土壤大孔隙流機理及產(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、蚯蚓和嚙齒動物的活動以及植物根系的生長，土壤中存在著大量的大孔隙。當(dāng)土壤中存在大孔隙時，進入土壤中的水及溶質(zhì)就繞過大部分土壤基質(zhì)，經(jīng)過大孔隙快速到達(dá)土壤深處或地下水中，即使在土壤基質(zhì)沒有完全飽和的情況下也會發(fā)生。大孔隙中的水流速度遠(yuǎn)大于土壤基質(zhì)流，其中水流運動不符合達(dá)西定律。大量的室內(nèi)和田間實驗表明，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?！　〗陙?，氣候變化導(dǎo)致降水時空分布更加不均勻，干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，農(nóng)業(yè)用水時常不能得到保障，嚴(yán)重威脅我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與糧食安全。而在當(dāng)前國家糧食安全形勢非常嚴(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)報土壤墑情，另一方面要開展節(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)報和節(jié)水灌溉工作中，不僅可以提高土壤墑情的預(yù)測精度，而且可以提高節(jié)水效果。　　……

內(nèi)容概要

《土壤大孔隙流機理及產(chǎn)匯流模型》在詳細(xì)論述土壤大孔隙流國內(nèi)外研究進展的基礎(chǔ)上，開展土柱CT掃描實驗，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；開展含有大孔隙的室內(nèi)土柱和土槽人工降雨實驗，確定大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運移參數(shù)，分析評價大孔隙流對產(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方法進行求解。
《土壤大孔隙流機理及產(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)境保護等領(lǐng)域的科技人員使用，也可作為上述專業(yè)高年級本科生、研究生和相關(guān)教師的參考書。

作者簡介

無

書籍目錄

《水科學(xué)前沿叢書》出版說明序前言第1章 土壤大孔隙流及其對坡面產(chǎn)匯流影響的研究進展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1.5 土壤大孔隙流實驗技術(shù)研究進展1.5.1 土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的觀測技術(shù)1.5.2 大孔隙土壤中含水量及其空間分布特征的觀測技術(shù)1.5.3 大孔隙土壤水力學(xué)特征參數(shù)的觀測技術(shù)1.5.4 大孔隙流室內(nèi)和田間實驗1.5.5 大孔隙流實驗技術(shù)進展總結(jié)1.6 土壤大孔隙流模擬技術(shù)研究進展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(stochastic)模型1.6.8 模擬技術(shù)研究進展總結(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 國內(nèi)外研究進展2.3 CT掃描實驗材料和圖像處理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移參考文獻(xiàn)第3章 大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運移參數(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)水率實驗3.2.5 土壤大孔隙飽和導(dǎo)水率估算值與實測值的對比分析3.3 土壤水動力彌散系數(shù)的確定3.3.1 實驗材料、原理和方法3.3.2 大孔隙對土壤水動力彌散系數(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定3.4.4 土壤水分特征曲線的擬合及運動參數(shù)的推求3.4.5 大孔隙對土壤水分特征曲線形狀的影響3.4.6 大孔隙對土壤水分特征曲線參數(shù)的影響3.4.7 大孔隙對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 原狀土和擾動土比水容重的對比分析3.5.2 原狀土和擾動土非飽和導(dǎo)水率的比較分析參考文獻(xiàn)第4章 大孔隙土柱水流實驗和土槽人工降雨實驗研究4.1 大孔隙土柱水流實驗4.1.1 實驗材料與方法4.1.2 大孔隙數(shù)量對水分在土壤中運移的影響4.1.3 大孔隙形狀對水分在土壤中運移的影響4.1.4 大孔隙直徑對水分在土壤中運移的影響4.2 土槽人工降雨實驗4.2.1 實驗設(shè)計4.2.2 下墊面和降雨強度對產(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 土柱下滲模型及驗證5.3.1 土柱實驗介紹5.3.2 均質(zhì)模型在擾動土柱水鹽運移模擬中的應(yīng)用5.3.3 兩域模型在原狀土柱水鹽運移模擬中的應(yīng)用5.4 坡面下滲模型分析及驗證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證6.1.1 引言6.1.2 坡面運動波討論6.1.3 Preissmann四點隱式差分法6.1.4 Lattice Boltzmann法6.1.5 方法比較6.1.6 實驗驗證6.2 溶質(zhì)流失模型分析和驗證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）分層開挖，然后目測記錄大孔隙的數(shù)目，對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。　　該方法優(yōu)點是廉價易行，除了能夠得到大孔隙的分布、方向、直徑、長度外，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聚體表層和大孔隙孔壁土壤的性質(zhì)。而缺點則是，挖掘會對土壤造成破壞，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。該方法耗時較長，當(dāng)采用目測計數(shù)法時，會因為人為原因產(chǎn)生誤差。　　5.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土壤有機質(zhì)含量和含水量分布。Bouldin等和Freeland等曾采用地透雷達(dá)法對400m長的土壤區(qū)域進行優(yōu)先流路徑的測量和分析。對于一個區(qū)域，地透雷達(dá)法不僅可以探測土壤大孔隙結(jié)構(gòu)，也可以測量土壤含水量分布。Lunt等曾對80m×180m的區(qū)域利用地透雷達(dá)法進行土壤含水量的監(jiān)測。Huisman等曾經(jīng)詳細(xì)討論了現(xiàn)有的利用地透雷達(dá)測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)域土壤探測技術(shù)的發(fā)展趨勢?！　?.穿透曲線法　　水分穿透曲線法（water breakthrough curves）實驗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)記物的相對濃度和出流液的相對體積函數(shù)，根據(jù)出流速率隨時間變化的變化過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。　　……

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    土壤大孔隙流機理及產(chǎn)匯流模型 PDF格式下載

---