崩岗侵蚀区花岗岩土壤孔隙的定量表征及渗流模拟

摘要

为揭示花岗岩残积土孔隙的渗流规律，解析孔隙尺度水分运移机制，选取崩岗完整风化剖面，对全剖面原状花岗岩风化土体进行X射线计算机断层扫描（CT），并利用AVIZO软件进行三维重构、构建孔隙网络模型，定量化分析花岗岩风化土全剖面孔隙结构特征。结果显示：土壤孔隙度随着风化深度增加呈现下降趋势（4.2%～25.1%），上层土壤（A和B层）明显高于下层砂层（P<0.05）。各层次土壤孔隙等效直径主要集中分布于0.1～0.2 mm，方向角集中于40°～50°，且各层次方位角分布较为一致。大孔隙（>100μm）形状以规则球形孔隙为主（0.8～1.0），上层规则孔隙较下层更多。风化剖面从上到下连通孔隙与非连通孔隙变化呈现相反趋势，孔隙连通性逐渐减弱。各层次土壤孔隙网络模型（pore network model,PNM）中连通孔隙半径（0.1～1.0 mm）、配位数及表面积在剖面上均呈现逐渐减少的趋势，上层平均孔喉长度整体高于下层土壤，孔隙网络结构随风化程度增大而逐渐复杂。基于孔隙网络的渗流模拟结果与实测值存在较高拟合度（R²=0.96）。孔隙结构参数与渗流导水率之间相关性分析显示，PNM参数（孔喉直径、通道长度、PNM孔隙直径）之间存在显著正相关（P<0.05），孔隙形态和方向参数（球度、方向角与方位角）与迂曲度呈显著正相关（P<0.05），孔隙连通性与分形维数、孔隙率、配位数、孔喉面积为渗透导水率关键影响因素（P<0.05），孔隙几何特征共同影响孔隙网络的结构和功能。结果表明，可以通过花岗岩风化土孔隙的三维重建及孔隙网络结构定量分析，明确风化土壤内部孔隙拓扑空间结构差异特征，解释风化作用下花岗岩土壤非均质性、各向异性、亚稳定结构形成的关键原因。

关键词

崩岗侵蚀 / 水土流失 / 花岗岩残积土 / 孔隙结构参数 / 孔隙网络模型 / 渗流模拟 / X射线计算机断层扫描(CT)