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摘要
土壤水运移控制着陆地生态系统中几乎所有的物理和生物地球化学过程，对土壤水运移的研究具有非常重要的意义。土壤水运移发生在土壤孔隙中，但多数研究都是基于宏观数值模型，往往忽略微观特征。实际上，宏观现象是所有孔隙尺度过程的综合，因此孔隙尺度过程的模拟对于改善宏观模型以及了解土壤水运移微观机理至关重要。孔隙尺度模拟方法的发展加深了人们对水运移规律及水运移情况的了解掌握，但目前针对高密度比不混溶流体的方法还存在短板，并且鲜见用于真实土壤结构中接触角以及人为耕作活动对土壤水影响的研究。针对这些问题，本文采用孔隙尺度模拟方法结合X射线断层扫描技术开展了以下研究工作： 1.提出了应用孔隙尺度Navier-Stokes方法模拟非饱和土壤水运移(水流模型)，此方法在确定孔隙几何结构中的水分布，水-空气界面固定在空间的前提下，直接求解将水-空气界面视为边界的Navier-Stokes方程来数值模拟水运移。水流模型的正确性通过防滑固体壁上薄水膜流动的解析解进行了验证，然后采用提出的水流模型结合形态学模型模拟了3D土壤结构中的水运移，计算了不同饱和度下的渗透率，并与通过vanGenuchten公式估算的渗透率进行了良好的拟合。 2.采用非饱和土壤水运移格子Boltzmann方法结合X射线断层扫描技术，模拟了两个土样中不同接触角的孔隙水运移及重分布，分析了接触角对孔隙水分布状态的影响。结果表明：在接触角较小的土壤中，液态水会优先填充直径较小的孔隙，排挤出空气，使空气在大孔隙中汇集形成气泡；土壤中液-固界面面积随接触角减小而增大，气-固界面面积则刚好相反；液体输运通道直径随接触角减小而变小，气体输运通道直径则随接触角的减小先增大，后减小；土壤中固相表面的水密度最大，液态水的密度随接触角变化很小，但水蒸气密度随接触角减小显著降低；接触角较大时，饱和度对水蒸气密度无明显影响；接触角较小时，饱和度的增大会显著提高水蒸气的密度。 3.在三种土壤质地类型的背景下，三种长期田间耕作系统的土壤通过X射线断层扫描技术在三维实现可视化并定量分析孔隙系统性质，然后采用饱和土壤水运移格子Boltzmann方法模拟计算了不同结构土壤的渗透率。结果表明：在微米尺度上，与免耕地土壤相比，草地和耕地导致粘土的孔隙率显著增加，连通性更高，并且植物的覆盖也是产生这种影响的主要因素；然而对于砂土，耕作和植物的覆盖对土壤结构没有明显影响；肥料可以促进耕作对土壤结构的影响，肥料种类影响促进程度。渗透率计算结果表明：在微米尺度上，耕作和植物覆盖对三种质地土壤渗透率都有明显影响；从土壤渗透率情况可以看出肥料并非全部促进耕作对土壤渗透率影响。综合不同土壤质地下土壤特性的情况得知，耕作方式对土壤特性的影响与土壤质地有关。 通过本文的研究，从微观机理方面揭示了土壤水运移的规律及影响因素，为进一步模拟土壤中流体运动及物质迁移提供基础，并为土壤水资源研究及优化农业生产提供理论指导。对了解和研究其它多孔介质中流体情况也有非常重要的指导意义。
关键词
土壤中水运移/孔隙尺度/X射线断层扫描/Navier-Stokes方程/格子Boltzmann/微观机理/数值模拟引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
力学导师
胡五龙学位年度
2020学位授予单位
武汉理工大学语种
中文中图分类号
S1