土壤大孔隙流機(jī)理及產(chǎn)匯流模型

前言

　　由于土壤干濕作用造成的收縮和膨脹，土壤中可溶性物質(zhì)的溶解、凍融的循環(huán)交替，人類耕種等活動(dòng)、蚯蚓和嚙齒動(dòng)物的活動(dòng)以及植物根系的生長(zhǎng)，土壤中存在著大量的大孔隙。當(dāng)土壤中存在大孔隙時(shí)，進(jìn)入土壤中的水及溶質(zhì)就繞過(guò)大部分土壤基質(zhì)，經(jīng)過(guò)大孔隙快速到達(dá)土壤深處或地下水中，即使在土壤基質(zhì)沒(méi)有完全飽和的情況下也會(huì)發(fā)生。大孔隙中的水流速度遠(yuǎn)大于土壤基質(zhì)流，其中水流運(yùn)動(dòng)不符合達(dá)西定律。大量的室內(nèi)和田間實(shí)驗(yàn)表明，大孔隙流是土壤中的一種普遍存在的現(xiàn)象，而不是一種特例。　　近年來(lái)，氣候變化導(dǎo)致降水時(shí)空分布更加不均勻，干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，農(nóng)業(yè)用水時(shí)常不能得到保障，嚴(yán)重威脅我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與糧食安全。而在當(dāng)前國(guó)家糧食安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻的情況下，保障農(nóng)業(yè)用水是非常重要的。這就要求一方面必須準(zhǔn)確預(yù)報(bào)土壤墑情，另一方面要開(kāi)展節(jié)水灌溉。研究考慮大孔隙分布的入滲模型和產(chǎn)匯流模型及其解法，可以應(yīng)用于土壤墑情預(yù)報(bào)和節(jié)水灌溉工作中，不僅可以提高土壤墑情的預(yù)測(cè)精度，而且可以提高節(jié)水效果?！　　?/pre>


內(nèi)容概要
《土壤大孔隙流機(jī)理及產(chǎn)匯流模型》在詳細(xì)論述土壤大孔隙流國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，開(kāi)展土柱CT掃描實(shí)驗(yàn)，得到不同土柱各橫斷面的CT掃描圖像；采用基于GIS的圖像處理技術(shù)，左拐彎和九方向判斷相結(jié)合的大孔隙空間結(jié)構(gòu)識(shí)別技術(shù)以及逐層分析法和向上、向下追蹤法相結(jié)合的大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析技術(shù)，得到大孔隙空間分布特征；開(kāi)展含有大孔隙的室內(nèi)土柱和土槽人工降雨實(shí)驗(yàn)，確定大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)，分析評(píng)價(jià)大孔隙流對(duì)產(chǎn)匯流的影響。構(gòu)建考慮大孔隙分布的不同尺度的產(chǎn)匯流模型，采用Lattice Boltzmann方法進(jìn)行求解。
《土壤大孔隙流機(jī)理及產(chǎn)匯流模型》可供農(nóng)田灌溉、土壤物理、水土保持、流域產(chǎn)匯流和水環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的科技人員使用，也可作為上述專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生和相關(guān)教師的參考書。


作者簡(jiǎn)介
無(wú)


書籍目錄
《水科學(xué)前沿叢書》出版說(shuō)明序前言第1章 土壤大孔隙流及其對(duì)坡面產(chǎn)匯流影響的研究進(jìn)展1.1 研究背景與目的意義1.1.1 背景介紹1.1.2 目的意義1.2 優(yōu)先流的分類及其基本理論1.3 大孔隙流理論的研究現(xiàn)狀1.3.1 大孔隙的定義1.3.2 大孔隙的成因1.3.3 大孔隙流產(chǎn)生的條件1.3.4 大孔隙流產(chǎn)生的影響及后果1.3.5 影響大孔隙流的因素1.4 大孔隙流理論的發(fā)展趨勢(shì)1.4.1 分形幾何在土壤學(xué)及大孔隙流理論中的應(yīng)用1.4.2 流體力學(xué)新方法在大孔隙流理論中的應(yīng)用1.4.3 大孔隙流理論發(fā)展趨勢(shì)1.5 土壤大孔隙流實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展1.5.1 土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的觀測(cè)技術(shù)1.5.2 大孔隙土壤中含水量及其空間分布特征的觀測(cè)技術(shù)1.5.3 大孔隙土壤水力學(xué)特征參數(shù)的觀測(cè)技術(shù)1.5.4 大孔隙流室內(nèi)和田間實(shí)驗(yàn)1.5.5 大孔隙流實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展總結(jié)1.6 土壤大孔隙流模擬技術(shù)研究進(jìn)展1.6.1 兩域(two-domain)模型1.6.2 多域(multi-domain)模型1.6.3 數(shù)值(numerical)模型1.6.4 兩階段(two-phase)模型1.6.5 混合層(mixing-layer)模型1.6.6 多尺度平均(multiple-scale average)模型1.6.7 隨機(jī)(stochastic)模型1.6.8 模擬技術(shù)研究進(jìn)展總結(jié)1.7 大孔隙流及溶質(zhì)遷移數(shù)值軟件1.7.1 MACRO模型1.7.2 HYDRUS模型1.7.3 IN3M模型1.7.4 RZWQM模型1.7.5 SIMULAT模型1.7.6 可用于大孔隙流計(jì)算的其他模型1.8 大孔隙流理論在流域模型中的應(yīng)用進(jìn)展1.8.1 DSFDM模型1.8.2 DHSVM模型1.8.3 CATFLOW模型1.8.4 MIKE-SHE模型1.8.5 HYDAS-DRAIN模型參考文獻(xiàn)第2章 CT確定土壤大孔隙空間分布2.1 CT掃描原理2.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展2.3 CT掃描實(shí)驗(yàn)材料和圖像處理2.3.1 土柱2.3.2 CT掃描2.3.3 圖像處理2.4 大孔隙空間網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別2.5 大孔隙空間網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定2.5.1 大孔隙網(wǎng)絡(luò)和分支2.5.2 彎曲度2.5.3 空間水力半徑2.5.4 大孔隙網(wǎng)絡(luò)的密度、配位數(shù)、連通性和虧格2.5.5 確定大孔隙空間網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)2.5.6 大孔隙網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)的分析2.6 照影劑在土壤大孔隙中的運(yùn)移參考文獻(xiàn)第3章 大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)研究3.1 土壤基本性質(zhì)3.2 飽和導(dǎo)水率的確定3.2.1 土壤基質(zhì)的飽和導(dǎo)水率3.2.2 土壤大孔隙的飽和導(dǎo)水率計(jì)算3.2.3 原狀土壤整體的飽和導(dǎo)水率3.2.4 飽和導(dǎo)水率實(shí)驗(yàn)3.2.5 土壤大孔隙飽和導(dǎo)水率估算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析3.3 土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)的確定3.3.1 實(shí)驗(yàn)材料、原理和方法3.3.2 大孔隙對(duì)土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)的影響3.4 土壤水分特征曲線3.4.1 土壤水分特征曲線及應(yīng)用3.4.2 描述土壤水分特征曲線的模型3.4.3 土壤水分特征曲線的測(cè)定3.4.4 土壤水分特征曲線的擬合及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的推求3.4.5 大孔隙對(duì)土壤水分特征曲線形狀的影響3.4.6 大孔隙對(duì)土壤水分特征曲線參數(shù)的影響3.4.7 大孔隙對(duì)田間持水量和凋萎系數(shù)的影響3.5 比水容重和土壤非飽和導(dǎo)水率3.5.1 原狀土和擾動(dòng)土比水容重的對(duì)比分析3.5.2 原狀土和擾動(dòng)土非飽和導(dǎo)水率的比較分析參考文獻(xiàn)第4章 大孔隙土柱水流實(shí)驗(yàn)和土槽人工降雨實(shí)驗(yàn)研究4.1 大孔隙土柱水流實(shí)驗(yàn)4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法4.1.2 大孔隙數(shù)量對(duì)水分在土壤中運(yùn)移的影響4.1.3 大孔隙形狀對(duì)水分在土壤中運(yùn)移的影響4.1.4 大孔隙直徑對(duì)水分在土壤中運(yùn)移的影響4.2 土槽人工降雨實(shí)驗(yàn)4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.2.2 下墊面和降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)匯流及溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的影響參考文獻(xiàn)第5章 基于格子波爾茲曼方法的大孔隙土壤下滲模型研究5.1 格子波爾茲曼方法的基本原理5.1.1 LBM-BGK模型簡(jiǎn)介5.1.2 Burgers方程還原方法5.2 兩域模型的構(gòu)建及數(shù)值解法研究5.2.1 兩域模型的構(gòu)建方法概述5.2.2 兩域模型構(gòu)建5.2.3 兩域模型的數(shù)值解法研究5.3 土柱下滲模型及驗(yàn)證5.3.1 土柱實(shí)驗(yàn)介紹5.3.2 均質(zhì)模型在擾動(dòng)土柱水鹽運(yùn)移模擬中的應(yīng)用5.3.3 兩域模型在原狀土柱水鹽運(yùn)移模擬中的應(yīng)用5.4 坡面下滲模型分析及驗(yàn)證5.4.1 建模原理5.4.2 模型參數(shù)及求解5.4.3 模型率定及驗(yàn)證參考文獻(xiàn)第6章 含有大孔隙的坡面匯流模型以及溶質(zhì)流失模型研究6.1 坡面匯流模型分析及驗(yàn)證6.1.1 引言6.1.2 坡面運(yùn)動(dòng)波討論6.1.3 Preissmann四點(diǎn)隱式差分法6.1.4 Lattice Boltzmann法6.1.5 方法比較6.1.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證6.2 溶質(zhì)流失模型分析和驗(yàn)證6.2.1 引言6.2.2 影響土壤溶質(zhì)流失的因素6.2.3 大孔隙對(duì)坡面溶質(zhì)流失的影響6.2.4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6.2.5 建模思想6.2.6 仿真驗(yàn)證參考文獻(xiàn)第7章 基于大孔隙的流域產(chǎn)匯流模型研究7.1 模型構(gòu)建7.1.1 產(chǎn)流模型7.1.2 匯流模型7.2 流域概況介紹7.2.1 自然地理概況7.2.2 水文氣象情況7.2.3 資料整理7.2.4 精度指標(biāo)7.3 模型應(yīng)用參考文獻(xiàn)


章節(jié)摘錄
　　4.挖掘拍照法　　挖掘拍照法是直接將士壤按照一定深度（如5cm）分層開(kāi)挖，然后目測(cè)記錄大孔隙的數(shù)目，對(duì)于面積較大的土壤可采用透明塑料薄膜或者拍照記錄土表，再利用圖像分辨技術(shù)區(qū)別大孔隙和基質(zhì)土壤。Shipitalo等和Logsdon等曾將此方法用于面積較大的地區(qū)的大孔隙研究?！　≡摲椒▋?yōu)點(diǎn)是廉價(jià)易行，除了能夠得到大孔隙的分布、方向、直徑、長(zhǎng)度外，也能提供植物根系、土壤質(zhì)地、土壤成層結(jié)構(gòu)等信息，并且可以直接觀察研究土壤團(tuán)聚體表層和大孔隙孔壁土壤的性質(zhì)。而缺點(diǎn)則是，挖掘會(huì)對(duì)土壤造成破壞，只有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔徑較大的大孔隙可以保留，大孔隙度將被低估。該方法耗時(shí)較長(zhǎng)，當(dāng)采用目測(cè)計(jì)數(shù)法時(shí)，會(huì)因?yàn)槿藶樵虍a(chǎn)生誤差?！　?.地透雷達(dá)法　　地透雷達(dá)（ground penetrating radar）的許多電磁波方法被越來(lái)越多地用于水文地質(zhì)研究領(lǐng)域。此方法不破壞土壤結(jié)構(gòu)，通過(guò)不斷改變雷達(dá)的位置，土壤的質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、含水量等信息可以得到反映。王春輝比較了地透雷達(dá)的4種方法，并且利用反射波法探測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量和含水量分布。Bouldin等和Freeland等曾采用地透雷達(dá)法對(duì)400m長(zhǎng)的土壤區(qū)域進(jìn)行優(yōu)先流路徑的測(cè)量和分析。對(duì)于一個(gè)區(qū)域，地透雷達(dá)法不僅可以探測(cè)土壤大孔隙結(jié)構(gòu)，也可以測(cè)量土壤含水量分布。Lunt等曾對(duì)80m×180m的區(qū)域利用地透雷達(dá)法進(jìn)行土壤含水量的監(jiān)測(cè)。Huisman等曾經(jīng)詳細(xì)討論了現(xiàn)有的利用地透雷達(dá)測(cè)量土壤含水量的方法的局限性和適用性。此方法是較大區(qū)域土壤探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?！　?.穿透曲線法　　水分穿透曲線法（water breakthrough curves）實(shí)驗(yàn)需要在水中加入土壤吸附較弱的離子（如溴離子、氯離子、碘離子、硝酸根離子等）、同位素和染料作為標(biāo)記物，研究處理溶液中標(biāo)記物的相對(duì)濃度和出流液的相對(duì)體積函數(shù)，根據(jù)出流速率隨時(shí)間變化的變化過(guò)程作出土壤的水分穿透曲線。此方法常常被用于研究大孔隙的半徑分布?！　　?/pre>








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