土壤孔隙三維構(gòu)建與特征表達(dá).pdf

1、孔隙結(jié)構(gòu)直接影響水分在土表及土體內(nèi)的遷移途徑及方式，決定土壤的持水性、滲透性、導(dǎo)水性等水力性質(zhì)。研究土壤表土孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)于我國(guó)區(qū)域土壤的侵蝕防治、環(huán)境保護(hù)和減少地下水污染等問(wèn)題均具有重要意義。網(wǎng)絡(luò)模型是模擬孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為重要的一種方法。本文以第四紀(jì)紅粘土母質(zhì)發(fā)育的典型紅壤為示例土樣，綜合應(yīng)用序列切片法、數(shù)字圖像處理特別是3S技術(shù)分析和識(shí)別了不同降雨歷時(shí)的土壤微形態(tài)樣本，并在VB6.0的環(huán)境下開(kāi)發(fā)建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，提取了孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，

2、獲取了孔隙空間結(jié)構(gòu)特征定量表達(dá)。應(yīng)用模型統(tǒng)計(jì)分析了次降雨過(guò)程中表土樣本孔隙特征的時(shí)空變化規(guī)律，初步探討了土壤表土孔隙特征與土壤侵蝕過(guò)程間的關(guān)系，結(jié)果如下： (1)應(yīng)用形態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型理論，結(jié)合孔隙空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，規(guī)定了設(shè)計(jì)約束，確定了適合描述土壤孔隙空間拓?fù)涮卣鞯牡木W(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)方法實(shí)現(xiàn)了孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。模型研究了提高序列數(shù)字圖像垂直方向分辨率的關(guān)鍵算法，以及切片水平和垂直方向上像元

3、的連通判斷問(wèn)題，最后在空間拓?fù)淅碚摰闹С窒聦?shí)現(xiàn)了孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。模型測(cè)試表明，此模型是孔隙結(jié)構(gòu)特征的直接映射，再現(xiàn)了孔隙三維結(jié)構(gòu)，它較真實(shí)反映了孔隙在土壤中的空間分布，能夠定量獲取孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征。 (2)在對(duì)孔隙空間結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系研究的基礎(chǔ)上，從孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤中水及溶質(zhì)的運(yùn)移的影響作用角度，分析了孔隙的大小、連通性等特性，提出了能夠評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量指標(biāo)參數(shù)：孔隙等效直徑、孔隙數(shù)量、孔隙度、孔隙有效長(zhǎng)度、孔隙傾斜度、扭曲

4、復(fù)雜度、孔隙連通度及水力半徑，實(shí)現(xiàn)了各指標(biāo)算法的計(jì)算。 (3)結(jié)合所建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)值方法對(duì)次降雨過(guò)程中等效孔徑大于50μm紅壤孔隙結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行模擬與求解，得到了孔隙結(jié)構(gòu)特征及在次降雨過(guò)程中的變化規(guī)律。 從孔隙等效孔徑來(lái)看：在所有降雨時(shí)段內(nèi)，較小孔徑孔隙數(shù)量較多，孔徑為200～400μm的孔隙所占面積比例最大。在次降雨過(guò)程中，小孔徑孔隙數(shù)量增多，大孔徑孔隙數(shù)量減少，孔隙面積比減?。辉诟魍寥牢哟沃?，平均孔徑逐漸增大

5、，表土L1、L2層的土壤孔隙由于受到雨滴的直接打擊，變化最為明顯。 通過(guò)對(duì)有效長(zhǎng)度大于2.5mm孔隙的三維指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析可知：示例土壤中孔隙結(jié)構(gòu)各指標(biāo)都有其分布規(guī)律，并隨著降雨時(shí)間的延續(xù)呈規(guī)律性變化。由于是擾動(dòng)后填充的土壤，供試土樣中大孔隙較多，大孔隙度為4～7％。土壤中孔隙的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，絕大多數(shù)孔隙網(wǎng)絡(luò)的扭曲復(fù)雜度τ在1～2mm/mm范圍內(nèi)；土壤的連通性較高，平均歐拉數(shù)在0.2～0.8范圍內(nèi)，大部分孔隙水力半徑在0.05～0.

6、1mm范圍內(nèi)?？紫毒W(wǎng)絡(luò)傾斜度δ大致在45°以?xún)?nèi)，表明孔隙在垂直方向上有較好延伸。具有較大有效長(zhǎng)度的孔隙各項(xiàng)參數(shù)均大于其他孔隙，有效長(zhǎng)度30～40mm的孔隙τ值可達(dá)到6.5mm/mm，R值可達(dá)0.18mm，雖然這部分孔隙數(shù)量很少，但對(duì)土壤中水及溶質(zhì)的傳導(dǎo)能力影響較短孔隙要大的多。三維指標(biāo)在降雨過(guò)程呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，在次降雨前期，孔隙度、水力半徑持續(xù)減小，孔隙傾斜度、扭曲復(fù)雜度、歐拉數(shù)增大，表明孔隙連通性、傳導(dǎo)性隨降雨時(shí)間的延續(xù)而降低，對(duì)