基于同步辐射显微CT的土壤三维结构特征及其水力性质的LBM模拟

土壤孔隙是土壤水分运动的通道和贮存的场所，但是孔隙的结构特征与土壤水力性质之间的定量关系仍不明确。本项目首先基于同步辐射显微CT装置设计开展土壤导水率和水分特征曲线的试验，同步获取土壤水力性质、三维孔隙结构和水分在孔隙中的分布特征。然后应用数字图像处理方法分析三维孔隙的结构特征和多重分形特征，进而构建土壤结构的多重分形模型。在此基础上，利用格子玻尔兹曼方法（LBM）模拟计算土壤饱和导水率和水分特征曲线，并应用试验数据进行验证。通过上述试验、模型和模拟的综合研究，探讨由土壤的三维孔隙结构获取土壤水力性质的方法，分析孔隙结构特征与水力性质之间的定量关系，进一步提高对土壤"黑箱"中物理过程的认识。

在国内率先利用同步辐射显微CT开展了土壤微结构的研究，在CT扫描、图像处理、图像分析等方面形成了成熟的方法。最终能够进行三维孔隙的可视化，并获取多个孔隙形态学参数，定量表征三维孔隙结构特征。在此基础上，利用工业显微CT开展了多尺度土壤三维结构研究，研究了从团聚体、土块到土柱尺度的土壤三维结构。 分析了不同土地利用方式下不同尺度土壤孔隙结构特征，发现水稻土利用时间、施肥、植被恢复等均影响土壤团聚体孔隙结构。利用多重分形模型分析三维孔隙结构，发现其具有多重分形特征，利用多重分形谱可以反映不同孔隙结构的差异。分析了孔隙结构和水力学性质之间的关系。通过比较水分特征曲线计算获取孔隙大小分布和利用CT图像分析的孔隙大小分布，发现CT图像获取大孔隙度同水分特征曲线获取大孔隙度具有很好的相关性。通过相关分析发现，大孔隙度同土壤饱和导水率之间具有显著正相关性，可以通过土壤大孔隙度和孔隙形态的其他参数预测饱和导水率。基于三维孔隙结构，利用孔隙网络模型和LB方法初步模拟了土壤水力学性质。已经发表科研论文6篇，其中SCI／EI论文5篇。