了得網工業技術_土壤優先流運動的示蹤成像技術與分形模型模擬

內容簡介

盛豐所*的《土壤優先流運動的示蹤成像技術與分形模型模擬》繫統介紹了染色示蹤成像技術和離子顯色示蹤成像技術的原理和方法，采用這些技術開展了試驗分析，對入滲條件與優先流運動關繫、入滲均勻性和灌水效率以及土壤大孔隙發育特征與效應等重點問題進行了研究；繫統介紹了土壤優先流流動分形的本構方程，建立了本構方程參數的計算方法，建立和發展了土壤優先流的水流運動控制方程和溶質運移控制方程，評價了分形模型模擬土壤非均勻水流運動和溶質運移過程的有效性，同時對影響模型模擬預測結果的參數和條件開展了敏感性分析。

本書可作為從事土壤水動力學、水土環境學、非飽和帶水文學等領域研究的科研人員及大專院校師生的參考。

前言第1章緒論 1.1 土壤優先流的概念與研究意義 1.1.1 大孔隙流 1.1.2 指流 1.2 形成和影響因素分析 1.2.1 土壤結構和質地 1.2.2 人滲初始條件和邊界條件 1.2.3 土壤水流自身運動的非穩定性 1.3 優先流的理論研究方法 1.3.1 連續性模型理論 1.3.2 離散型模型理論 1.3.3 混沌與分形理論 1.4 常用優先流數學模型 1.4.1 單一孔隙模型 1.4.2 雙重孔隙模型 1.4.3 雙重滲透模型 1.4.4 多重孔隙和多重滲透模型 1.4.5 彌散限制聚合模型 1.4.6 隨機層疊模型 1.5 優先流的實驗研究方法 1.5.1 微張力測量技術 1.5.2 聲波探測技術 1.5.3 非侵入式影像獲得技術 1.5.4 地下雷達探測技術 1.5.5 電阻率層析成像技術 1.5.6 示蹤成像技術參考文獻第2章數字圖像處理技術 2.1 顏色模式與圖像格式 2.1.1 顏色模式 2.1.2 圖像格式 2.2 BMP格式文件 2.2.1 BMP格式文件類型 2.2.2 BMP格式文件組成 2.3 顏色和流動信息之間的關繫 2.4 臨界關繫法參考文獻第3章染色示蹤成像技術 3.1 引言 3.2 入滲水量和試驗尺度對土壤水非均勻流動的影響 3.2.1 試驗和方法 3.2.2 試驗觀測結果 3.2.3 入滲條件對土壤水人滲深度的影響 3.2.4 入滲條件對土壤水流運動非均勻特征的影響 3.2.5 入滲條件對優先流通道尺寸的影響 3.2.6 小結 3.3 微灌繫統灌水人滲均勻性分析 3.3.1 試驗和方法 3.3.2 微灌繫統灌水人滲猙陸分析 3.3.3 微灌繫統灌水均勻性檢驗 3.3.4 入滲水和溶質分布均勻性分析 3.3.5 小結參考文獻第4章離子顯色示蹤成像技術 4.1 引言 4.2 優先流運動的非均勻性和變異性 4.2.1 試驗和方法 4.2.2 試驗觀測結果 4.2.3 剖面內和剖面間土壤水流運動的非均勻性和變異性 4.2.4 不同人滲水量條件下土壤水流運動的非均勻性和變異性 4.2.5 小結 4.3 灌水效率顯色示蹤試驗研究 4.3.1 試驗和方法 4.3.2 試驗觀測結果 4.3.3 灌水效率分析 4.3.4 灌溉條件下溶質運動與分布特性分析 4.3.5 小結 4.4 土壤大孔隙發育特征及其對水和溶質輸移的影響 4.4.1 試驗和方法 4.4.2 試驗觀測結果 4.4.3 流動結構分析 4.4.4 土壤大孔隙發育特征分析 4.4.5 大孔隙效應分析 4.4.6 小結參考文獻第5章水流運動分形本構方程 5.1 分形基本理論 5.1.1 分形理論的形成與發展 5.1.2 分形的定義與性質 5.1.3 分形維數 5.2 本構方程建立 5.3 分形特征參數計算 5.3.1 試驗和方法 5.3.2 染色面積和土壤含水率分布 5.3.3 土壤質地對染色區土壤含水率分布的影響 5.3.4 活動流場模型分形特征參數計算 5.3.5 小結 5.4 入滲條件對流動非均勻程度的影響 5.4.1 試驗和方法 5.4.2 染色面積分布 5.4.3 初始含水率對流動非均勻程度的影響 5.4.4 入滲水量對流動非均勻程度的影響 5.4.5 試驗尺度對流動非均勻程度的影響 5.4.6 土壤質地對流動非均勻特征的影響 5.4.7 分形特征參數與隨機層疊模型參數的比較 5.4.8 小結參考文獻第6章分形控制方程 6.1 控制方程建立 6.1.1 水流運動控制方程 6.1.2 溶質運移控制方程建立 6.1.3 與二域模型和活動裂隙模型的比較 6.2 模型有效性檢驗 6.2.1 試驗和方法 6.2.2 SWMS2D程序簡介 6.2.2 模型檢驗的模擬條件設置 6.2.3 相對均方根誤差和加權變異繫數 6.2.4 活動流場模型分形特征參數計算 6.2.5 模型模擬結果分析 6.2.6 小結 6.3 模型模擬連續人滲過程 6.3.1 試驗和方法 6.3.2 定解條件和參數確定 6.3.3 模型模擬結果分析 6.3.4 小結 6.4 模型模擬垃圾填埋場覆蓋層中的水分運動 6.4.1 滕發覆蓋滲濾控制機理 6.4.2 試驗和方法 6.4.3 信息量與復雜性測度 6.4.4 模型模擬結果 6.4.5 土壤水分動態信息量和復雜性測度分析 6.4.6 小結 6.5 模型參數敏感性分析 6.5.1 敏感度定義 6.5.2 模擬條件設置 6.5.3 敏感性分析結果 6.5.4 小結 6.6 模型發展——兩區兩階段分形模型 6.6.1 模型提出背景 6.6.2 模型建立 6.6.3 試驗和方法 6.6.4 模型輸入與模型評價 6.6.5 結果和分析 6.6.6 小結參考文獻

前言
第1章  緒論
  1.1  土壤優先流的概念與研究意義
    1.1.1  大孔隙流
    1.1.2  指流
  1.2  形成和影響因素分析
    1.2.1  土壤結構和質地
    1.2.2  人滲初始條件和邊界條件
    1.2.3  土壤水流自身運動的非穩定性
  1.3  優先流的理論研究方法
    1.3.1  連續性模型理論
    1.3.2  離散型模型理論
    1.3.3  混沌與分形理論
  1.4  常用優先流數學模型
    1.4.1  單一孔隙模型
    1.4.2  雙重孔隙模型
    1.4.3  雙重滲透模型
    1.4.4  多重孔隙和多重滲透模型
    1.4.5  彌散限制聚合模型
    1.4.6  隨機層疊模型
  1.5  優先流的實驗研究方法
    1.5.1  微張力測量技術
    1.5.2  聲波探測技術
    1.5.3  非侵入式影像獲得技術
    1.5.4  地下雷達探測技術
    1.5.5  電阻率層析成像技術
    1.5.6  示蹤成像技術
  參考文獻
第2章  數字圖像處理技術
  2.1  顏色模式與圖像格式
    2.1.1  顏色模式
    2.1.2  圖像格式
  2.2  BMP格式文件
    2.2.1  BMP格式文件類型
    2.2.2  BMP格式文件組成
  2.3  顏色和流動信息之間的關繫
  2.4  臨界關繫法
  參考文獻
第3章  染色示蹤成像技術
  3.1  引言
  3.2  入滲水量和試驗尺度對土壤水非均勻流動的影響
    3.2.1  試驗和方法
    3.2.2  試驗觀測結果
    3.2.3  入滲條件對土壤水人滲深度的影響
    3.2.4  入滲條件對土壤水流運動非均勻特征的影響
    3.2.5  入滲條件對優先流通道尺寸的影響
    3.2.6  小結
  3.3  微灌繫統灌水人滲均勻性分析
    3.3.1  試驗和方法
    3.3.2  微灌繫統灌水人滲猙陸分析
    3.3.3  微灌繫統灌水均勻性檢驗
    3.3.4  入滲水和溶質分布均勻性分析
    3.3.5  小結
  參考文獻
第4章  離子顯色示蹤成像技術
  4.1  引言
  4.2  優先流運動的非均勻性和變異性
    4.2.1  試驗和方法
    4.2.2  試驗觀測結果
    4.2.3  剖面內和剖面間土壤水流運動的非均勻性和變異性
    4.2.4  不同人滲水量條件下土壤水流運動的非均勻性和變異性
    4.2.5  小結
  4.3  灌水效率顯色示蹤試驗研究
    4.3.1  試驗和方法
    4.3.2  試驗觀測結果
    4.3.3  灌水效率分析
    4.3.4  灌溉條件下溶質運動與分布特性分析
    4.3.5  小結
  4.4  土壤大孔隙發育特征及其對水和溶質輸移的影響
    4.4.1  試驗和方法
    4.4.2  試驗觀測結果
    4.4.3  流動結構分析
    4.4.4  土壤大孔隙發育特征分析
    4.4.5  大孔隙效應分析
    4.4.6  小結
  參考文獻
第5章  水流運動分形本構方程
  5.1  分形基本理論
    5.1.1  分形理論的形成與發展
    5.1.2  分形的定義與性質
    5.1.3  分形維數
  5.2  本構方程建立
  5.3  分形特征參數計算
    5.3.1  試驗和方法
    5.3.2  染色面積和土壤含水率分布
    5.3.3  土壤質地對染色區土壤含水率分布的影響
    5.3.4  活動流場模型分形特征參數計算
    5.3.5  小結
  5.4  入滲條件對流動非均勻程度的影響
    5.4.1  試驗和方法
    5.4.2  染色面積分布
    5.4.3  初始含水率對流動非均勻程度的影響
    5.4.4  入滲水量對流動非均勻程度的影響
    5.4.5  試驗尺度對流動非均勻程度的影響
    5.4.6  土壤質地對流動非均勻特征的影響
    5.4.7  分形特征參數與隨機層疊模型參數的比較
    5.4.8  小結
  參考文獻
第6章  分形控制方程
  6.1  控制方程建立
    6.1.1  水流運動控制方程
    6.1.2  溶質運移控制方程建立
    6.1.3  與二域模型和活動裂隙模型的比較
  6.2  模型有效性檢驗
    6.2.1  試驗和方法
    6.2.2  SWMS2D程序簡介
    6.2.2  模型檢驗的模擬條件設置
    6.2.3  相對均方根誤差和加權變異繫數
    6.2.4  活動流場模型分形特征參數計算
    6.2.5  模型模擬結果分析
    6.2.6  小結
  6.3  模型模擬連續人滲過程
    6.3.1  試驗和方法
    6.3.2  定解條件和參數確定
    6.3.3  模型模擬結果分析
    6.3.4  小結
  6.4  模型模擬垃圾填埋場覆蓋層中的水分運動
    6.4.1  滕發覆蓋滲濾控制機理
    6.4.2  試驗和方法
    6.4.3  信息量與復雜性測度
    6.4.4  模型模擬結果
    6.4.5  土壤水分動態信息量和復雜性測度分析
    6.4.6  小結
  6.5  模型參數敏感性分析
    6.5.1  敏感度定義
    6.5.2  模擬條件設置
    6.5.3  敏感性分析結果
    6.5.4  小結
  6.6  模型發展——兩區兩階段分形模型
    6.6.1  模型提出背景
    6.6.2  模型建立
    6.6.3  試驗和方法
    6.6.4  模型輸入與模型評價
    6.6.5  結果和分析
    6.6.6  小結
參考文獻

在線試讀

Flury和Flǘhler（1994）與Flury和Wai（2003）指出，作為土壤水流運動示蹤的理想染色劑應當具備以下特征：①具有鮮明的顏色，以便於被人工或計算機軟件識別出來；②在水中有較高的溶解度，且具有與水流相一致或接近一致的遷移特征，以便能準確顯示土壤水流運動的範圍；③這種染色劑本身及其衍生物應當是無毒或低毒的，以免造成環境影響或破壞，從而限制其使用；④染色劑本身在自然環境中的本底值較低，以便能從背景環境中被方便的識別出來；⑤染色劑對土壤溶液化學性質的變化不敏感，其遷移轉化不受溶液的酸堿度和離子影響。

近年來大量的研究（如Steenhuis等，1992；Yasuda等，2001；Allaire等，2009）表明，亮藍（Brilliant Blue FCF.顏色索引：42090）是同時具有以上特征的理想染色劑：亮藍的顏色極為鮮明，且藍色與土壤的本底顏色（磚紅色、灰色或黃色）反差大易於識別；亮藍在水中的溶解度高，隨水流遷移的一致性較好（尤其是在沙土中）；亮藍是一種食品添加劑，在其使用的濃度範圍內，幾乎不具有毒性；亮藍在自然環境中的本底值為0，且其化學性質極為穩定。此外，亮藍價格相對便宜，這也有利於其廣泛使用，尤其適用於開展大尺度的野外試驗。但需要注意的是，由於土壤黏粒對亮藍分子的吸附作用，特別是黏粒含量較高時引起亮藍分子的遷移速率明顯小於土壤水流入滲濕潤鋒的遷移速率，限制了亮藍作為染色示蹤劑在黏性土壤中的應用（Ketelsen、Meyer—Windel，1999；Kasteel等，2002；Nobles等，2010）。

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