耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型及验证

该文旨在通过分析土壤裂隙存在下的土壤优先流运动模式与特点,建立耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型(crack preferential flow model,CP模型)。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和三维土壤裂隙网络区水流运动方程耦合。模拟与试验结果表明,增加降雨或灌溉强度能促进激活裂隙通道作为优先流通道,有利于优先流形成。CP模型及耦合方法较好地描述出了优先流运动的特点,模拟与实测的土壤饱和度均方根误差为0.016~0.025,决定系数均在0.78以上(P0.05),偏差为0.020~0.026,一致性指标为0.918~0.938。与等效连续体模型(Richards模型)相比较,CP模型模拟裂隙存在情况下土壤水流非均匀性规律更有效。研究丰富了土壤优先流理论,对提高农田水分利用率具有重要的意义。     

土壤表面干缩裂隙形态定量分析及其数值模拟

为揭示农田土壤表面干缩裂隙发展规律以及形成机理,该文对农田土壤裂隙演化试验图像进行二值化、去除噪点、提取裂隙边缘等处理,应用闵科夫斯基函数定量分析裂隙形态变化,并基于胡克定律模拟由于水分蒸发而引起的土壤收缩开裂过程。结果表明:闵科夫斯基函数可以有效地描述裂隙形态;形态学分析结果显示裂隙的闵科夫斯基面积、长度、欧拉数密度函数具有不同的变化规律;应用数值方法模拟由于水分蒸发而引起土壤收缩开裂的二维裂隙,试验图像裂隙面积、长度、欧拉数密度基本分布在100组模拟图像裂隙密度均值与标准差之间,裂隙试验图像与模拟图像面积、长度、欧拉数密度决定系数在0.893~0.928之间,均方根误差在0.002~0.039之间,偏差在0.064~0.144之间,一致性指标大于0.888,表明模拟结果较好。应用数值方法模拟土壤表面裂隙,有助于研究农田土壤裂隙的形成机理以及土壤裂隙随时间变化过程中动态演化规律。     

农田裂隙分布及其对土壤水分运动影响试验研究

通过农田土壤裂隙演化试验以及土壤染色示踪试验,应用MATLAB软件对裂隙照片、染色示踪照片二值化处理,去噪处理后,提取出裂隙率、土壤入渗深度、染色面积等形态相关参数,分析了裂隙以及裂隙存在下土壤水分运动规律。结果表明,裂隙发育过程中,裂隙的深度和宽度服从正态分布,初期表现为裂隙深度、宽度的共同发展,后期主要是裂隙深度的变化;裂隙率的变化在初期呈线性变化,裂隙率变化速率逐渐变缓;裂隙的存在,促使入渗深度呈带状分布,同时加大了平均入渗深度和入渗面积,降低了入渗均匀度。