【摘 要】
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稳定性是埂坎发挥水土保持作用的重要前提,但受持续高温影响,土坎容易形成开裂,为水分运移提供优先通道。干湿交替作用下,埂坎开裂——闭合——开裂反复发生,渗流软化引起埂坎土壤抗剪性能劣化进而影响埂坎稳定性。因此,研究紫色土坡耕地埂坎裂隙演化下的渗流效应,可为埂坎的修建和维护管理提供依据。本文以紫色土坡耕地典型土坎为对象,通过双环入渗试验、室内模拟试验以及染色示踪试验研究了埂坎裂隙演化对水分入渗及其优先
【基金项目】
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重庆市杰出青年基金“三峡库区坡耕地埂坎优势流及失稳判据研究”(cstc2019jycjjq X0025); 重庆英才青年拔尖人才项目(CQYC201905009); 重庆市教委科技项目重点项目“紫色土坡耕地埂坎裂隙发育及其失稳机制研究”(KJZD-K201800502);
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稳定性是埂坎发挥水土保持作用的重要前提,但受持续高温影响,土坎容易形成开裂,为水分运移提供优先通道。干湿交替作用下,埂坎开裂——闭合——开裂反复发生,渗流软化引起埂坎土壤抗剪性能劣化进而影响埂坎稳定性。因此,研究紫色土坡耕地埂坎裂隙演化下的渗流效应,可为埂坎的修建和维护管理提供依据。本文以紫色土坡耕地典型土坎为对象,通过双环入渗试验、室内模拟试验以及染色示踪试验研究了埂坎裂隙演化对水分入渗及其优先路径的影响。主要结果如下:(1)基于面密度埂坎裂隙发育程度可划分为轻度发育(≤3.50%)、中度发育(3.51%~6.00%)、重度发育(6.01~10.00%)和极重度发育(≥10.01%)4个等级。各裂隙发育程度埂坎入渗率均先迅速下降后逐渐趋于稳定。无裂隙埂坎各时段的入渗率均小于裂隙发育埂坎,但差值随时间的推移而减小。随埂坎裂隙发育程度的增加,土壤初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量均随之增大,其中初始入渗率的上升幅度最高(98.72%),分别比平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量的上升幅度高1.04%、9.74%、0.90%。土壤入渗与裂隙发育强度密切相关,不同裂隙发育程度埂坎入渗性能与裂隙深度、面密度和面积-周长比呈显著正相关(P<0.05)。Kostiakov模型和Mezencev模型对不同裂隙发育程度下埂坎入渗过程拟合效果最好(R~2均大于0.84)。(2)土壤初始裂隙面密度随干湿交替次数增加而逐渐上升。裂隙面密度在入渗初期迅速下降,然后随时间的延长而匀速减小直至裂隙完全闭合。入渗率随裂隙面密度的减小呈近线性衰减,并且第4~6次干湿交替裂隙闭合对入渗率变化的主导程度高于第1~3次。同时裂隙闭合时间对到达稳定入渗的时间也具有显著影响(P<0.01)。(3)与无裂隙埂坎相比,裂隙发育埂坎更容易发生优先流,垂直剖面染色范围广,优先路径直接与土壤表面相连,优先路径发育程度高,优先流活跃。水分运移类型主要以低相互作用大孔隙流和混合作用大孔隙流为主;无裂隙埂坎土壤表层出现短暂基质流现象,优先流发育较晚。染色面积在5 cm深度处迅速降低,染色路径发育不稳定。水分运移类型主要以低相互作用大孔隙流为主。(4)裂隙发育埂坎的裂隙和虫孔分布较无裂隙埂坎多,随土壤深度增加呈先增后波动递减的变化趋势,最大值出现在10~20 cm土壤深度;而根系含量相对较小,且主要集中于土壤表层。无裂隙埂坎裂隙、虫孔和根系含量随土壤深度增加变化趋势差异较大,其中裂隙发育程度整体较小且未发生明显波动,而虫孔和根系含量则表现为先增加后减小的趋势,最大值均出现在20 cm土壤深度附近。两种埂坎染色面积比均与裂隙面积-周长比呈显著正相关关系,无裂隙埂坎还与裂隙面密度存在显著正相关,说明埂坎优先流的发生受裂隙发育影响较大。
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