劉士亮,鄭雨生,王 傲

(山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250100)

隨著中東部煤炭資源的枯竭,我國(guó)煤炭資源開發(fā)中心已轉(zhuǎn)移至西北部地區(qū)。西北大部分區(qū)域?qū)儆诟珊蛋敫珊祬^(qū)域,生態(tài)地質(zhì)環(huán)境脆弱、水資源匱乏。包氣帶水分是該區(qū)域植被生態(tài)重要水資源。煤炭資源大規(guī)模開采造成地表塌陷裂縫,影響包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律,易誘發(fā)植被枯萎、沙漠化、滑坡、坍塌、潛水位下降等生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題[1-2]。因此,闡明塌陷裂縫對(duì)包氣帶水分運(yùn)移的影響規(guī)律,對(duì)實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和綠色礦山建設(shè)具有重要意義。

當(dāng)前針對(duì)采煤塌陷裂縫對(duì)包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律影響研究,取得了豐碩成果。琚成遠(yuǎn)[3]、畢銀麗[4]、杜國(guó)強(qiáng)[5]等通過實(shí)地測(cè)量、數(shù)值模擬分析、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行研究后認(rèn)為,采煤塌陷裂縫使土壤的含水率降低,且土壤含水率的降低受到裂縫寬度和區(qū)域與裂縫之間距離的影響;張延旭等[6]通過實(shí)地測(cè)量毛烏素沙漠的土壤含水率發(fā)現(xiàn)除了裂縫寬度與裂縫距離外,塌陷裂縫的密度也會(huì)對(duì)土壤含水率產(chǎn)生影響,裂縫的密度與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;陳建平等[7]通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)塌陷裂縫不僅會(huì)對(duì)土壤含水率產(chǎn)生影響,還會(huì)使土壤中的水分運(yùn)移由原本的垂向一維擴(kuò)散變成垂向與水平擴(kuò)散并存的二維擴(kuò)散模式。

前述研究多集中于采煤塌陷裂縫對(duì)包氣帶含水率變化影響研究,對(duì)包氣帶水分運(yùn)移速度及方向等變化缺少關(guān)注,同時(shí)考慮包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律影響因素較為單一,缺乏對(duì)多種因素下包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律的綜合評(píng)估。為此,在綜合考慮采煤塌陷裂縫寬度、密度及土壤質(zhì)地類型等主控因素對(duì)包氣帶水分運(yùn)移影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,利用HYDRUS 2D數(shù)值軟件,開展不同主控因素條件下采煤塌陷裂縫對(duì)包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律影響的研究,綜合分析采煤塌陷裂縫對(duì)其周邊含水率、水分運(yùn)移方向及運(yùn)移速度的影響規(guī)律,為西北生態(tài)脆弱區(qū)采煤塌陷區(qū)的生態(tài)恢復(fù)治理提供理論支撐。

1 采煤沉陷區(qū)包氣帶水分運(yùn)移主控因素

土壤中的水分運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的過程,在這個(gè)過程中會(huì)受到多種因素的影響,如:裂縫、降水量、植被、地下水埋深、土壤質(zhì)地類型等。

1.1 裂縫條件

裂縫是地下水文系統(tǒng)中的重要水文地質(zhì)結(jié)構(gòu),其對(duì)地下水的運(yùn)移和儲(chǔ)存具有重要的影響[8-9]。采煤沉陷產(chǎn)生大量的沉陷裂縫,影響著包氣帶的水分運(yùn)移。采煤塌陷區(qū)包氣帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤塌陷區(qū)包氣帶結(jié)構(gòu)[10]

塌陷裂縫條件包括裂縫密度、長(zhǎng)度、寬度、連通性等因素,這些因素會(huì)影響包氣帶水分運(yùn)移的速度、方向和規(guī)律,其中裂縫寬度對(duì)周邊的水分運(yùn)移影響較大[6]。裂縫是水分滲透的主要通道,當(dāng)裂縫寬度較小時(shí),水分只能通過分子擴(kuò)散進(jìn)入裂縫中,這種擴(kuò)散的速度非常緩慢;當(dāng)裂縫寬度增大時(shí),水分的運(yùn)移速度也隨之增快。此外,裂縫寬度的變化對(duì)水分的儲(chǔ)存也有重要的影響。當(dāng)裂縫寬度較小時(shí),裂縫內(nèi)的水分往往無法充分儲(chǔ)存,導(dǎo)致包氣帶中的水分儲(chǔ)存量降低。裂縫密度的變化對(duì)周邊水分變化也有較為顯著的影響,裂縫是水分滲透的重要通道,裂縫密度的變化能直觀地影響水分運(yùn)移的速度和方向?；诖?選取采煤塌陷裂縫寬度和密度作為采煤沉陷區(qū)包氣帶水分運(yùn)移主控因素之一。

1.2 降水量

降水影響著包氣帶的水分運(yùn)移,降水后上層土壤的含水率增高,上下層含水率差距較大,水分向下運(yùn)輸加快。但這與降水的強(qiáng)度、時(shí)間有著很大的關(guān)系,有極大的不確定性。西北干旱地區(qū)的降水量少、蒸發(fā)量大,且降水期集中于9—10月份,大部分時(shí)間土壤水分運(yùn)移系統(tǒng)中不存在降水影響,相較于采煤塌陷裂縫的影響,降水量對(duì)包氣帶水分的影響次之。

1.3 植被生態(tài)

植被對(duì)包氣帶的水分運(yùn)移產(chǎn)生多種多樣的影響。植被可以通過根系對(duì)包氣帶的水分運(yùn)移起到調(diào)節(jié)作用,也可以通過覆蓋地表來影響包氣帶的水分輸入進(jìn)而影響包氣帶的水分運(yùn)輸[11]。但西北干旱區(qū)域的植被覆蓋較少,且采煤塌陷使原本脆弱的植被生態(tài)更加惡化。

1.4 地下水埋深

地下水的埋深會(huì)影響包氣帶的厚度,包氣帶厚度隨著地下水位埋深的增大而增大[12]。張光輝等[13]對(duì)不同深度包氣帶的土壤含水率及水勢(shì)變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)包氣帶厚度小于潛水蒸發(fā)極限深度時(shí),入滲速率和總?cè)霛B補(bǔ)給量隨著包氣帶厚度的增加而減小,蒸發(fā)不僅消耗了地下水量,還消耗了包氣帶水量;當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大時(shí),蒸發(fā)消耗的包氣帶水量增加。所以地下水埋深在影響包氣帶厚度的同時(shí)也間接影響了包氣帶水分的蒸發(fā)和分布。

1.5 土壤質(zhì)地類型

影響包氣帶水分運(yùn)移最重要的因素就是孔隙結(jié)構(gòu),孔隙結(jié)構(gòu)的差異決定了包氣帶儲(chǔ)容、滯留及傳輸水的能力。而不同的土壤質(zhì)地類型決定了不同的土壤孔隙類型,因此在研究包氣帶的水分運(yùn)移規(guī)律時(shí),土壤質(zhì)地類型是采煤沉陷區(qū)包氣帶水分運(yùn)移主控因素之一[12]?？紤]西北干旱地區(qū)大多地處沙漠邊緣,地表覆蓋著風(fēng)積沙,其下分布著風(fēng)沙土和壤土,因此選擇壤土和風(fēng)沙土這2種土壤質(zhì)地類型作為本研究的主控因素。

上述因素均對(duì)包氣帶的水分運(yùn)移規(guī)律具有一定影響,但考慮到西北生態(tài)脆弱區(qū)氣候、地質(zhì)條件,選取采煤塌陷裂縫寬度、裂縫密度及土壤質(zhì)地類型(風(fēng)沙土和壤土)作為采煤沉陷區(qū)包氣帶水分運(yùn)移主控因素。

2 采煤塌陷裂縫對(duì)包氣帶水分運(yùn)移的影響數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值模型建立

2.1.1 土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程

假設(shè)土壤為均質(zhì)、各向同性的多孔介質(zhì),且不考慮氣體及溫度對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響[14-16],因此選用的是理查德方程(Richard’s equation)[17],其可以用來描述水分在非飽和土壤中的流動(dòng)。理查德方程表達(dá)式如下:

?θ/?t=·(K(h)·θ)+q

(1)

式中:θ為土壤體積含水率,cm3/cm3;t為時(shí)間,d;K(h)為土壤的滲透系數(shù);h為土壤水頭,cm;q為源項(xiàng),表示降水、蒸散發(fā)等的水分輸入輸出。

2.1.2 土壤水分特征方程

采用Van Genuchten提出的VG模型[18]來描述土壤水分特征,其表達(dá)式如下:

(2)

(3)

式中:Ks為土壤飽和水導(dǎo)水率,cm/d;θe為土壤相對(duì)飽和度,cm3/cm3;θr為土壤剩余體積含水率,cm3/cm3;θs為土壤飽和體積含水率,cm3/cm3;a、n為由試驗(yàn)測(cè)定的經(jīng)驗(yàn)函數(shù);m=1-1/n;h為負(fù)壓水頭,cm;l為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù),通常取0.5[19]。

2.1.3 水力模型參數(shù)設(shè)置

本模擬相關(guān)水力模型參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)沙土、壤土土壤水力特性參數(shù)

2.1.4 模型初始條件

為了給予足夠的時(shí)間使水分運(yùn)移接近平衡,本次模擬選擇15 d的模擬時(shí)長(zhǎng)。時(shí)間單位為d,初始時(shí)間為0.01,最小時(shí)間步長(zhǎng)0.001。采用二維模擬,設(shè)置的模擬區(qū)域?yàn)閤=120 cm,z=100 cm的長(zhǎng)方形區(qū)域,如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型框架圖

裂縫深度60 cm。計(jì)算區(qū)域中AB及CD選用無通量邊界,BC選用自由邊界,AG、DE、GF、EF選用大氣邊界。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

綜合考慮裂縫寬度、裂縫密度、風(fēng)沙土和壤土,設(shè)計(jì)110組模擬實(shí)驗(yàn)方案,如表2所示。模擬中土壤疊層時(shí),選擇上層為風(fēng)沙土、下層為壤土的組合。

表2 數(shù)值模擬試驗(yàn)工況

3 采煤塌陷裂縫對(duì)包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律影響模擬結(jié)果與分析

3.1 裂縫對(duì)周邊土壤含水率的影響分析

1)單裂縫時(shí),在土壤深度30 cm處設(shè)立觀測(cè)點(diǎn),土壤初始含水率均為0.250 0 cm3/cm3,收集第15天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。裂縫寬度為20 cm時(shí),距離裂縫0、25、50 cm處的土壤含水率為0.160 6、0.162 4、0.163 1 cm3/cm3。裂縫寬度為2、10、20 cm時(shí),風(fēng)沙土裂縫邊緣處的含水率分別為0.163 7、0.162 1、0.160 6 cm3/cm3。數(shù)據(jù)表明,遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域的含水率明顯高于靠近裂縫的區(qū)域,這個(gè)含水率差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離呈正相關(guān)關(guān)系。且在整個(gè)模擬過程中,含水率一直保持這個(gè)規(guī)律。

為了能直觀地看到含水率的差距,選擇已經(jīng)模擬了一段時(shí)間的結(jié)果來展示,即選擇第7.5天。單裂縫條件下風(fēng)沙土不同寬度裂縫數(shù)值模擬第7.5天包氣帶含水率如圖3所示。

圖3 單裂縫條件下風(fēng)沙土不同寬度裂縫數(shù)值模擬第7.5天包氣帶含水率變化圖

當(dāng)裂縫寬度為2 cm時(shí),距離裂縫25～40 cm區(qū)域的含水率基本保持一致,含水率降低區(qū)域的邊界距裂縫25 cm;當(dāng)裂縫寬度為20 cm時(shí),該區(qū)域的含水率受裂縫影響產(chǎn)生了差異,含水率降低區(qū)域的邊界距裂縫40 cm;表明受到裂縫影響使得含水率降低的區(qū)域也會(huì)隨著裂縫寬度的增大而增大。這個(gè)結(jié)果與許傳陽等[20]的研究結(jié)果一致。

單裂縫裂縫寬度20 cm壤土和風(fēng)沙土模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 20 cm裂縫寬度風(fēng)沙土數(shù)值模擬第7.5天包氣帶含水率分布圖

圖5 20 cm裂縫寬度壤土數(shù)值模擬第7.5天包氣帶含水率分布圖

模擬設(shè)置的裂縫深度為60 cm。圖4中60 cm深度處風(fēng)沙土的最低含水率為0.191 5 cm3/cm3,圖5中60 cm深度處壤土的最低含水率為0.295 4 cm3/cm3,表明其他條件相同時(shí),壤土的含水率高于風(fēng)沙土的含水率。

單裂縫雙層土壤裂縫寬度為20 cm時(shí)的模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 疊層土壤(風(fēng)沙土30 cm、壤土70 cm)20 cm裂縫寬度下包氣帶含水率分布圖

從圖6中可以看出,裂縫周邊土壤含水率,仍然呈現(xiàn)在同一土壤深度時(shí),靠近裂縫的區(qū)域的土壤含水率低于遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域,含水率差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離呈正相關(guān)關(guān)系。但在2種土壤交界處有水分聚集現(xiàn)象,交界面處含水率變化速度明顯慢于土壤內(nèi)部,上層風(fēng)沙土對(duì)比其他條件相同時(shí)的風(fēng)沙土模擬結(jié)果含水率基本一致,但下層的壤土對(duì)比其他條件相同時(shí)的壤土模擬結(jié)果含水率明顯較低。

2)雙裂縫時(shí),在土壤深度30 cm處設(shè)立觀測(cè)點(diǎn),土壤初始含水率均為0.250 0 cm3/cm3,收集第15天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。裂縫寬度20 cm時(shí),在一側(cè)有裂縫的區(qū)域中,距離裂縫0、15、30 cm處的含水率分別為0.160 2、0.161 6、0.162 0 cm3/cm3,被裂縫包夾區(qū)域距離裂縫0 cm處的含水率為0.158 3 cm3/cm3。裂縫寬度為2、10、20 cm時(shí),風(fēng)沙土裂縫邊緣處的含水率分別為0.163 4、0.162 0、0.160 2 cm3/cm3。雙裂縫裂縫寬度為20 cm時(shí)的數(shù)值模擬含水率圖如圖7所示。

圖7 雙裂縫20 cm裂縫寬度壤土數(shù)值模擬第7.5天包氣帶含水率分布圖

結(jié)合圖7與前文數(shù)據(jù)表明,裂縫周邊靠近裂縫區(qū)域的土壤含水率仍低于遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域,含水率差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離均呈正相關(guān)關(guān)系。且裂縫密度增高,土壤的含水率降低,這與張延旭等[6]的研究結(jié)果相近。多條裂縫之間的區(qū)域的土壤含水率低于一側(cè)有裂縫的區(qū)域。裂縫密度增高、其他條件相同時(shí),對(duì)比壤土、風(fēng)沙土、疊層土壤的模擬結(jié)果后,仍呈現(xiàn)同一土壤深度壤土的含水率高于風(fēng)沙土的含水率,疊層土壤交界面上水分堆積,交界面上方風(fēng)沙土的含水率與同一土壤深度的單一風(fēng)沙土模擬結(jié)果幾乎一致,交界面下方的壤土含水率低于同一深度單一壤土模擬結(jié)果。

3)三裂縫時(shí),在土壤深度30 cm處設(shè)立觀測(cè)點(diǎn),土壤初始含水率均為0.250 0 cm3/cm3,收集第15天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。裂縫寬度為20 cm時(shí),一側(cè)有裂縫區(qū)域中距離裂縫0、10、20 cm處的含水率分別為0.159 4、0.160 4、0.160 9 cm3/cm3,被裂縫包夾的區(qū)域中距離裂縫0 cm處的含水率為0.156 5 cm3/cm3。裂縫寬度為2、10、20 cm時(shí),風(fēng)沙土裂縫邊緣的含水率分別為0.163 4、0.161 7、0.159 4 cm3/cm3。三裂縫裂縫寬度20 cm時(shí)的數(shù)值模擬含水率如圖8所示。

圖8 三裂縫20 cm裂縫寬度壤土數(shù)值模擬第7.5天包氣帶含水率分布圖

結(jié)合圖8與前文數(shù)據(jù)表明,裂縫密度進(jìn)一步增高后,仍呈現(xiàn)靠近裂縫區(qū)域的土壤含水率低于遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域,含水率差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離呈正相關(guān)關(guān)系。多條裂縫之間的區(qū)域的含水率低于一側(cè)有裂縫區(qū)域的含水率。不同裂縫密度和裂縫寬度的60 cm深處土壤最低含水率如9圖所示。

結(jié)合圖9和前文的分析表明,隨著裂縫密度不斷增高,土壤的含水率隨之降低。在三裂縫的條件下再對(duì)比壤土、風(fēng)沙土、疊層土壤的模擬結(jié)果,仍呈現(xiàn)同一土壤深度壤土的含水率高于風(fēng)沙土含水率,疊層土壤交界面上水分堆積,使得堆積區(qū)域上方風(fēng)沙土的含水率與同一土壤深度的單一風(fēng)沙土含水率模擬結(jié)果幾乎一致,堆積區(qū)域下方的壤土含水率低于同一深度單一壤土含水率模擬結(jié)果。

圖9 不同裂縫密度和寬度條件下60 cm深度處第7.5天數(shù)值模擬包氣帶含水率變化圖

3.2 裂縫對(duì)周邊水分運(yùn)移方向的影響分析

1)單裂縫壤土條件下,不同寬度(10、16、20 cm)裂縫數(shù)值模擬水分運(yùn)移方向部分結(jié)果如圖10所示。

(a)壤土裂縫寬度10 cm

裂縫寬度為10、16、20 cm時(shí),裂縫邊緣的水分運(yùn)移方向最大偏轉(zhuǎn)角分別為4.5°、7.5°、8.3°。圖10中黃色線條框出的區(qū)域表示發(fā)生水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)的區(qū)域。結(jié)果表明,在裂縫邊緣的水分運(yùn)移方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),距離裂縫越遠(yuǎn)的區(qū)域偏轉(zhuǎn)角度越小,直至不受影響。且發(fā)生運(yùn)移角度偏轉(zhuǎn)的區(qū)域大小和最大偏轉(zhuǎn)角度與裂縫寬度呈正相關(guān)關(guān)系。

其他條件相同的情況下,壤土和風(fēng)沙土水分運(yùn)移方向模擬結(jié)果如圖10(b)、圖11所示。

圖11 風(fēng)沙土裂縫寬度16 cm時(shí)數(shù)值模擬水分運(yùn)移方向圖

對(duì)比結(jié)果表明,2種土壤在裂縫邊緣處的水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)角度一致,發(fā)生土壤水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)的區(qū)域基本相同,土壤條件對(duì)土壤水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)幾乎沒有影響。

單裂縫疊層土壤的模擬結(jié)果如圖12所示。

圖12 疊層土壤(風(fēng)沙土30 cm、壤土70 cm)裂縫寬度20 cm數(shù)值模擬水分運(yùn)移方向圖

由圖12可見,在土壤分界面上下的水分運(yùn)移方向仍一致,土壤類型對(duì)土壤水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)幾乎沒有影響。

2)雙裂縫,寬度為20 cm時(shí),包氣帶水分運(yùn)移方向數(shù)值模擬結(jié)果如圖13所示。

圖13 壤土20 cm雙裂縫數(shù)值模擬水分運(yùn)移方向圖

由圖13可見,一側(cè)有裂縫區(qū)域的最大偏轉(zhuǎn)角度為9.0°,裂縫包夾的區(qū)域的最大偏轉(zhuǎn)角度為8.5°。圖13中黃線框出區(qū)域表示發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域,表明在2條裂縫之間的區(qū)域由于兩側(cè)裂縫的復(fù)合作用,其水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)最大角度及發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域相比于一側(cè)有裂縫的區(qū)域均相對(duì)較小。

3)三裂縫,寬度為20 cm時(shí),水分運(yùn)移方向數(shù)值模擬結(jié)果如圖14所示。

圖14 壤土20 cm三裂縫數(shù)值模擬水分運(yùn)移方向圖

由圖14可見,一側(cè)有裂縫區(qū)域的最大偏轉(zhuǎn)角度為9.0°,裂縫包夾的區(qū)域中,遠(yuǎn)離中心一側(cè)的最大偏轉(zhuǎn)角度為8.5°,靠近中心一側(cè)的最大偏轉(zhuǎn)角度為7.9°。圖14中黃線框出的區(qū)域表示發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域,表明裂縫密度增高后,受到更多裂縫共同影響的區(qū)域的最大偏轉(zhuǎn)角度會(huì)越小,發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域會(huì)變小。

3.3 裂縫對(duì)周邊水分運(yùn)移速度的影響分析

水分的平均運(yùn)移速度為流量除以時(shí)間,即含水率的變化反映了平均水分運(yùn)移速度的變化。據(jù)此,在裂縫對(duì)含水率影響的基礎(chǔ)上,分析裂縫對(duì)周邊水分運(yùn)移速度的影響。

單裂縫時(shí),裂縫邊緣的平均流速均高于遠(yuǎn)離裂縫區(qū)域,且平均水分運(yùn)移速度的差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離呈正相關(guān)關(guān)系。

雙裂縫和三裂縫時(shí),仍是裂縫邊緣的平均流速均高于遠(yuǎn)離裂縫區(qū)域,且平均水分運(yùn)移速度差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離呈正相關(guān)關(guān)系。但同一土壤深度,裂縫之間的區(qū)域的水分運(yùn)移速度高于一側(cè)有裂縫區(qū)域。

在任何裂縫條件下,單一壤土同一位置的水分運(yùn)移速度低于風(fēng)沙土。土壤疊層時(shí),上層水分運(yùn)移速度與單一風(fēng)沙土基本一致,但下層壤土的水分運(yùn)移速度明顯高于單一壤土條件時(shí)的運(yùn)移速度。

為探究模擬過程中不同區(qū)域瞬時(shí)流速的變化,裂縫寬度為16 cm時(shí)壤土水分運(yùn)移瞬時(shí)速度與時(shí)間的關(guān)系如圖15所示。

圖15 裂縫寬度16 cm時(shí)壤土水分運(yùn)移瞬時(shí)速度與時(shí)間關(guān)系圖

由圖15可見,在整個(gè)過程中不同區(qū)域的瞬時(shí)流速的大小因?yàn)橹苓吅实纫蛩刈兓挠绊懯遣欢ǖ摹?/p>

4 結(jié)論

1)在單一裂縫時(shí),同一土壤深度靠近裂縫的區(qū)域的土壤含水率低于遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域,且含水率差與裂縫寬度,以及與裂縫的距離呈正相關(guān)關(guān)系,含水率降低的區(qū)域大小隨裂縫寬度的變大而變大。

在裂縫密度增高時(shí),同一土壤深度的含水率隨裂縫數(shù)量的增多而降低,裂縫之間區(qū)域的含水率低于一側(cè)有裂縫區(qū)域的含水率。

在其他條件相同的情況下,同一土壤深度下壤土的含水率明顯高于風(fēng)沙土含水率。在2種土壤疊層的情況下,在土壤交界處上方出現(xiàn)水分聚集現(xiàn)象,上方風(fēng)沙土區(qū)域含水率與單一風(fēng)沙土含水率模擬結(jié)果基本相同,下方壤土區(qū)域含水率低于相同初始條件的單一壤土的含水率。

2)單一裂縫時(shí),在同一土壤深度時(shí),整個(gè)區(qū)域的土壤水分運(yùn)移方向向裂縫處發(fā)生偏轉(zhuǎn),越靠近裂縫的區(qū)域偏轉(zhuǎn)角度越大,且最大偏轉(zhuǎn)角度和發(fā)生水分運(yùn)移方向變化的區(qū)域大小隨裂縫寬度變大而變大。土壤條件對(duì)水分運(yùn)移方向變化幾乎沒有影響。

裂縫密度增高后,由于兩側(cè)裂縫的復(fù)合作用,裂縫之間的區(qū)域相對(duì)于一側(cè)有裂縫的區(qū)域,水分運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)最大角度變小,發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域變小。

3)單一裂縫時(shí),同一土壤深度靠近裂縫的區(qū)域整個(gè)模擬過程中的平均水分運(yùn)移速率高于遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域,同一土壤深度裂縫邊緣的平均水分運(yùn)移速度隨裂縫寬度的增大而增大。且其他條件相同時(shí)風(fēng)沙土條件的平均水分運(yùn)移速度高于壤土條件的水分運(yùn)移速度。裂縫密度增高后,在與裂縫距離相同時(shí),一側(cè)有裂縫區(qū)域的水分運(yùn)移速度要低于裂縫之間區(qū)域的運(yùn)移速度。在整個(gè)過程中不同區(qū)域瞬時(shí)流速的高低因?yàn)橹苓吅实纫蛩氐挠绊懯遣欢ǖ摹?/p>