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种土壤干缩裂缝形成与发育,除RW-4处理促进作用存在异常外,其余处理呈再生水浓度增高,抑制或促进作用增大;2)再生水灌溉下,红壤干缩开裂过程更为平缓,其余3种土壤干缩裂缝面积发育更集中于前期,低浓度再生水集中作用更大;3)土壤类型与再生水浓度对干缩裂缝具有交互作用,土壤类型对面积密度及其发育过程减缓段变化速率影响较大,再生水浓度对面积发育过程初始段变化速率、减缓段长度、加速段变化速率、长度发育过程变化速率峰值影响较大;4)土壤裂缝面积密度发育程度与含水率的关系可用三直线模型拟合,长度密度及连通性系数发育程度与含水率的关系可用log-logistic模型拟合。研究结果可为亚热带地区再生水水质标准制定及其灌溉制度设计提供参考。     

干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律

为研究干湿循环过程中农田土壤干缩裂缝的开闭规律,在室内试验的基础上,结合数字图像处理技术对壤质黏土干湿循环过程中土壤干缩裂缝网络几何形态特征进行了定量分析。结果表明:干燥过程中土壤含水率随试验时间的变化经历3个阶段。增湿过程中,含水率达到45%时裂缝完全闭合;裂缝面积率、长度密度、面积周长比与连通性指数分别在含水率增加到30%、32%、30%、35%时开始迅速减小。裂缝开裂与闭合是2个不可逆的过程。土壤水分在田间持水率和凋萎系数时裂缝几何参数统计表明,大多数裂缝面积在0~30 mm2之间,长度在0~40 mm之间。从田间持水率干燥到凋萎系数的过程中,裂缝面积与长度的频数分布均显著变化,从凋萎系数增湿到田间持水率的过程中,频数分布几乎没有变化。土壤含水率为凋萎系数时,干燥过程与增湿过程面积、长度的频数分布差异较小,而为田间持水率时差异明显。该成果有助于土壤干缩裂缝开闭机理及裂缝优先流的研究,为基于裂缝网络的精量灌溉制度的制定提供理论基础。     

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。     

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。     

土壤干缩开裂三维模型构建及其参数敏感性分析

为揭示农田土壤干缩裂隙沿深度方向的发展规律及形成机理,该研究改进了Vogel提出的Hookean弹簧模型,通过构建由节点组成的三棱柱状网格结构,并考虑重力的影响,建立了可以模拟裂隙深度的三维农田土壤干缩开裂模型,分析了纵向弹性系数（与土壤沿深度的弹性有关）对模拟裂隙深度的影响,通过Minkowski密度（即面积密度、长度密度和欧拉数密度）量化分析裂隙形态。结果表明：试验与模拟裂隙图像的面积、长度、欧拉数密度及裂隙深度频率的决定系数在0.849～0.959之间,一致性指标在0.965～0.988之间,偏差在0.103～0.189之间,均方根误差在0.005～0.083之间,说明改进后的三维模型达到率定要求,该三维物理模型可以模拟出裂隙沿深度的拓展情况,模拟的表层裂隙形态特征符合自然裂隙的发育规律。敏感性分析中,纵向弹性系数越小,裂隙沿深度方向发育的趋势越明显,深裂缝（土深5～10 cm）的占比越大。研究可为模拟农田土壤裂隙沿纵向的发育和形成提供算法参考。     

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。     

多因素影响下土壤上升毛管水运动特性HYDRUS模拟及验证

基于饱和—非饱和土壤水分运动理论,通过HYDRUS-1D软件对多因素作用下的土壤上升毛管水运动进行模拟,研究土壤容重、黏粒含量、初始含水率、地下水埋深和时间5个因素对上升毛管水运动特性的影响。分别建立上升毛管水补给量和毛管水上升高度与各影响因素之间经验模型,其均方根误差均为0.003 cm,相关系数均大于0.99,决定系数均大于0.98(P0.01),计算值与实测值相对误差均小于11.25%。各影响因素对上升毛管水补给量的影响程度由大到小依次为时间、土壤容重、初始含水率、黏粒含量、地下水埋深,对毛管水上升高度的影响程度由大到小依次为时间、初始含水率、黏粒含量、土壤容重、地下水埋深。采用截距为0的线性函数对毛管水上升高度与上升毛管水补给量之间的关系曲线进行拟合,其决定系数均在0.96以上,表明其两者之间呈显著线性关系。该研究成果可为制定灌溉和排水以及盐碱地改良等措施提供理论依据。     

不同土壤含水率、体积质量及光谱反射率的关系模型

为了准确、快速地检测湿胀干缩型土壤含水率,该文提出了基于近红外光谱技术的土壤含水率分析方法。该文以湖北省黄棕壤、潮土、水稻土为研究对象,利用美国Ocean Optic公司的NIR256-2.5微型光纤光谱仪在暗室环境下对不同含水率下的土壤样本进行光谱反射率的测定和特征分析,并同时测量相应的土壤体积质量,研究土壤含水率、体积质量、光谱反射率之间的相关关系,通过采用2种土壤含水率表示方法与3种土壤光谱反射率表示方法反映土壤含水率与光谱反射率之间关系的对比试验分析,消除土壤其它性状对土壤反射率反演土壤含水率的影响,得到较适宜地进行土壤光谱反射率反演土壤含水率的匹配表示方法,构建三者之间关系的曲面模型和体积质量变化的土壤体积含水率与土壤光谱反射率的关系指数模型。研究结果表明,构建的3种土壤的曲面回归模型,决定系数均大于0.977,F值均达极显著水平,光谱反射率与体积质量的偏回归系数检验亦达显著或极显著水平。采用指数模型表述1400、1900nm波长处的归一化减土光谱反射率与体积质量变化的土壤体积含水率的关系,其决定系数均在0.9以上,对模型进行验证,其预测误差在0.3左右,精度较高,所建模型拟合效果好。该研究可为用近红外光谱检测体积质量变化的土壤含水率提供科学资料。     

花岗岩崩岗红土层土体胀缩特性研究

为研究崩岗土体因水分变化而发生干湿胀缩的特性,采集福建省安溪县典型崩岗区的红土层土样,通过室内无荷膨胀试验和收缩试验,分析不同初始干密度(1.3,1.4,1.5 g/cm^3)、不同初始含水量(15%,20%,25%和30%)下土体的无荷膨胀率和线缩率。结果表明:当含水量较低时,初始干密度越大土体膨胀率也越大;当初始干密度相同时,土壤膨胀率随其初始含水率的增大而减小。当初始含水率相同时,土样膨胀率随其初始干密度的增大而增大。不同处理的土样收缩过程有一定差异,初始含水率高的土样线缩率大,土壤膨胀和收缩过程不一致,且均为不可逆过程。该研究结果在一定程度上揭示了土壤含水率和干密度与崩岗侵蚀之间的关系。     

土壤初始含水率对优先流的影响简

土壤中优先流的存在会造成肥料利用率降低以及土壤深层甚至地下水污染.为确定土壤初始含水率对优先流的影响,通过室内含大孔隙土柱定水头入渗实验,以长武黑垆土及渭河砂土为研究对象,分析不同土壤初始含水率对优先流的影响.结果表明：1）相同质地,当土壤初始含水率大于其斥水性的峰值含水率时,湿润锋运移深度随着土壤初始含水率的增大而增大,反之湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少,不同质地土壤湿润锋运移速度随土壤粉粒质量分数升高而减慢;2）累积入渗量受到土壤储水性及斥水性的双重影响,导致与湿润锋的运移趋势并不一致,黑垆土对照CK组及优先流O-C-30组（除7.04％含水率外）累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,渭河砂土CK组及O-C-30组均呈现2阶段特征,累积入渗量先随着土壤初始含水率的增加而减少,之后随土壤初始含水率的增加而增加;3）Kostiakov入渗模型能很好地拟合累积入渗量随时间的变化过程,适用于存在优先流的土壤入渗模拟.该研究结果对土壤优先流水分模拟具有一定的指导意义.     

华南活动崩岗崩壁土体裂隙发育规律试验研究

为了研究崩壁裂隙发育对崩壁稳定性的影响,试验采集了广东德庆崩岗侵蚀区的崩壁不同部位土样,对其进行脱湿作用下的裂隙发育演变规律室内试验研究,试验中采用烘干法模拟脱湿过程,在脱湿过程中,定时定位对土样进行称重、拍照,以记录裂隙发育情况,利用ArcGIS软件对裂隙照片进行矢量化处理,提取裂隙的各种几何要素,进行裂隙度计算来分析裂隙发育情况。结果表明:不同部位土体裂隙发育程度达到相对稳定时的土壤含水量和时间不同,其中崩壁顶部（B₁）土体最先产生裂隙和达到稳定状态,其次是中部（B₂）,最后是下部（B₃）;不同崩壁土体的裂隙面积密度、长度密度和连通性指数都随着含水率的减少而增大,达到最大值之后保持稳定,变化趋势一致。正是由于崩壁土体裂隙的发育程度不一,在到达稳定的时间和含水量的不同,从而导致崩壁土体各部位受力不均,土体强度产生差异,从而最终导致在雨季崩壁失稳而发生崩岗。     

黄土覆盖区采动地表裂缝对土壤水分扰动影响的模拟试验研究

[目的]探究黄土覆盖区煤矿开采沉陷变形造成的地表裂缝对土壤水分变化的扰动效应,为采煤沉陷区土壤水分变化规律研究提供数据支撑。[方法]以典型黄土覆盖区的采煤沉陷区为模型,使用自主研制的开采沉陷地表裂缝模拟装置进行物理模拟试验,并在裂缝周围布设水分传感器,分析地表裂缝引起的土壤水分变化特征。利用Hydrus软件构建水文模型,结合物理模拟试验结果对数值计算模型进行优化。采用控制变量法,利用优化后的模型计算在不同裂缝形状、地形以及初始含水量条件下裂缝周围土壤含水量与非变形区土壤含水量差值。[结果]裂缝宽度主要影响土壤水分散失量的最大值,而裂缝深度主要影响散失量最大值出现的位置;裂缝对上坡方向和下坡方向影响规律存在差异,且坡度越大,差异越明显;土壤初始含水量越小,裂缝对土壤水分扰动程度越小;当初始含水量低于20%时,地表裂缝对土壤水分的影响范围不超过15 cm。[结论]在相同边界条件下,土壤水分模拟试验结果与物理试验数据变化规律呈现一致性,利用优化后的数值计算模型可以定量地分析黄土覆盖区土壤水分对采动地表裂缝的响应特征。     

Spatial distribution of roots and cracks in soils cultivated with sunflower

The aim of this research was to investigate the spatial distribution of roots and cracks in two clay soils cropped with sunflower under different inter-row spacing in order to identify the optimal management. A latin square experimental design was applied to compare bare soil and soil cropped with sunflower, with three plant densities, obtained by keeping constant the number of plants on the row (3 plants m^?1) and varying the row spacing (0.4, 0.6, 0.8 m). The presence of the crop and the different distance between rows influenced soil moisture content as well as the root spatial distribution and thus the structural features of cracks. Increasingly lower values of moisture were found in both soils as the distance between rows decreased; an opposite trend was observed for both root density and crack size. The volume of cracks in the soil grown with sunflower at 0.4 m row spacing was 201.4 m³ ha^?1, thus 8 times higher than the value on the bare soil and 2.5 times higher compared to the one grown at 0.8 m between rows. Optimal results in terms of root density, soil moisture and crack size were obtained with an inter-row spacing of 0.6 m.     

湖南邵阳地区高液限红黏土干缩裂隙演化过程的量化分析

红黏土对环境湿度变化非常敏感,在干燥环境中极易开裂,纵横交错的裂缝网络损害了土壤结构的完整性,很容易诱发红黏土边坡失稳和崩塌,导致农田水利设施的破坏,甚至加剧整个生态环境的水旱灾害。为探究红黏土裂隙的演化规律,该研究采用自制试验装置和三维应变测量系统开展了自然湿热条件下的红黏土泥浆样干燥试验,通过采集土体水分和土表位移、应变和裂隙的变化,定量分析脱湿过程中土体表面裂隙形态和应变场的演变特征,并进一步探讨水分变化对裂隙形态和应变场的影响。结果表明：1）土样表面干缩裂隙的演化一共经历了6个阶段,后阶段裂隙分割前阶段裂隙围成的区域,且不同阶段裂隙的交叉角接近90o;2）裂隙产生初始,裂隙尖端处拉应变约为0.5%,土表面大部分区域处于受拉状态;随着裂隙进一步发展,裂隙周边土体逐渐由拉应变状态向压应变状态转变;当所有裂隙发育完成,裂隙周边土体处于压应变状态;3）裂隙演化阶段与界限含水率有关,当泥浆土样的含水率接近液限时（67.7%）,土体表面裂隙开始发育,裂隙迅速张开和延伸;当土的含水率达到塑限时（28.3%）,裂隙发展的速率逐渐变缓;当含水率小于缩限时（18.8%）,裂隙变化已经很小,裂隙发育接近完成;4）在裂隙演化过程中,早期裂隙的发展持续时间和裂隙宽度均超过后期裂隙;土表不同位置的位移和应变均不相同,土块中心竖向收缩大于边缘竖向收缩,而土块中心位移及应变均小于土块边缘,研究可为红黏土开裂引发的工程地质灾害的预防及治理提供参考。     

Shrinkage of artificially dried soil samples collected at different depths in a clay soil

Quantitative variations of shrinkage patterns in soil samples collected at different depths along a “V” shaped crack were estimated. Size distribution of cracks and size distribution of clods were also determined. Slight differences were found in the values of total shrinkage but at increasing depth cracks became larger and the number of dimensional size classes in which cracks were distributed increased. In samples collected at 0-5 cm, and 25-30 cm the largest cracks belonged to the dimensional class 0.8-1 mm while in the deepest samples (65-70cm) the width of largest cracks was 2.0 mm. Along the profile there was a regular increase of clods of the largest size (> 20 mm) from 25 %to more than 50 % for samples collected at the soil surface and those collected at 65-70 cm, respectively.     

基于高密度电阻率法的农田土壤表面干缩裂隙成像

为探测土壤表面干缩裂隙的发育情况,该研究以农田土壤表面干缩裂隙作为研究对象,以高密度电阻率法为测量手段,采用耦合层次聚类分析的同步连续线性估计算法(Simultaneous successive linear estimation,SimSLE)反演土壤表面干缩裂隙的形态,结合试验裂隙图像和反演得到的模拟图像,对比分析...