最为活跃的因素。通过监测手段对土体水分变化信息进行捕捉,掌握黄土斜坡水文响应过程和运移规律,是研究滑坡灾害机理和建立黄土滑坡预警模型的关键。本文依托国家重点研发计划(SQ2018YFC150072)、中国地质调查项目(DD20189270)以及自然资源部黄土地质灾害野外监测站,开展了对黄土斜坡水分场的分布式监测,探索了降雨作用下黄土斜坡的水文响应规律和渗流机理,构建了不同坡型和坡度的水分空间预测模型。主要取得以下成果:1.构建了黄土斜坡水分场的分布式监测体系。从坡面形态、坡度、坡高等控制黄土滑坡的几何形态要素出发选定了监测对象;同时为实现降雨-黄土斜坡水文响应过程的分布式监测,设计布设了以电阻率层析成像法(ERT)、分布式光纤测温(TDS)和TDR传感器网络等多种手段组合的立体分布式水分监测网。2.建立了物性和含水率之间的转化关系。通过室内试验和原位校准的方法分别建立了黄土电阻率场、温度场和土壤体积含水率之间的归一化拟合关系,并利用拟合函数得到土壤含水量计算值与实测的TDR值进行比较,发现基于电阻率层析成像法获得的斜坡水分场动态变化更符合实际情况。3.揭示了降雨-黄土斜坡水分的响应过程与入渗规律。在不同降雨作用下黄土斜坡水文响应和入渗规律存在差异。短时强降雨期间,降雨入渗主要影响黄土斜坡近地表处的水分空间分布,有效入渗深度和含水量变化幅度较小,且主要发生在较为平缓的坡段,对坡度较大坡段的水文过程影响极小;长时低强度降雨作用下,尽管初期降雨入渗深度和水分场变化较小,但在降雨持续的补给下水分不断下渗,斜坡各部位的水分场都发生变化,在地裂缝等优势通道作用下甚至与斜坡深部产生水力联系。4.预测了不同坡型和坡度的水分空间分布。通过建立不同坡度、坡型的黄土斜坡数值模型,运用Hydrus-2D软件分别对不同降雨作用下凸型坡和直线型斜坡(坡度分别为30°、40°、50°、60°)的水分空间分布和渗流变化进行了数值分析,构建了相应的水分空间预测模型,所得结果与上述原位监测分析结果一致。


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