竹林地下根茎固土力学作用计算机模拟模型研究

竹林是用于侵蚀控制的重要植被类型之一，但目前对于竹林地下根茎固土力学作用认识非常有限，缺乏分析计算的有效方法和手段，尚不能对作用效果如何，是不是与人们预想和期待一致等问题给出科学的解释。本研究在归纳总结现有林木根系固土力学机制研究成果的基础上，针对竹林地下根茎特殊复杂的形态结构、空间分布，选择典型散生竹和丛生竹，研究其地下根茎固土力学作用的原理，建立固土力学计算模型。引入虚拟植物技术研究根茎形态，建立数字化的竹林地下根茎三维几何模型。最后，对固土力学计算模型和根茎三维几何模型进行整合，建立较完整的固土力学作用计算机模拟模型，并基于网络计算机群并行仿真，构建高效、实时的动态仿真平台，实现竹林根茎固土护坡力学作用的动态计算和模拟仿真。为科学解释竹林地下根茎固土力学作用机制和效果提供新的理论方法和技术手段，对利用数字化虚拟植物根系，在计算机中开展固土力学作用模拟计算的可行性及途径提供初步探索。

竹林是用于侵蚀控制的重要植被类型之一，具有特殊复杂的地下根茎。目前对于竹林地下根茎固土力学作用机制及效果认识非常有限，缺乏分析计算的有效方法和手段。本项目在归纳总结国内外林木根系固土力学机制研究成果的基础上，选择典型散生竹和丛生竹地下根茎为对象，分析了竹林地下根茎增强土壤的力学作用原理，建立了定理计算评估地下根茎提高土壤抗剪切强度的力学模型，建立了竹林地下根茎根土接触界面的微观力学模型和宏观统计模型，获取了竹林地下根茎与土壤接触面的摩擦阻力作用参量表达式，研制了在野外现场使用的便携式植物根系抗拉力学特性实验装置，获取了竹林地下根茎力学特性的本构关系模型，建立了竹林地下根茎抑制边坡土层滑移的宏观力学计算模型。针对竹林地下根茎特殊复杂的形态结构、空间分布，总结了竹林地下根茎的形态特征和生长特点，引入虚拟植物技术，以SimRoot根系生长模型为基础，分别建立了数字化的散生竹和丛生竹地下根茎三维几何模型，利用OpenGL实现了模型的三维可视化效果，并设计了计算统计根茎中各级根轴的数量、直径、长度、方向、空间坐标、表面积、体积及分布系数等空间分布参数的算法模型，设计制作了用于竹子根茎观察的自动喷雾栽培实验系统。最后，对固土力学计算模型和根茎三维几何模型进行整合，初步建立了较完整的竹林地下根茎固土力学作用计算机模拟模型，基于价格较低廉的网络计算机群，建立了并行化的竹林地下根茎模拟仿真系统，设计了并行仿真算法，建立了仿真环境资源管理和作业任务分解调度机制，构建了高效、实时的计算机动态仿真软件系统，实现竹林根茎固土护坡力学作用的动态计算和模拟仿真。项目研究取得的成果为科学解释竹林地下根茎固土力学作用机制及定量分析其效果提供了新的理论方法和技术手段，对于促进竹林坡面生态工程实践由“技艺”向“科学技术”迈进具有积极的作用。