土壤大孔隙流機理及產匯流模型
時間：2018-06-04來源：中國水工設備網(wǎng)
技術簡介
該項技術通過開展一系列土柱CT掃描實驗，得到土柱各橫斷面的CT掃描圖像。利用地理信息系統(tǒng)軟件對CT掃描圖像進行處理，得到土壤大孔隙二維分布信息，采用大孔隙空間結構識別技術和大孔隙空間結構特征參數(shù)分析技術，得到大孔隙空間分布參數(shù)及其分布特征。開展含有大孔隙的室內土柱水流試驗和土槽人工降雨試驗，合理確定大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質運移參數(shù)，研究不同尺度下大孔隙水流及溶質運移機理，分析評價大孔隙流的存在對產匯流的影響。分別構建考慮大孔隙分布的土柱尺度和坡面尺度入滲模型（兩域模型），進而構建坡面尺度和流域尺度的產匯流模型，針對不同尺度的產匯流以及大孔隙流的高度非線性和非穩(wěn)定性問題，采用格子波爾茲曼方法進行求解，根據(jù)室內土柱水流試驗和土槽人工降雨試驗資料，驗證了該方法的有效性。通過該項目的研究，形成一套從土壤微觀孔隙和水流分析到宏觀土壤水流分析和產匯流分析的研究體系。
該項技術主要特點包括：
（1）在土壤大孔隙空間結構研究方面：構建主要包括大孔隙的水力半徑、長度、埋深、彎曲度、傾斜度和大孔隙網(wǎng)絡的分支、密度、配位數(shù)、連通性和虧格等在內的描述土壤大孔隙空間結構的指標體系，提出大孔隙土壤CT掃描圖像處理技術、大孔隙空間結構識別技術和大孔隙空間結構特征參數(shù)分析技術，基于上述技術通過土柱CT掃描實驗分析土壤大孔隙空間結構分布特征，建立一套土壤大孔隙空間結構特征分析方法。
（2）在確定大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質運移參數(shù)研究方面：采用室內外實驗和數(shù)學模型相結合的研究方法，確定了土壤大孔隙的飽和導水率和非飽和導水率、含有大孔隙的原狀土土壤水分特征曲線和水動力彌散系數(shù)，分析了大孔隙對這些參數(shù)的影響，提出了大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質運移參數(shù)的確定方法。
（3）在大孔隙土柱水流實驗和土槽人工降雨實驗研究方面：通過開展一系列含有不同大孔隙土柱的水流實驗，深入分析了大孔隙的數(shù)量、形狀、大小等對土壤水分運移的影響，并分析了土壤質地對含有大孔隙土柱中水分運移的影響。通過開展一系列土槽系統(tǒng)的人工降雨實驗，全面分析了包括植被、坡度和大孔隙分布等下墊面和降雨強度對坡面產匯流及溶質運移的影響。
（4）在考慮大孔隙分布的土壤入滲模型研究方面：將土壤分為大孔隙域和基質域，分別構建土柱尺度和坡面尺度的兩域入滲模型，采用LBM方法求解模擬大孔隙流的兩域模型，根據(jù)土柱水流試驗和土槽人工降雨試驗資料，驗證了LBM方法的有效性。
（5）在含有大孔隙的坡面匯流模型研究方面：在考慮大孔隙的坡面下滲模型的基礎上，采用運動波方程來描述坡面匯流，建立坡面尺度的匯流模型，并根據(jù)土槽人工降雨實驗資料，驗證了LBM方法的有效性。
（6）在含有大孔隙的溶質流失模型研究方面：以降雨強度、降雨歷時、坡度、大孔隙特征尺度和離子吸附系數(shù)等因子為網(wǎng)絡輸入，以坡面累積溶質流失量為網(wǎng)絡模型輸出，建立了基于模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡的坡面溶質流失模型，根據(jù)土槽人工降雨實驗資料，驗證了模型的有效性。
（7）在基于大孔隙的流域產匯流模型研究方面：在考慮大孔隙的坡面入滲模型的基礎上，采用基于網(wǎng)格的運動波方程建立坡面匯流模型，采用LBM方法進行求解。河道洪水演進采用線性擴散波方程，同樣采用LBM方法求解，最終建立流域尺度的產匯流模型。將該模型應用于東江流域、無定河流域和遼河流域等驗證流域，與不考慮大孔隙分布的產匯流模型相比，模型模擬的精度進一步提高。
該項技術可應用于水文情報預報、土壤墑情預報、水土保持、水資源管理和水環(huán)境保護等領域，為國家防洪抗旱、水資源管理、地下水保護和水土保持等重大問題的解決提供支撐。
技術指標
2012年9月26日，水利部國際合作與科技司在北京組織召開了由中國水利水電科學研究院等單位共同完成的“土壤大孔隙流機理及產匯流模型研究”科技成果鑒定會。包括中國工程院雷志棟和康紹忠院士在內的鑒定委員會專家審閱了相關資料，聽取了成果完成單位的匯報，經(jīng)過質詢和討論，形成鑒定意見如下：
提供的技術資料齊全、規(guī)范，符合科技成果鑒定的有關要求。 該項目分析了土壤中大孔隙的幾何形狀、概率分布、連通網(wǎng)絡等特征，研究了土壤大孔隙流機理及水力特性參數(shù)，構建了大孔隙存在條件下的土壤兩域流模型及算法，建立了一套從土壤微觀孔隙和水流分析到宏觀土壤水流和產匯流分析的研究體系。成果已在水文預報、土壤墑情預報、節(jié)水灌溉、地下水水環(huán)境保護、水土保持以及水資源評價中得到了應用，取得了顯著的經(jīng)濟社會效益。整體上達到國際先進水平，其中基于大孔隙流理論的產匯流模型研究達到國際領先水平。
技術持有單位介紹
該項技術由中國水利水電科學研究院、華南理工大學、珠江水利委員會珠江水利科學研究院、河海大學、江蘇科技大學共同開發(fā)。
中國水利水電科學研究院是從事水利水電科學研究的公益性研究機構，已建設成為學科門類齊全、人才優(yōu)勢明顯的國家級綜合性水利水電科學研究和技術開發(fā)的中心。
華南理工大學是直屬教育部的全國重點大學，是以工見長，理工結合，管、經(jīng)、文、法等多學科協(xié)調發(fā)展的綜合性研究型大學。
珠江水利科學研究院是隨水利部珠江水利委員會一起成立的國家級科研機構，重點圍繞珠江的治理、水資源開發(fā)利用和保護方面開展科研工作
河海大學是以水利為特色、工科為主、多學科協(xié)調發(fā)展的教育部直屬全國重點大學，是國家首批授權授予學士、碩士和博士學位，實施國家“211工程”重點建設、國家優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺建設以及設立研究生院的高校。
江蘇科技大學是一所省部共建、以工為主、特色鮮明的普通高等學校，是江蘇省重點建設高校，教育部本科教學工作水平評估優(yōu)秀學校，教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃高校。
應用范圍及前景
該項成果已在黃河流域、珠江流域、松遼流域和淮河流域部分區(qū)域的水文預報、土壤墑情預報、節(jié)水灌溉、地下水水環(huán)境保護、水土保持以及水資源評價中得到了推廣應用，產生了顯著的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益。其中，項目成果應用于黃河流域部分灌區(qū)的土壤墑情預報和節(jié)水灌溉中，提高了土壤墑情預報精度和節(jié)水灌溉效果，產生經(jīng)濟效益約5000萬元/年。項目成果應用于黃河流域部分流域洪水預報。提高了洪水預報精度，為提高黃河防洪調度決策水平，確保黃河防汛安全提供了有力支撐。
