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土壤大孔隙流機理及產匯流模型(簡體書)
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書摘/試閱

《水科學前沿叢書:土壤大孔隙流機理及產匯流模型》在詳細論述土壤大孔隙流國內外研究進展的基礎上,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;採用基於GIS的圖像處理技術,左拐彎和九方向判斷相結合的大孔隙空間結構識別技術以及逐層分析法和向上、向下追蹤法相結合的大孔隙空間結構特徵參數分析技術,得到大孔隙空間分佈特徵;開展含有大孔隙的室內土柱和土槽人工降雨實驗,確定大孔隙土壤水力參數和溶質運移參數,分析評價大孔隙流對產匯流的影響。構建考慮大孔隙分佈的不同尺度的產匯流模型,採用LatticeBoltzmann方法進行求解。《水科學前沿叢書:土壤大孔隙流機理及產匯流模型》可供農田灌溉、土壤物理、水土保持、流域產匯流和水環境保護等領域的科技人員使用,也可作為上述專業高年級本科生、研究生和相關教師的參考書。.
《土壤大孔隙流機理及產匯流模型》從土壤大孔隙結構和分布特征研究、土壤大孔隙室內和室外水流實驗以及數學模型研究等方面,對土壤大孔隙流及大孔隙流的存在對地下水環境和地表產匯流的影響等國內外研究進展進行了詳細論述。綜合分析研究現狀可知:雖然通過大量的室內外實驗已對大孔隙流問題有了很多認識,但由于大孔隙流在時間和空間上的極大變化性,仍存在不少難點問題需要解決。因此,在當前和未來較長一段時間內,有關大孔隙流問題的研究應側重于進行大量的室內和田間綜合實驗,獲得足夠多的數據資料,并提高模擬技術。
《水科學前沿叢書》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 優先流的分類及其基本理論1.3 大孔隙流理論的研究現狀1.3.1 大孔隙的定義1.3.2 大孔隙的成因1.3.3 大孔隙流產生的條件1.3.4 大孔隙流產生的影響及後果1.3.5 影響大孔隙流的因素1.4 大孔隙流理論的發展趨勢1.4.1 分形幾何在土壤學及大孔隙流理論中的應用1.4.2 流體力學新方法在大孔隙流理論中的應用1.4.3 大孔隙流理論發展趨勢1.5 土壤大孔隙流實驗技術研究進展1.5.1 土壤大孔隙結構的觀測技術1.5.2 大孔隙土壤中含水量及其空間分佈特徵的觀測技術1.5.3 大孔隙土壤水力學特徵參數的觀測技術1.5.4 大孔隙流室內和田間實驗1.5.5 大孔隙流實驗技術進展總結1.6 土壤大孔隙流模擬技術研究進展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 模擬技術研究進展總結1.7 大孔隙流及溶質遷移數值軟件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 可用於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模型參考文獻第2章 CT確定土壤大孔隙空間分佈2.1 CT掃描原理2.2 國內外研究進展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 大孔隙空間網絡的識別2.5 大孔隙空間網絡參數的確定2.5.1 大孔隙網絡和分支2.5.2 彎曲度2.5.3 空間水力半徑2.5.4 大孔隙網絡的密度、配位數、連通性和虧格2.5.5 確定大孔隙空間網絡分佈參數2.5.6 大孔隙網絡分佈參數的分析2.6 照影劑在土壤大孔隙中的運移參考文獻第3章 大孔隙土壤水力參數和溶質運移參數研究第4章 大孔隙土柱水流實驗和土槽人工降雨實驗研究第5章 基於格子波爾茲曼方法的大孔隙土壤下滲模型研究第6章 含有大孔隙的坡面匯流模型以及溶質流失模型研究第7章 基於大孔隙的流域產匯流模型研究.


通過染色實驗,研究了土壤大孔隙的連通性;Phogat和Aylmore采用CT研究了土壤面大孔隙度的分布及其在干燥和濕潤過程中的變化,確定了大孔隙度的平均值和統計分布規律,并通過干燥和濕潤實驗,指出了在淹水條件下土壤大孔隙度與非飽和條件下相比有較大的減少;Grevers等比較了CT掃描圖像與一系列土壤剖面上得到的圖像及土壤面大孔隙度。Anderson等介紹了一種簡單的確定每張CT掃描切片上大孔隙直徑的方法,分析了容重統計參數在土柱中的分布規律,并對容重做了自相關分析;Peyton等指出Anderson所用確定大孔隙直徑的方法是不正確的,采用迭代方法確定大孔隙(直徑d≥0.5mm)的孔隙周長、等效直徑和孔隙度。Asare等利用CT掃描確定了原狀土柱的大孔隙度(平面),發現土壤A層、B層的大孔隙度呈現對數正態分布,在A層大孔隙度隨深度增加呈現快速減少的趨勢,在B層大孔隙度隨深度增加呈現既不增加,又不減少的趨勢,在A層和B層產生大孔隙的物理過程是不一樣的;Gantzer和Anderson利用CT研究了耕作措施對土壤大孔隙結構的影響,并比較了不同分辨率CT掃描儀掃描的精度。通過對傳統耕作土壤和非耕作土壤CT掃描圖像的分析,指出耕作土壤的大孔隙面積、數目、周長、成圓率和盒維數都大于非耕作土壤,高分辨率CT掃描比低分辨率CT掃描更能精確地反映土壤大孔隙結構。Schrade等利用CT掃描研究了擠壓狀態和非擠壓狀態下由蚯蚓形成大孔隙周圍區域與土柱其他區域的容重和結構。由于大孔隙的大小形狀是復雜的,運用傳統統計方法難以精確定量,需要一種新的數學工具來分析。于是Peyton等提出使用CT結合分形維數來描述大孔隙平面結構,對CT所得的二維矩陣CTN圖進行特殊處理,用計算覆蓋區域盒子數的方法求出大孔隙區或低容重區的盒維數,再運用分形公式求出其周長或面積,并比較不同結構土柱分形維數的差別;Zeng等進一步用計算一個盒子中數據點數目的方法,計算CT測得容重的分形維和分形非均勻性,并使用它們來描述土壤大孔隙平面結構。河海大學水資源開發利用國家專業實驗室在江蘇省人民醫院CT掃描中心的協助下,對取自南京的非擾動土柱進行了CT掃描實驗,從平面結構方面對大孔隙分布規律進行了分析。

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