基于格子Boltzmann方法的土壤溶质运移数值模拟研究

In this study, a multiscale lattice Boltzmann model for soil solute transportation will be developed and its numerical methods will be studied. Typical areas in Ningxia Province will be chosen according to the degree of salinity, and numerical simulations will be conducted for the water flow and solute transport in the soil of these areas. According to the numerical results, the soil salinization trend will be predicted and engineering proposals will be provided to reasonable control the soil salinization. .Above all, because of the complexity of the soil solute transportation, in the development of the mathematical model, the existing macroscopical，microscopical and mesoscopic mathematical models about soil water flow and solute transportation will be considered. As a result, the multiscale solute transportation lattice Boltzmann model will not only display the water flow and solute transportation in pore scale, but can simulate them in a large area. .Secondly, efficient numerical methods will be designed for the multiscale lattice Boltzmann model and theory analysis needs to be conducted for these methods. .Finally, series numerical simulations will be conducted in the chosen typical areas. Typical cases will be chosen and long time numerical simulations will be conducted for the soil solute transportation in the typical areas under these cases, and soil salinization trend will be obtained after several years. Therefore, some engineering proposals can be provided to reasonably control the soil salinization according to the simulated results.

本项目拟建立土壤溶质运移的多尺度格子Boltzmann数学模型，并研究相应的数值模拟方法，根据盐渍化程度选取宁夏境内典型区域，对土壤水分及溶质运移进行数值模拟研究。根据数值模拟结果，对土壤盐渍化趋势进行预测，提出合理控制土壤盐渍化的工程建议。.首先，由于土壤溶质运移问题的复杂性，拟参考已有的宏观模型、微观模型和介观模型，建立适合土壤溶质运移的多尺度格子Boltzmann数学模型，使之既能准确反映孔隙内部水分和溶质运移过程，又能在较大区域范围上进行数值模拟。.其次，拟建立适合求解该模型方程的高效数值计算方法并进行理论分析。.最后，选取典型区域，设置若干典型工况，对该区域的土壤溶质运移较长时间系列数值模拟，得到不同工况下若干年后该区域土壤盐渍化趋势。根据数值模拟结果，得到合理控制土壤盐渍化的有效措施，提出合理化工程建议。

本项目组全体成员严格按照基金委批准的《资助项目计划书》，认真开展科学研究，按时提交研究进展报告；通过四年的研究，已经完成了各项研究工作，基本实现了预期研究目标。该项目取得的研究成果不仅具有理论意义，而且还具有一定的工程应用和推广价值。.本项目主要研究了盐渍化土壤水盐运移的有关问题，在宁夏引黄灌区典型区域定点取样监测、土壤改良试验、实验室土柱试验，并建立了相关数学模型，对研究区域土壤水盐运移进行数值模拟。首先，选取宁夏引黄灌区西干渠和唐徕渠沿岸，设置了165个点，从2019年-2021年进行了为期三年的取样监测，定期进行土壤分层(1-5层）采样，检测土壤样本水分、粒径分布、密度、pH值和盐分离子，利用统计分析方法和克里金插值等方法对研究区域土壤盐渍化特征进行分析；其次，对研究区域范围的高光谱卫星遥感图像，利用机器学习中的不同算法进行反演比较分析，得到最优的算法，利用其反演得到土壤盐分、pH值及盐分离子的空间分布特征；然后，选取研究区域中南梁农场的一块盐碱化较为严重的耕地，进行土壤改良试验，通过分区施加脱硫石膏、粉煤灰、糠醛渣、生物菌等改良剂，并种植油葵等农作物，研究了土壤改良前后水分、盐分离子及pH值的变化情况。最后，建立了土壤水分及溶质运移的数学模型，并对研究区域进行了数值模拟。根据研究区域的特点，设定一些典型工况，进行数值模拟，得到研究区域在不同条件下土壤水分及溶质运移的有关规律性结论。另外，本项目还建立了多松弛格子Boltzmann模型，并做了算法的改进，对含植被水流问题及高雷诺数下方腔流动问题进行了数值模拟研究。.本项目属于计算数学、计算机科学与技术、土壤水动力学之间的交叉学科领域，在复杂流动问题数学建模及数值计算等方面具有较为重要的学术意义，研究结果可用于解决盐渍化土壤水分及盐分运移及其他有关复杂流动问题，具有较大的工程应用价值。.在本项目的资助和带动下，项目组成员还积极开展了一系列的学术交流活动，增长了知识，培养了能力，锻炼了队伍；同时该项目的研究过程对研究生培养起到了很大的促进作用。