本文關(guān)鍵詞：基于孔隙尺度模擬的土壤中流體運(yùn)移研究

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【摘要】：土壤中水鹽及氣體運(yùn)移直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、動植物及微生物生命活動等,研究土壤中流體運(yùn)移有著非常重要的意義。由于技術(shù)條件的限制,以前人們在研究土壤中流體運(yùn)動時只能基于實(shí)驗(yàn)提出一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建模型。而這些模型及參數(shù)往往都只是宏觀平均化的結(jié)果,沒有真正反映出土壤結(jié)構(gòu)的空間變異性,更無法從細(xì)節(jié)處描述流體運(yùn)動狀態(tài)。因此從微觀孔隙尺度上對流體運(yùn)動進(jìn)行模擬研究,揭示宏觀層面土壤中流體運(yùn)動現(xiàn)象的微觀機(jī)理非常必要。土壤中含有很多不同直徑的孔隙,這些孔隙是水鹽運(yùn)移和氣體交換的主要通道,從孔隙尺度對不同直徑的土壤孔隙中流體運(yùn)移進(jìn)行模擬研究,有利于理解土壤中流體運(yùn)移規(guī)律,對改善土壤生態(tài)壞境、提高農(nóng)業(yè)林業(yè)生產(chǎn)及防治污染物擴(kuò)散等有非常重要的指導(dǎo)意義。本文采用X線斷層掃描攝影和孔隙尺度模擬方法直接計算流體在土壤中的運(yùn)移過程,對流體在土壤中運(yùn)移的一些特性進(jìn)行了分析和研究。通過模擬不同飽和度條件下溶質(zhì)從團(tuán)聚體間孔隙通過分子擴(kuò)散進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)部的過程,得到團(tuán)聚體內(nèi)外質(zhì)量交換率隨時間的變化;基于質(zhì)量交換率與記憶函數(shù)的關(guān)系,利用記憶函數(shù)描述溶質(zhì)質(zhì)量交換率,提出記憶函數(shù)模型并推廣至反應(yīng)性溶質(zhì);模擬不同平均孔隙直徑條件下氣體在土壤中的擴(kuò)散過程,得到了氣體有效擴(kuò)散系數(shù)隨孔徑的變化;結(jié)合塵氣模型提出一種求孔隙介質(zhì)中氣體有效擴(kuò)散系數(shù)的新方法。本文主要研究成果如下:1.提出并驗(yàn)證了孔隙尺度模擬團(tuán)聚體內(nèi)外溶質(zhì)質(zhì)量交換過程的方法,并利用該方法模擬了不同飽和度條件下溶質(zhì)從團(tuán)聚體間孔隙通過分子擴(kuò)散進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)部的過程,得到團(tuán)聚體內(nèi)外溶質(zhì)質(zhì)量交換率隨時間的變化規(guī)律,探討了飽和度對質(zhì)量交換率的影響。2.利用記憶函數(shù)來描述溶質(zhì)質(zhì)量交換率,得到了記憶函數(shù)的理想表達(dá)式,并將結(jié)果推廣至線性衰減的反應(yīng)性溶質(zhì);證明了飽和度對質(zhì)量交換率的影響實(shí)質(zhì)上是團(tuán)聚體表面與水接觸面積的作用。3.提出了孔隙尺度模擬土壤中氣體擴(kuò)散過程的方法,利用該方法分別模擬了(1)只考慮克努森擴(kuò)散;(2)只考慮分子擴(kuò)散;(3)同時考慮克努森擴(kuò)散和分子擴(kuò)散,三種情況下氧氣在不同孔徑土樣中擴(kuò)散過程,研究了三種情況下氣體有效擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系及平均孔隙直徑對氣體有效擴(kuò)散系數(shù)的影響。4.提出并驗(yàn)證了可用于求多孔介質(zhì)中氣體有效擴(kuò)散系數(shù)的塵氣模型一般形式,并得到了由平均孔徑求有效克努森擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式,由此提出了一種非常簡單且精確的求孔隙介質(zhì)中氣體有效擴(kuò)散系數(shù)的新方法。本文得出的記憶函數(shù)表達(dá)式可以用來模擬實(shí)際非飽和土壤中溶質(zhì)質(zhì)量交換率;而塵氣模型一般形式及有效克努森擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式可以應(yīng)用于實(shí)際求解任意多孔介質(zhì)中氣體有效擴(kuò)散系數(shù)。另外,通過本文研究,從微觀機(jī)理方面揭示了土壤中溶質(zhì)質(zhì)量交換及氣體擴(kuò)散過程中的規(guī)律及影響因子,為更好地描述和預(yù)測土壤中流體運(yùn)移奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S152
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本文編號：1223276