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土壤大孔隙流机理及产汇流模型

  • 澳门真人官网平台:6/4/2018
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技术概况
该项技术通过开展一系列土柱CT扫描实验,得到土柱各横断面的CT扫描图像。利用地理信息系统App对CT扫描图像进行处理,得到土壤大孔隙二维分布信息,采用大孔隙空间结构识别技术和大孔隙空间结构特征参数分析技术,得到大孔隙空间分布参数及其分布特征。开展含有大孔隙的室内土柱水流试验和土槽人工降雨试验,合理确定大孔隙土壤水力参数和溶质运移参数,研究不同尺度下大孔隙水流及溶质运移机理,分析评价大孔隙流的存在对产汇流的影响。分别构建考虑大孔隙分布的土柱尺度和坡面尺度入渗模型(两域模型),进而构建坡面尺度和流域尺度的产汇流模型,针对不同尺度的产汇流以及大孔隙流的高度非线性和非稳定性问题,采用格子波尔兹曼方法进行求解,根据室内土柱水流试验和土槽人工降雨试验资料,验证了该方法的有效性。通过该项目的研究,形成一套从土壤微观孔隙和水流分析到宏观土壤水流分析和产汇流分析的研究体系。
该项技术主要特点包括:
(1)在土壤大孔隙空间结构研究方面:构建主要包括大孔隙的水力半径、长度、埋深、弯曲度、倾斜度和大孔隙网络的分支、密度、配位数、连通性和亏格等在内的描述土壤大孔隙空间结构的指标体系,提出大孔隙土壤CT扫描图像处理技术、大孔隙空间结构识别技术和大孔隙空间结构特征参数分析技术,基于上述技术通过土柱CT扫描实验分析土壤大孔隙空间结构分布特征,建立一套土壤大孔隙空间结构特征分析方法。
(2)在确定大孔隙土壤水力参数和溶质运移参数研究方面:采用室内外实验和数学模型相结合的研究方法,确定了土壤大孔隙的饱和导水率和非饱和导水率、含有大孔隙的原状土土壤水分特征曲线和水动力弥散系数,分析了大孔隙对这些参数的影响,提出了大孔隙土壤水力参数和溶质运移参数的确定方法。
(3)在大孔隙土柱水流实验和土槽人工降雨实验研究方面:通过开展一系列含有不同大孔隙土柱的水流实验,深入分析了大孔隙的数量、形状、大小等对土壤水分运移的影响,并分析了土壤质地对含有大孔隙土柱中水分运移的影响。通过开展一系列土槽系统的人工降雨实验,全面分析了包括植被、坡度和大孔隙分布等下垫面和降雨强度对坡面产汇流及溶质运移的影响。
(4)在考虑大孔隙分布的土壤入渗模型研究方面:将土壤分为大孔隙域和基质域,分别构建土柱尺度和坡面尺度的两域入渗模型,采用LBM方法求解模拟大孔隙流的两域模型,根据土柱水流试验和土槽人工降雨试验资料,验证了LBM方法的有效性。
(5)在含有大孔隙的坡面汇流模型研究方面:在考虑大孔隙的坡面下渗模型的基础上,采用运动波方程来描述坡面汇流,建立坡面尺度的汇流模型,并根据土槽人工降雨实验资料,验证了LBM方法的有效性。
(6)在含有大孔隙的溶质流失模型研究方面:以降雨强度、降雨历时、坡度、大孔隙特征尺度和离子吸附系数等因子为网络输入,以坡面累积溶质流失量为网络模型输出,建立了基于模糊人工神经网络的坡面溶质流失模型,根据土槽人工降雨实验资料,验证了模型的有效性。
(7)在基于大孔隙的流域产汇流模型研究方面:在考虑大孔隙的坡面入渗模型的基础上,采用基于网格的运动波方程建立坡面汇流模型,采用LBM方法进行求解。河道洪水演进采用线性扩散波方程,同样采用LBM方法求解,最终建立流域尺度的产汇流模型。将该模型应用于东江流域、无定河流域和辽河流域等验证流域,与不考虑大孔隙分布的产汇流模型相比,模型模拟的精度进一步提高。
该项技术可应用于水文情报预报、土壤墒情预报、水土保持、水资源管理和水环境保护等领域,为国家防洪抗旱、水资源管理、地下水保护和水土保持等重大问题的解决提供支撑。
技术指标
2012年9月26日,水利部国际合作与科技司在北京组织召开了由中国水利水电科学研究院等单位共同完成的“土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究”科技成果鉴定会。包括中国工程院雷志栋和康绍忠院士在内的鉴定委员会专家审阅了相关资料,听取了成果完成单位的汇报,经过质询和讨论,形成鉴定意见如下: 
提供的技术资料齐全、规范,符合科技成果鉴定的有关要求。 该项目分析了土壤中大孔隙的几何形状、概率分布、连通网络等特征,研究了土壤大孔隙流机理及水力特性参数,构建了大孔隙存在条件下的土壤两域流模型及算法,建立了一套从土壤微观孔隙和水流分析到宏观土壤水流和产汇流分析的研究体系。成果已在水文预报、土壤墒情预报、节水灌溉、地下水水环境保护、水土保持以及水资源评价中得到了应用,取得了显著的经济社会效益。整体上达到国际先进水平,其中基于大孔隙流理论的产汇流模型研究达到国际领先水平。
技术持有单位先容
该项技术由中国水利水电科学研究院、华南理工大学、珠江水利委员会珠江水利科学研究院、河海大学、江苏科技大学共同开发。
中国水利水电科学研究院是从事水利水电科学研究的公益性研究机构,已建设成为学科门类齐全、人才优势明显的国家级综合性水利水电科学研究和技术开发的中心。
华南理工大学是直属教育部的全国重点大学,是以工见长,理工结合,管、经、文、法等多学科协调发展的综合性研究型大学。
珠江水利科学研究院是随水利部珠江水利委员会一起成立的国家级科研机构,重点围绕珠江的治理、水资源开发利用和保护方面开展科研工作
河海大学是以水利为特色、工科为主、多学科协调发展的教育部直属全国重点大学,是国家首批授权授予学士、硕士和博士学位,实施国家“211工程”重点建设、国家优势学科创新平台建设以及设立研究生院的高校。
江苏科技大学是一所省部共建、以工为主、特色鲜明的普通高等学校,是江苏省重点建设高校,教育部本科教学工作水平评估优秀学校,教育部卓越工程师教育培养计划高校。
应用范围及前景
该项成果已在黄河流域、珠江流域、松辽流域和淮河流域部分区域的水文预报、土壤墒情预报、节水灌溉、地下水水环境保护、水土保持以及水资源评价中得到了推广应用,产生了显著的社会经济和生态环境效益。其中,项目成果应用于黄河流域部分灌区的土壤墒情预报和节水灌溉中,提高了土壤墒情预报精度和节水灌溉效果,产生经济效益约5000万元/年。项目成果应用于黄河流域部分流域洪水预报。提高了洪水预报精度,为提高黄河防洪调度决策水平,确保黄河防汛安全提供了有力支撑。
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