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土壤大孔隙结构对土壤中水流及溶质运移以及地下水环境有着深刻影响。确定土壤大孔隙结构，可以很好地理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的运移，保护地下水环境。由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律，因此可以采用分形理论研究土壤大孔隙结构。根据CT对原状土柱各断面的扫描图像，得到了各断面土壤大孔隙的分形维数，为进一步研究土壤大孔隙的水力性质奠定了基础。 相似文献
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土壤中水分和溶质运移一直是土壤-水环境系统中的研究热点,也是目前仍未得到很好解决的问题.将分形理论应用于土壤水分溶质运移机制的研究,探讨其领域中的众多复杂问题,是一种全新的思路和方法.在对土壤结构定量化的分形表征进行简要阐述的基础上,重点介绍了分形理论在水分特征曲线和水力传导度等土壤水分运动基本参数的分形模型、土壤水分运移过程模拟、土壤溶质运移的非费克现象、弥散度的尺度效应以及溶质运移机制研究方面所取得的一系列成果,并就分形理论今后在土壤水分、溶质运移研究中的应用作了展望. 相似文献
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土壤大孔隙流研究中分形几何的应用进展 总被引：7，自引：0，他引：7
土壤中普遍存在的大孔隙使水及溶质快速穿过土壤，污染地下水，确定土壤大孔隙流性质需要大量的野外和室内实验。本文在对分形几何概念进行简要阐述的基础上，介绍了分形几何在土壤大孔隙流研究中所取得的成果，结果表明应用分形几何确定土壤大孔隙流性质是一种省时、省力和具有广泛代表性的方法，最后对分形几何在土壤在大孔隙流研究中应用前景作了展望。 相似文献
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水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究(Ⅱ):数值模拟 总被引：1，自引：0，他引：1
本文根据CT扫描得到的土壤大孔隙分布、离心机法测得的土壤水分特征曲线以及计算得到的土壤大孔隙和基质的饱和水力传导度和弥散度,采用新的数值方法模拟了水及溴离子在原状土中的运移,分析比较了模拟结果,得到了原状土溴离子在各时刻的运移图,定量分析了大孔隙的存在对水及溶质运移的影响和对地下水造成的污染。 相似文献
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深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。 相似文献
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水力传导度是描述孔隙介质物理特性的重要参数,水力传导度的空间变异性直接影响到水分与溶质在介质中的运移状况。由于基于随机理论的方法难于描述具有多重变异尺度的水力传导度的空间变异性,使得基于分形理论的方法得到了较快发展和应用。详细介绍并评述了分形理论和方法的基本特征及研究进展,水力传导度的空间变异分形与弥散尺度效应的关系及其对溶质运移的影响。 相似文献
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深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10-13m2）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。 相似文献
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拖尾分布是溶质运移规律研究的热点和难点。死端孔隙、透镜体等空间结构形成的非均质性以及密度变化产生的指状流会导致溶质运移拖尾分布。论文选择保守性溶质氯化钠作为示踪剂,采用砂柱实验系统地研究了以死端孔隙导致的非均质性以及由不同浓度和温度形成的变密度条件对溶质运移拖尾分布的影响。实验结果表明:死端孔隙的存在会延迟溶质运移穿透曲线出峰时间,降低峰值及出现拖尾分布,随着死端孔隙介质体积或数量的增加这一现象越明显;随着溶液浓度的增加拖尾现象越明显,且温度的升高会加剧这一现象。对比死端孔隙、温度和浓度三者对溶质运移拖尾分布的影响,其中影响最大的是死端孔隙,其次是浓度和温度。 相似文献
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滨海盐沼是重要的陆地-海洋交界带生态系统。目前国际上存在关于盐沼的两大假设:盐沼系统输出养分和盐沼植物带状分布。为验证这两大假设,增强对盐沼湿地的了解,盐沼孔隙水流动及溶质运移研究至关重要。为模拟复杂盐沼系统孔隙水流动及溶质运移,改进了美国地质勘测局编制的SUTRA程序。基于假定的潮沟横断面物理条件,对孔隙水流动及溶质运移过程进行了模拟分析。结果表明潮沟附近孔隙水及溶质交换较快,潮水浸淹会减缓潮沟附近出现物质集结。落潮时潮沟附近有明显垂向流和水平流,远潮沟地带主要为水平流。潮沟附近土壤通气条件较好。这些模拟结果较好的吻合了潮沟附近较盐沼内部盐沼植物长势较好的现象。 相似文献
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不流动水与非平衡吸附作用对溶质在孔隙介质中的运移有很大影响,“两点-两区”模型是目前研究不流动水与非平衡吸附作用的较为完善和实用的模型。在溶质运移的“两点-两区”模型的基础上,同时考虑了土壤对溶质的平衡和非平衡吸附作用,开发了MIENESOR数值模型,并给出了基于有限差和有限元法联合的数值解,编制了相应的计算机程序。对MIENESOR数值模型的案例验算表明：该模型能很好地揭示溶质在包气带和含水层中运移的规律,所开发的计算机程序稳定性较强,可用于实际。 相似文献
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Khosravi Vahid Ardejani Faramarz Doulati Aryafar Ahmad Yousefi Saeed Karami Shawgar 《Environmental Earth Sciences》2020,79(7):1-16
The pore structure characteristics of soil are closely related to soil engineering properties. For saline soil distributed in seasonally frozen areas, existing studies have focused on the influence of freeze–thaw cycles on pore structure, while the influence of soluble salt in the soil is not well understood. This study aims to explore the influence of salt content and salt type on the pore structure of freeze-thawed soil. Soil samples with different salt contents (0–2%) and types (bicarbonate salt and sulfate salt) were subjected to 10 freeze–thaw tests, and their pore size distributions (PSDs) were obtained by mercury intrusion porosimetry tests. In addition, the PSDs were quantitatively analyzed by fractal theory. For both salts, the PSDs of the tested soil samples were bimodal after the freeze–thaw cycles, and the porosity of saline soil samples increased with increasing salt content overall. However, the contents of various types of pores in soil samples with two salt types were quite different. The variation in bicarbonate salt content mainly affected the mesopore and macropore contents in the soil samples, and their change trends were opposite to each other. For soil samples with sulfate salt, the porosity and macropore content increased significantly when the salt content exceeded 1%. In addition, the pore structures in saline soil presented fractal characteristics after the freeze–thaw cycles, and the fractal dimension was positively correlated with macropore content. This study may provide references for understanding the engineering properties of saline soil in seasonally frozen areas at the microscale. 相似文献
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Macropores resulting from soil pedogenesis and biological activity play important roles in soil water and chemical transport. Numerous studies have examined individual macropores and the effects of their size on solute transport, but few have assessed the effects of macropore continuity and of neighboring macropores. This paper describes a laboratory investigation of the effects of macropores, with varying degrees and types of continuity, on the transport and distribution of solutes in a sandy soil from the northern Loess Plateau, China. Breakthrough curves were obtained from 60 cm tall, 2-D columns containing standardized artificial macropores using an input solution of 1,190 mg/L KBr and 100 mg/L FD&C Blue #1 under a constant hydraulic head of 8 cm. The types of macropore were: open at both the surface and bottom of the soil column (O–O); open at the surface, closed at the bottom (O–C); and closed at the surface, open at the bottom (C–O). Columns with no macropores served as a control. In the O–O columns the solution reached the bottom 10–50 times faster than in any other treatment, bypassing most of the soil matrix. The presence of an O–C macropore resulted in weak retardation and much deeper penetration of the bromide and FD&C Blue #1 solution than in the control columns. However, the C–O macropore had little effect on either breakthrough curves or solute distributions. In further experiments that considered neighboring macropores effects, an inclined macropore strongly affected solute concentrations in the profile around a nearby vertical macropore. It was concluded that the length, type and position of single macropores, and the presence of neighboring macropores, all affect soil water flow and solute infiltration parameters in a sandy loam soil. 相似文献
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研究土壤的水力性质是进行生态水文模拟、农业水分管理和环境监测的关键,然而强烈的空间变异造成土壤的物性特征异常复杂,特别是水力性质测定困难,试验结果随机性强,耗费大量人力物力,却难以准确描述。本文在综合分析了国内外30余种量化土壤水力性质的研究方法的优劣后,系统总结了分形理论在土壤物性特征研究中的应用,剖析了分形理论与土壤水力性质之间的关系,旨在探讨土壤分形结构在水力性质领域的发展前景,以及在测定水力特性参数时所具备的优势。结果表明：(1)采用分形方法定量研究土壤结构具备可行性;(2)分形结构方法能够指示水力性质,并能为快速准确刻画不同尺度下的土壤水分分布特征提供科学依据;(3)利用已知土壤水力性质建立分形模型可以有效反演土壤结构。 相似文献
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为定量获得土壤结构对其水力性质的指示作用,室内实验选用华北平原子牙河流域原状土样为研究对象,用张力计法和激光粒度分析仪分别测定土壤水分特征曲线和样品粒度分布,基于分形理论计算土壤粒度分布的分形维数,采用实验测定与模型验证相结合的方法对水分特征曲线进行分析.结果表明,土壤颗粒粒度分布在[10 μm,50 μm]区间内的分段分维值是表征土壤粒度累积分布显著上升段特征的关键参数,与0~80 kPa吸力范围内的土壤水分特征曲线幂函数模型拟合参数(a、b)有极显著相关关系.研究区内土壤水分特征曲线以分形形式表达的幂函数模型为:θ=100.78×(3-D)S(D-3)/3,利用土壤结构分形特征能够有效指示其水力性质. 相似文献
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应用Menger海绵结构模型,推导出包含有分形维数的土壤水分特征曲线的解析模型,该模型与Brook Corey (1964)及Campbell (1974)经验模型的结构相似。通过对不同地区所采集的10种土壤样本利用压力薄膜仪实测得到水分特性曲线资料反求得到相应的分形维数,分析了分形维数与土壤质地、结构之间的关系,结果表明分形维数随土壤粘粒含量的增大而增大,随砂粒含量的增大而减小。同时对土壤水分特性曲线模型的分形维数与基于质量的土壤颗粒分布分形维数进行了比较,结果表明,两者十分接近,而且具有良好的线性相关关系。根据上述关系,利用易测得的土壤粒径分形维数结合所推导的解析模型,对土壤水分特性曲线进行了预测,预测值与实测值具有良好的一致性。 相似文献
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Effect of structure and texture on infiltration flow pattern during flood irrigation 总被引：1，自引：0，他引：1
Understanding the flow pattern of water and solute in subsurface soils is critically important in the fields of agricultural and environmental sciences. Dye tracer tests using a flood irrigation of Brilliant Blue FCF solution (5 g l-1) and excavation method was performed to investigate the effect of texture and structure on the infiltration pattern at three different field soils developed from granite (GR), gneiss (GN) and limestone (LS). The GR soil showed a homogeneous matrix flow in the surface soil with weak, medium granular structure and a macropore flow along pegmatitic vein and plant root in C horizon. The surface horizon (A1) of GN soil with moderate, medium granular structure and many fine roots had matrix flow. The fingering occurred at the interfaces of sandy loam A horizon and loamy sand C horizon in GR soil and loam A1 horizon and sandy loam A2 horizon in GN soil. The LS soil with strong, coarse prismatic structure and the finest texture showed a macropore flow along cracks and had the deepest penetration of the dye tracer. The macropore (crack and vein), layer interface and plant root induced the preferential flow in the studied soils. 相似文献
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中国城市地下空间地质结构分类与地质调查方法 总被引：1，自引：0，他引：1
城市地下空间开发和利用是顺应城市发展规律的合理抉择,也是我国近年来城市建设的热点区域。中国幅员辽阔,各类城市分布在不同的地貌区域内,具有不同地质背景和地质结构条件,在进行大规模城市地下空间开发和利用之前,要根据不同的地质地貌条件对各类城市地下空间结构进行初步分类,建立我国城市地下空间工程地质结构的分类体系,用于指导未来我国各类城市地下空间开发利用的工程实践。在考虑到不同城市所处地貌位置、区域构造特征、岩石圈深部结构特点、现今地震活动情况、地下岩土体结构、地下水埋深等多种参数,对未来中国可能进行大规模地下空间开发和利用的49座城市进行了分类。将地貌位置作为一级划分单元,对处在同一地貌部位各类城市所处大地构造环境、壳幔特征、基底结构、表层断层活动性以及潜在震级大小进行区分;同时对表层岩土体类型和岩土体立体结构进行分类。城市地下空间分类是基于对地下空间的精细化探测。本文还总结了现今对地下地质结构的调查方法,包括地面调查、钻探、地球物理勘探和建模方面的新技术和新方法,但对于在复杂地质环境下及深层地下空间开发中结构系统的全要素精细探测仍需要发展新的方法和理论,对不同类型城市地质结构模型的构建理论和描述方法也有待突破,城市地下空间地质结构分类体系和分类方法仍需进一步完善。 相似文献
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分形渗透模型在饱和冻土中的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。 相似文献