重庆缙云山林地坡面降雨产流规律及土壤力学特征研究

论文摘要

本文结合国家自然科学基金“基于分形理论的三峡库区林地土壤结构特征与土壤侵蚀关系研究”,从重庆缙云山林地坡面降雨产流规律入手,通过对该地区饱和-非饱和渗流的模拟并结合对坡体稳定性研究,以期为重庆缙云山乃至三峡库区坡地森林植被建设、坡地科学开发利用、防治滑坡和水土流失、开展水土保持工程设计以及合理发展农林业生产提供科学依据。论文从坡面尺度上对重庆缙云山典型森林植被（混交林、阔叶林、楠竹林和灌木林）坡地的林冠层、枯落物层以及土壤层等的水文效应进行了定量研究。通过实测的年、月以及场次时间尺度上的降雨及坡面产流数据,对以上典型森林植被的产流特征进行了分析:林外降雨量与林内降雨量存在着线性回归关系;通过研究枯落物层持水过程发现,在前2h内,枯落物吸水速率很大,持水量急剧上升。灌木林、阔叶林、混交林的（半）分解层持水量分别是其未分解层的2.5、2.0及2.6倍左右;在持水量增长较快的前2h内,（半）分解层的平均吸水速率是相应未分解层的2.44.0倍,反映了（半）分解层较好的水文效应;对于土壤层,灌木林土壤层的蓄水能力最大（282.8mm）,其它依次为混交林>阔叶林>农耕地;运用灰色系统关联方法分析影响不同类型森林植被理水调洪功能的各项因子主要次序:枯落物储量>（半）分解层储量>郁闭度>总孔隙度>下木盖度>土壤蓄水容量;并进一步不同类型森林植被理水调洪功能的强弱:灌木林>阔叶林>混交林>楠竹林。通过野外对森林水文数据的观测和室内土壤水分运动基本参数的测定,计算出阔叶林小区三层土壤的非饱和渗透系数k u,并藉此建立渗流场,以节点或单元云图描述了渗流路径以及渗流量（1.89m3/d）。同时研究发现改变坡角会抬高或降低渗流溢出点的位置,并增加或减少溢出量。这对于保护坡角具有一定的指导意义。分别在总应力和有效应力理论下对非饱和土抗剪强度进行有限元模拟并结合试验破坏实例,发现土体破坏的类型更加符合Drucker-Prager屈服准则,这为准确预测土坡破坏位置奠定了理论基础。通过饱和土抗剪强度以及土壤水分曲线对非饱和土抗剪强度进行预测,并藉此建立应力场,并得出阔叶林小区坡体的安全系数为2.4。结合不同类型森林植被理水调洪功能评价及应力场、渗流场模拟的相关方法,从而为重庆缙云山乃至三峡库区坡地森林植被建设、坡地科学开发利用、防治滑坡和水土流失、开展水土保持工程设计以及合理发展农林业生产提供科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 三峡库区概况
• 1.1.2 三峡库区生态环境主要问题
• 1.1.3 研究目的和意义
• 1.2 林地坡面降雨产流规律及土壤力学特征研究进展
• 1.2.1 坡地森林植被水文过程
• 1.2.2 饱和-非饱和渗流
• 1.2.3 非饱和植物根系复合体有效应力和抗剪强度理论
• 1.2.4 坡体稳定分析
• 2 研究区概况
• 2.1 地质地貌
• 2.2 气候特征
• 2.3 水文特征
• 2.4 土壤特征
• 2.5 植被特征
• 2.6 社会经济
• 3 研究内容、方法和技术路线
• 3.1 研究内容
• 3.1.1 林地坡面降雨产流规律
• 3.1.2 坡体饱和-非饱和渗流的生成与运动规律
• 3.1.3 非饱和土土壤-根系复合体的有效应力与抗剪强度理论
• 3.1.4 坡体稳定分析
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 研究区设置
• 3.2.2 观测设施概况
• 3.2.3 定位观测
• 3.2.4 野外调查
• 3.2.5 实验方法
• 3.2.6 分析方法
• 3.3 技术路线
• 4 林地坡面降雨产流规律
• 4.1 坡地森林植被特征
• 4.2 林冠层水文效应
• 4.3 枯落物层水文效应
• 4.3.1 枯落物储量
• 4.3.2 枯落物持水过程
• 4.4 土壤层水文效应
• 4.4.1 土壤层基本物理性质
• 4.4.2 土壤层持水拦蓄特征
• 4.5 产流对降雨的响应
• 4.5.1 在年月尺度上
• 4.5.2 在场次降雨尺度上
• 4.6 典型森林植被理水调洪功能的评价
• 4.6.1 灰色系统关联分析方法
• 4.6.2 典型森林植被理水调洪功能的评价
• 4.7 小结与讨论
• 5 饱和-非饱和渗流-渗流场
• 5.1 渗流的理论基础
• 5.1.1 渗流的基本概念
• 5.1.2 达西定律
• 5.1.3 连续性方程
• 5.2 渗流计算的数学模型
• 5.2.1 渗流基本微分方程
• 5.2.2 定解条件
• 5.3 有限单元法的渗流计算理论及步骤
• 5.4 非饱和土渗透系数k u 的确定
• 5.4.1 土壤水分入渗特性
• 5.4.2 土壤水分特征曲线（阔叶林，楠竹林）
• 5.5 阔叶林小区饱和-非饱的渗流场模拟
• 5.5.1 饱和-非饱和渗流场模拟的理论基础
• 5.5.2 阔叶林坡地饱和-非饱和渗流场的模拟
• 5.6 小结与讨论
• 6 非饱和土抗剪强度研究-应力场
• 6.1 总应力理论下的土壤抗剪强度
• 6.1.1 土壤-根系复合体直剪试验强度（限定破坏面）
• 6.1.2 重塑土不固结不排水三轴（UU）试验强度（不限定破坏面）
• 6.2 有效应力理论下的抗剪强度
• 6.2.1 三轴CD试验强度包线及应力应变曲线
• 6.2.2 三轴CD试验固结排水、剪切排水性状
• 6.3 非饱和土理论下的抗剪强度
• 6.4 非饱和土的应力场
• 6.4.1 强度折减法
• 6.4.2 阔叶林坡地非饱和应力场的模拟
• 6.5 小结与讨论
• 7 结论与讨论
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 成果目录清单
• 致谢