优秀研究生学位论文题录展示

太行山岩土二元结构集水区水文过程实验研究

专 业: 生态学
关键词: 片麻岩 风化岩体 坡地 水文过程 水文地质 裂隙岩体
分类号: P641
形 态: 共 157 页 约 102,835 个字 约 4.919 M内容
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内容摘要


山区水文过程与水量转化规律一直是山区水文学研究的重点与核心,该研究对了解和认识山地生态系统的水循环及水量分配具有重要意义。

多年来,国内外坡地水文过程研究主要集中于坡地的地表水文过程和水量转换等方面,而对坡地的地下水文过程及其影响因子的研究较少。

本文以国家“863”重大专项“新型高效雨水集蓄与利用技术研究2002AA224051”和中国科学院知识创新工程重要方向项目“太行山山区地下水补给机制研究”及中心方向性创新项目“山地水资源开发与农业可持续发展”和太行山山地生态实验站为依托,将太行山片麻岩区的坡地表层作为一个独立的水文地质单元,通过室内试验与室外试验相结合的方法,对坡地的“岩土二元结构”进行了实地调查,对坡地岩土的垂直分异性进行了测定、分析,在此基础上,从岩土水分特征曲线和岩土水分年际和季节变化特征的角度,对“上覆土壤、下伏岩土”坡地的“岩土二元结构”的水文地质特性进行了深入探讨,为坡地渗流的发生提供了理论依据。

利用翻斗式自记雨量计、翻斗式自记流量计及时域反射仪TDR,采用野外试验的方法研究了典型小流域天然降雨条件下,坡地岩土水分的运动特征,以及流域出口地下裂隙潜流对降雨的响应特性,为进一步研究山区地下水的补给机制提供了基础。

基于人工渗透仪通过降雨过程、地表径流过程、壤中流过程、地下径流过程和岩土水分运动过程的测定,分析了地表径流、壤中流及地下径流对降雨过程的响应关系,分析了暴雨和大暴雨条件下,降雨的转化规律,在分析壤中流发生机制和地下径流特性的基础上,重点探讨了裂隙岩体的非饱和渗流的特征,并对人工渗透仪的水量平衡关系进行了分析,为科学评价本区的雨水资源化潜力提供了技术依据。

本项研究初步得出以下结论:1.初步研究了太行山片麻岩区坡地水文地质结构特性。

①太行山片麻岩区坡地主要表现为垂直方向上的“上覆土壤、下伏岩石”的“岩土二元结构体”。

其中,上部土壤层的砾石>2mm含量在50%左右,而且表现为高度非均匀性,从坡地表层到风化网状裂隙岩体面,角砾石含量经历了由多到少,再到多的变化过程,土壤团粒结构经历了由不良到良,再到不良的变化过程,草本植物的根系多分布在土壤层的中间部位。

下部裂隙岩体的张开度的数值差异较大,并随着深度的增加而减小,而且张开度减小的速率随深度的增加而减小。

下部裂隙岩体层的容重明显大于上部土壤层,而渗透系数渗透张量明显小于上部土壤层。

②坡地不同深度岩土水分特征曲线的不重合,而是表现为多条的态势,是对坡地岩土介质空间变异性的有利证据。

同时,坡地不同深度岩土水分的年际和季节变化特征,也说明了坡地岩土介质的空间变异性的存在。

③这种垂直方向上双重、非均匀介质的坡地结构为坡地渗流的形成与存在创造了必要的有利条件,对这部分水资源进行可持续开发利用与调控,不仅有利于太行山区农业生产的发展和山地生态系统的改善;同时,对华北平原区地下水资源的补给也具有重要的意义。

2.初步明晰了岩土二元结构集水区降雨入渗补给地下裂隙潜流特性。

①在雨季来临之前,由于坡地表层岩土水分较低,小于40mm的次降雨过程根本不会对地下裂隙潜流进行补给,但可以通过空气温度和湿度的变化对裂隙潜流造成间接影响。

②进入雨季后,在坡地表层岩土水分较高的条件下,在40分钟内降雨35mm,裂隙潜流具有明显响应,而坡地岩土水分实测结果表明降雨不会补给裂隙潜流,这说明下流域内存在优先流现象。

③典型小流域特有的下垫面具有较强的储、透水性能。

在前期坡地岩土水分含量平均为14.48%和27.28%埋深100cm范围内的前提下,分别发生总降雨量170.25mm和193.75mm的大暴雨和暴雨过程,在小流域出口处均未产生地表径流。

④在降雨过程中裂隙岩体层与土壤层之间存在暂时饱和区,并且两层的水分变化存在明显差异,主要表现在前者变化幅度大,起涨和回落的时间短,这说明地下水在裂隙岩体中的运动主要是通过裂隙网络进行的,同时在水分运动过程中,被裂隙网络所包围的岩块也在不断吸收来自裂隙网络中的水分。

⑤小流域地下裂隙潜流对降雨具有明显响应,在降雨过程中地下裂隙潜流的起涨和回落过程均较为明显。

实测最大流量1370l/h达到降雨前45l/h的30倍左右,最大地下径流模数为14.4l/s·km2.3.利用大型渗透仪初步探明了降雨条件下,水分在风化裂隙岩体中的运动特征。

①在侧向径流对降雨的响应关系上,地表径流、壤中流和地下径流都有响应,但是,响应的时间和强度各有不同,其中在响应时间方面,地表径流对降雨的响应最快,壤中流次之,地下径流最慢;在响应强度上,地表径流最大,地下径流次之,壤中流最小。

②在岩土水分的计算方面,下部岩体层应按双重介质模型来进行,充分考虑岩块与裂隙填充物介质的不同,并按照两者的体积含水率和体积大小分别计算其水分含量,然后进行求和,结果即为下部岩体层的水分含量。

同时,如果岩块的风化程度不大,也可以按照网络介质模型来进行,即认为水分只在裂隙网络中运动与存在,岩块既不吸水,也不含水,这样便可以将岩体层的水分含量近似等于裂隙网络中的水分含量。

③岩土水分及水分增量的分析结果表明,降雨入渗的水分到达下部岩体层后,水分主要在裂隙填充物中储存与运动。

④地下径流的测定与分析结果表明,在强风化的裂隙岩体中,水分不仅在裂隙网络中运动,同时岩块中也存在一定量的水分运动。

4.开发了3种自动测定无压、低水头、小流量水流的量水技术设备。

在电子技术和计算机技术飞速发展的今天,“数字水文”作为现代水文学的发展方向之一,日益得到广泛的认同,这势必会加快水利水文事业的自动化进程。

翻斗式自动量水技术集“数字”与“自动”于一身,在无压、低水头、小流量的水流监测中,与其它方法相比,具有绝对的优势。

但是,就翻斗式自动量水技术的构成及应用情况而言目前还比较单一,这严重影响了该技术的普及应用,本文在分析翻斗式自动量水技术发展现状的基础上,从降低造价的角度自行研制出了3种基于翻斗法的自记流量计,并对翻斗式自动量水技术的直接与间接应用进行了初步研究,不仅丰富了翻斗式自动量水技术的内容,同时也开始了翻斗式自动量水技术在地表径流、壤中流、地下径流的直接应用,以及在水面蒸发、岩土饱和入渗、渗透系数的测定等方面的间接应用。

同时,本文在分析翻斗式自记流量计基本构成与工作原理的基础上,详细介绍了翻斗式自记流量计的制作工艺..……

全文目录


文摘
英文文摘
论文说明;图表清单
第一章 绪论
第一节 研究目的和意义
第二节 坡地水文学研究进展
一、坡地水文过程研究进展
二、界面水量转化过程研究进展
三、裂隙岩体渗流研究进展
四、风化岩体不理特性的测定方法
第三节 研究思路与内容
第二章 研究区概况、研究方法与试验设计
第一节 研究区概况
第二节 试验设计与方法
第三章 研究区降雨特性分析
第一节 次降雨特性分析
第二节 暴雨过程分析
第三节 翻斗式自动量水技术的开发
一、翻斗式自动量水技术的发展现状
二、翻斗式自动量水技术的新进展
三、翻斗式自记流量计的制作工艺
四、翻斗式自动量水技术的主要应用
小结
第四章 坡地地质结构特性与渗流特征
第一节 坡地垂直结构特征与岩土介质特性
第二节 坡地岩土水分特征曲线
第三节 植被对坡地岩土介质的影响
第四节 坡地岩土水分的变化特征
第五节 坡地渗流发生机制与渗流集蓄技术
小结
第五章 集水区土壤入渗特性及空间变异性
第一节 天然降雨条件下坡地土壤入渗过程
第二节 集水区土壤入渗空间变异性
小结
第六章 集水区裂隙岩体渗流对降雨入渗补给的响应
第一节 裂隙岩体渗流对中到大雨入渗补给的响应
第二节 裂隙潜流对大到暴雨入渗补给的响应
第三节 裂隙潜流对暴雨入渗补给的响应
第三节 裂隙潜流对大暴雨入渗补给的响应
小结
第七章 降雨条件下集水区水量转化规律研究
第一节 大型渗透仪的制作
第二节 岩土水分变化过程及水分蓄变量分析
第三节 地表径流、壤中流、地下径流过程分析
第四节 水量平衡分析
小结
第八章 结论与展望
第一节 主要结论
第二节 存在问题与研究展望
参考文献

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中图分类: > P641 > 天文学、地球科学 > 水文地质学与工程地质学 > 水文地质学(地下水水文学)

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