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。     

土体干缩开裂影响水分入渗和坡面产流的研究进展

以Web of Science核心合集2008—2021年数据和CNKI数据库1936—2021年数据为基础,通过综合分析土体干缩裂隙的发育过程、干缩裂隙对土壤结构影响的研究进展,总结了土体干缩开裂对土壤水分入渗和坡面产流的作用,以期为理解气候变化对土壤水分入渗、坡面产流及土壤侵蚀的影响提供参考。     

盐阳离子类型及浓度对土壤持水及干缩开裂的作用效果

为探索阳性盐离子对土壤持水性能的影响,同时定量分析失水过程所致的土体收缩及裂缝特征,选取陕西粉黏壤土作为供试土壤,分别采用含有K+、Na+、Ca2+和Mg2+4种离子的盐溶液(浓度均为5、30和100 g/L)对土样进行饱和处理,采用离心机法测定土-水曲线,进一步对土壤持水能力进行评价;同时测定土体沉降高度,采用数字图像处理技术获取面积密度和长度密度等裂隙度量指标,对土体收缩和开裂水平进行定量分析。结果发现:1)van Genuchten模型适用于盐溶液浸泡土壤的土-水曲线拟合;2)4种盐离子均基本导致土壤持水能力降低(5 g/L Na+除外),且持水性与离子浓度呈负相关关系;同时使得土壤饱和含水率、残余含水率和进气吸力降低,其中土壤饱和含水率与离子浓度呈负相关关系;3)K+和高浓度Na+有利于减轻土壤轴向收缩度,且土体轴向收缩应变与K+(P0.01)和Na+(P0.05)浓度呈负相关关系;在收缩过程中,不同离子对土壤容重的影响程度表现为Mg2+Ca2+Na+K+;4)4种离子均可减轻土壤开裂程度,且裂缝面积密度和长度密度与K+(P0.01)、Na+(P0.01)和Ca2+(P0.05)浓度呈负相关关系,与Mg2+浓度呈正相关关系(P0.01)。研究可为盐碱土壤持水能力评价、制定灌溉制度提供参考。     

考虑相关长度的土壤开裂模型改进及其参数对裂隙形态的影响

为探索蒸发作用下农田土壤表面干缩裂隙发育规律及机理,文章改进了基于胡克定律的土壤开裂模型,在模型构造临界应变随机场时引入反映土壤空间连续性的相关长度概念,用以模拟土体的动态开裂。研究结果表明,模型体现了裂隙在自然界发展的动力学特征,模型中的参数代表了土壤的物理性质。经计算,试验与模拟图像的裂隙面积、长度、欧拉数密度决定系数均大于0.5,均方根误差、偏差很小,一致性指标接近1,说明改进后的模型达到率定要求。采用Minkowski面积、长度密度和欧拉数密度比较两模型优劣程度,其中,决定系数R2在0.889～0.968之间,一致性指数IA在0.964～0.993之间,更接近1,这表明改进后的模型模拟结果整体优于原模型模拟结果,很好地体现了裂隙的动态开裂过程。文章最后分析了改变随机场内空间相关长度、以及异质性对模型模拟开裂的影响,结果表明:相关长度越长、异质性越低,其开裂越均匀。     

不同灌溉施肥模式下土壤湿胀干缩特征曲线及其滞后效应

采用淹灌、间歇灌2种灌溉模式与不施氮肥、含氮复合肥、缓控释氮肥、有机无机氮肥4种施肥模式配成8个处理开展水稻种植田间试验,研究了不同灌溉施肥模式下土壤湿胀干缩特征曲线及其滞后效应。结果表明:指数模型能较好地描述不同灌溉施肥模式下的土壤收缩过程与土壤膨胀过程;各模式下土壤干缩特征曲线与湿胀特征曲线指数模型中的a值(干土的比容积,即干土体积质量的倒数)和b值(单位含水量变化时土壤比容积变化的自然对数单位值)存在差异;土壤干缩曲线与湿胀曲线不完全重合,二者的b值及其差异也不同,存在滞后现象;土壤湿胀干缩效应受多种土壤性质的影响,其中主要通过土壤孔隙结构与持水性质的影响体现。     

根系及盐分含量对农田土壤干缩裂缝发育规律的影响

为研究不同根系含量和盐分含量土壤表面干缩裂缝的发育规律,该文提出了一套基于数字图像处理的裂缝几何参数提取方法,分析裂缝形态随含水率的变化规律。结果表明:随着含水率的降低,不同根系含量条件下裂缝面积密度和长度密度的差异显著(P0.05),裂缝发育稳定时根系含量越大,面积密度越小,长度密度越大。盐分质量分数为2.0%的土壤试样在整个干燥过程中裂缝面积密度明显比其他低盐分含量的试样高。当含水率27%时,盐分含量对土壤裂缝面积密度的影响差异明显,不同盐分含量的土壤裂缝面积密度和长度密度均差异显著(P0.05),说明盐分含量越大,稳定时土壤裂缝面积密度越大,长度密度越小。该成果对指导开裂土壤的农田灌溉具有重要的实践意义。     

再生水灌溉对亚热带典型土壤干缩裂缝演变特征的影响

为揭示再生水灌溉对亚热带土壤干缩裂缝及其发育过程的影响,该研究选取红壤、潮土、紫色土、水稻土作为供试土壤,采用再生水原液(RW)及稀释2倍(RW-2)、4倍(RW-4)、6倍(RW-6)4种不同浓度再生水进行持续模拟灌溉,并进行脱湿开裂试验,提取干缩裂缝参数.结果表明:1)再生水灌溉抑制红壤及促进其余3种土壤干缩裂缝形...     

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。     

膨胀土胀缩裂隙演化及其扰动规律分析

为定量研究膨胀土胀缩裂隙的演化特征及其对土体的扰动规律,从而探究其引发工程和生态环境灾害的机理。论文对合肥膨胀土进行干湿循环-CT(computed tomography)扫描试验,从获取的CT图中提取灰度值以及灰度共生矩阵特征值:角二阶矩(angular second moment,ASM)和对比度(contrast,CON),研究在干湿循环作用下裂隙图像的灰度值及其纹理的变化规律;并通过三轴剪切试验研究了在干湿循环作用下膨胀土的强度特征。结果表明:1)图像灰度值随裂隙的发育状态而变化;初始阶段灰度值沿试样轴向分布比较离散,但在后期逐渐均匀,离散系数在3次干湿循环后达到最大值,比干湿循环前增加了106%,随后逐渐减小;2)ASM随干湿循环次数的增加而减小,并且在0°和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值大9%;CON随干湿循环次数的增加而减小,并且在0和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值小52%,其对纹理的方向差异性更加敏感;3)胀缩裂隙对原状膨胀土的结构性会造成破坏,强度劣化显著;在5次干湿循环后,2种土强度分别降低62%和46%,并且原状膨胀土与重塑膨胀土强度的差值也由347.3 kPa降至21.3 kPa;4)由ASM和CON定义的扰动函数与由土体原生联结结构强度定义的扰动函数,扰动过程中函数变化曲线吻合度高,故基于灰度共生矩阵特征值的扰动函数能很好地描述胀缩裂隙扰动下的膨胀土强度特性。     

基于VG-PENG收缩特征曲线与收缩各向异性的裂隙率估算模型

为量化农田裂隙发育程度,考虑脱湿过程中土壤孔隙在基质域、沉降域和裂隙域间转化,该研究提出基于土壤收缩特征和收缩各向异性的裂隙体积比率(裂隙率)关于含水率的预测模型.该模型包括3个子模型:改进VG型式的基质域收缩特征VG-PENG模型,描述收缩各向异性的几何因子Logistic模型,基于上述VG-PENG收缩特征模型和几...     

基于离散元非线性弹塑性接触模型的免耕土壤参数标定

为了进一步提升基于离散元法对免耕作业机具与土壤互作关系研究的准确性,以华北麦玉两熟区免耕壤土为研究对象,基于离散元软件(Discrete Element Modeling,DEM)扩展的The Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion非线性弹塑性接触模型开展常年免耕农田土壤离散元仿真模型参数标...     

土壤优先流运动的活动流场模型模拟和敏感性分析

在壤土和砂土条件下分别采用碘-淀粉染色示踪方法和亮蓝染色示踪方法各开展了2个染色示踪试验,分别采用活动流场模型和二域模型模拟计算了各试验入渗后染色区内的土壤含水率和溶质浓度分布,通过相对均方根误差分析评价了两个模型模拟预测优先流发展的有效性;此外,通过敏感性分析研究了不同入渗条件（土壤质地、入渗水量和土壤初始含水率）下活动流场模型模拟预测结果（入渗深度）对活动流场模型分形特征参数变化的敏感度。模型检验分析结果显示活动流场模型对土壤水入渗深度、入渗后染色区内土壤含水率和溶质浓度分布的预测精度要明显高于二域模型的模拟预测精度;活动流场模型较好的捕捉到了优先流运动整体的非均匀特征。敏感性分析结果显示,当降雨入渗水量和土壤初始含水率相同时,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着γ的增大而增大;相同活动流场模型分形特征参数（γ）值条件下（即流动非均匀程度相同）,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着入渗水量的增大和土壤初始含水率的升高而减小。     

工程开挖面土壤侵蚀模型的构建

工程开挖面是生产建设项目水土流失的主要来源之一,但工程开挖面土壤侵蚀定量研究非常有限,势必影响开挖面土壤侵蚀量及危害的准确评估。该研究通过理论分析与野外观测试验相结合,一方面借鉴RUSLE建模思路,理论推导开挖面次降雨土壤侵蚀模型,并对模型参数进行了详细分析,另一方面通过野外小区现场观测,探讨开挖面土壤侵蚀关键影响因素,将实测数据应用于模型及参数的率定和验证。结果显示,坡度、坡长、质地、以及降雨因子各参数均与单位面积土壤流失量呈显著相关,建立的开挖面次降雨土壤侵蚀模型,经实测数据率定与验证,模型预测效果较好。该模型针对性强,不仅原理简单,各参数均具有一定的物理意义,而且参数易获取,具有很好的实用性和可操作性,可为有效防治开挖面水土流失、落实水土流失防治责任及开展水土保持监督执法等提供科学依据。     

CERES-Wheat作物模型参数全局敏感性分析

作物生长模型广泛应用于区域作物估产研究与应用之中,如何选择最佳作物模型优化参数是获得较好模拟预测结果的关键之一。研究选择河南洛阳为试验区,应用扩展傅里叶振幅灵敏度检验（EFAST）法对CERES-Wheat模型作物参数及田间管理参数进行了全局敏感性分析。结果表明,完成一片叶生长所需积温、最适温度条件下通过春化阶段所需天数、光周期参数、最佳条件下标准籽粒质量参数、开花期单位株冠质量的籽粒数参数等指标具有较高敏感性,系为模型参数“本地化”的关键参数。播种日期、播种密度、施肥日期、播种深度、灌溉日期是模型区域化应用的最佳优化变量。研究表明,EFAST敏感性分析是模型参数“本地化”和选择最佳“区域化”优化变量的有效方法。