三峡水库消落带土壤结构变化及抗剪强度的响应机理
文献类型：学位论文
| 作者 | 张淑娟
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| 答辩日期 | 2020 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 贺秀斌 |
| 关键词 | 土壤结构 土壤抗剪强度 显微CT 消落带 三峡水库 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 土壤学 |
| 其他题名 | Soil structure changes and the response mechanism of soil shear strength in the water-level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir |
| 英文摘要 | 三峡水库在发电、防洪、航运和水资源调控等方面发挥了巨大效益，同时，也改变了长江河道的格局、水文节律和相关地表过程。水库采取旱季高水位、雨季低水位的“蓄清排浑”运行模式，产生水位落差30米的反季节消落带，在水位上升和骤降过程及反复干湿交替作用下，消落带土壤物理、化学和力学特性将发生巨大变化，降低了消落带坡地土体稳定性，往往导致土壤侵蚀加剧。认识消落带土壤特性变化规律及其动力机制是研究消落带土壤侵蚀机理、研发固土护岸水土保持技术的前提。开展消落带极端干湿交替条件下土壤结构与土力学特性的响应机制，对消落带地貌过程、地球化学过程和生物生态过程机理与规律的认知具有重要理论意义，可为消落带环境整治、水土保持与生态修复等技术研发提供科学依据。本文以三峡水库典型消落带紫色土为研究对象，分别采集150 m~175 m不同水位高程和180 m高程的土壤样品，采用干筛法、湿筛法和Le Bissonnais法分析了土壤团聚体组成；结合干湿交替模拟实验，应用工业微CT技术和同步辐射微CT技术，探测分析了消落带土体和团聚体的三维立体结构，定量评价了土壤孔隙变化特征；应用直剪试验测试了不同干湿交替作用强度下的土壤抗剪强度指标；基于偏最小二乘回归法，分析了消落带干湿交替情景下土壤抗剪强度指标对土壤结构的响应关系。主要创新性结果如下：（1）三峡水库消落带周期性水位涨落对土壤团聚体的组成及稳定性影响显著。经过10年的反复水位涨落及干湿交替作用，随着水位高程的降低，˃0.25 mm非水稳性和水稳性团聚体含量降低，最大降幅分别为3.59%和31.43%，其中˃5 mm的非水稳性和水稳性团聚体含量降低最为显著，最大降幅分别为19.71%和85.20%；<0.25 mm的非水稳性和水稳性团聚体含量呈增加的趋势，最大增幅分别为289.97%和402.97%。团聚体的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）均随着水位高程的降低显著降低，最大降幅分别为66.43%和81.35%；团聚体破碎率随着水位高程的降低而显著增加，最大增幅为463.06%。表明周期性的水位涨落和反复干湿交替作用加速了团聚体破碎，显著降低了团聚体的稳定性，淹水时间越长，团聚体越不稳定。（2）三峡水库消落带周期性水位涨落及干湿交替作用对土体与团聚体孔隙特征影响显著。与未淹水高程土体相比，消落带土体总孔隙度降幅为17.88%~33.21%，其中以>1000mm的孔隙度降低最为显著，降幅为20.66%~44.96%；瘦长型孔隙度占比随着水位高程的降低而降低，最大降幅为19.60%，规则孔隙度和不规则孔隙度占比随水位高程的降低而增加，最大增幅分别为164.96%和147.89%。室内模拟干湿交替实验结果表明，土体总孔隙度随干湿交替次数增加而增大，6次干湿交替实验后，土壤总孔隙度增幅为288.09%，其中以˃1000 mm的孔隙度增加最为显著，增幅为420.67%；6次干湿交替后瘦长型孔隙度占比增加了10.62%，规则孔隙度和不规则孔隙度占比分别降低了59.62%和17.13%。团聚体总孔隙度随水位高程降低整体呈现降低趋势，最大降幅为56.16%；与未淹水高程团聚体孔隙相比，消落带内团聚体孔隙中>100mm通气孔隙度降幅为45.33%，<30mm的贮存孔隙和30-100mm的毛管孔隙度增幅分别为57.97%和114.84%；瘦长型孔隙度占比随着水位高程的降低而降低，最大降幅为21.18%，规则孔隙度和不规则孔隙度占比随着水位高程的降低而增加，最大增幅分别为75.49%和66.43%。表明周期性的水位涨落和反复干湿交替作用改变了土体和团聚体孔隙特征，随着淹水时间和深度的增加，变化幅度增大。（3）三峡水库消落带水位周期性涨落及干湿交替作用对土壤抗剪强度特征影响显著。7个水位高程土壤呈现出剪切硬化特性，黏聚力随着水位高程的降低呈增加的变化趋势，最大增幅为141.63%；内摩擦角随着水位高程的降低整体呈降低的趋势，最大降幅为48.32%。室内模拟干湿交替实验结果表明，干湿交替作用下土壤呈现出剪切硬化特性，黏聚力和内摩擦角均随干湿循环次数增加而显著降低，6次干湿交替后黏聚力降低了46.99%，内摩擦角降低了49.73%。表明周期性的水位涨落和反复干湿交替作用改变了土壤抗剪强度，水位高程越低，抗剪强度指标变化越显著。（4）基于偏最小二乘回归法（PLSR）建立了土壤抗剪强度参数（黏聚力和内摩擦角）与土壤结构指标的回归模型。在黏聚力模型中，30-100 mm孔隙度、总孔隙度、有机碳、规则孔隙占孔隙度的百分比、瘦长孔隙占孔隙度的百分比、团聚体孔隙度等指标对黏聚力有重要作用，其中，30-100 mm的通气孔隙度和总孔隙度是控制黏聚力的主要结构特征因子。在内摩擦角模型中，总孔隙度、有机碳、MWDFW、MWD湿、FD湿、团聚体孔隙度、˃100 mm孔隙度等指标对内摩擦角具有重要的作用，其中总孔隙度和有机碳是控制内摩擦角的主要结构特征因子。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 143 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/55039]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张淑娟. 三峡水库消落带土壤结构变化及抗剪强度的响应机理[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：成都山地灾害与环境研究所
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