農田土壤乾縮裂隙對土壤優先流的產生與影響機理研究

《農田土壤乾縮裂隙對土壤優先流的產生與影響機理研究》是依託河海大學，由張展羽擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：農田土壤乾縮裂隙對土壤優先流的產生與影響機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張展羽
• 依託單位：河海大學

項目摘要

已有結果表明農田土壤乾縮裂隙在土壤優先流、溶質運移和環境污染物的遷移方面具有重要地位。本項目通過直接與間接的實驗方法,研究農田土壤乾縮裂隙的量化評價指標，揭示其形態結構及空間變化規律，並建立隨機網路模型模擬驗證；從土壤質地、裂隙的連續性和彎曲性等三個方面研究裂隙網路結構及其對土壤優先流的產生和影響，並考慮水流入滲時土壤膨脹引起裂隙的閉合過程，建立土壤裂隙網路的優先流以及溶質運移數學模型；研究土壤裂隙與土壤基質相互作用機理，將土壤裂隙隨機網路水分和溶質運移模型與非穩態土壤水流模型結合，建立基於土壤裂隙網路與連續介質的耦合模型。研究結果將提高對非飽和土壤水分運動以及溶質運移規律的認識，對於指導農業灌溉，提高農業用水效率有著重要的套用價值。

結題摘要

土壤在乾燥失水條件下產生體積收縮的現象，從而形成了錯綜複雜的裂縫網路，這種裂縫結構對非飽和水分運移、溶質或污染物遷移、灌溉水利用效率和包氣帶水源質量產生重要影響。本項目主要通過室內、田間試驗和模擬分析的方法對土壤裂縫網路進行量化表征與隨機模型構建，採用染色示蹤法研究了裂縫優先流和溶質運移規律，構建了土壤裂縫隨機網路水分和溶質運移耦合模型。項目主要成果如下：（1）採用裂縫基本幾何參數和網路特徵參數作為裂縫量化指標，揭示了裂縫網路幾何參數隨土壤含水率的“S”型變化規律和裂縫網路的正六邊形和“T”型正交分布規律，獲取了裂縫交叉角度統計的兩個峰值100°和160°；（2）採用室內模擬與室外監測的方法，分析了土壤質地、根系含量、鹽分含量、乾濕循環級數和灌水強度五個指標對裂縫發育過程的影響規律，結果表明粘土形成的裂縫網路更加完整，其裂縫的網路連通性高於0.9，而壤土裂縫網路連通性僅為0.5；根系和鹽分含量分別對裂縫的發育存在一定的抑制和促進作用；乾濕效應對裂縫影響主要集中在前2級循環，其影響隨著級數的增加而趨於穩定；灌水強度對開裂含水率、增濕過程長度密度和連通性存在一定的影響；（3）基於數字圖像處理技術和形態學理論，提出了一套由灰階分割、形態學操作和參數提取計算三個模組組成的裂縫網路識別計算方法；（4）提出了一種用常態分配描述土壤表面裂縫形態的動態變化規律，模擬了裂縫面積密度、長度密度在不同含水率下的分布規律，構建了土壤裂縫網路隨機分布模型；（5）研究了土壤在乾燥、浸潤過程中裂縫形態變化規律的差異性，揭示了增濕過程較開裂過程的滯後性；（6）採用示蹤實驗揭示了土壤裂縫形態對非飽和水分及溶質運移的影響，對土壤含水率分布、溶質濃度分布、入滲均勻度和優先流指數進行了評價；（7）分析了土壤優先流特徵隨著作物生育期、初始含水率和植株布局等初始條件變化時所呈現的規律性；（8）提出了一種基於入滲速率控制的裂縫優先流入滲模型，揭示了表面入滲率、徑流量和裂縫內部入滲率隨時間的變化規律；（9）對傳統的滲透模型進行了改進，構建了一種基於實際裂縫網路形態及浸水閉合規律的裂縫網路與連續介質的水分、溶質遷移耦合模型。研究成果揭示了裂縫的形態特徵和發育規律，提高了對裂縫浸水閉合規律、裂縫優先流和土壤溶質遷移的認識，其成果對於指導農業灌溉決策、提高灌水利用效率和控制地下水污染具有重要的套用價值。