基于三维X-CT图像的结皮土壤孔隙结构特征与渗透率

作     者：许智隼 胡五龙 Xu Zhisun;Hu Wulong

作者机构：武汉理工大学理学院武汉430070 武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心武汉430070 

出 版 物：《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)

年 卷 期：2021年第37卷第14期

页      面：89-97页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 09[农学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(11602180)。 

主　　题：土壤 孔隙率 渗透率 土壤结皮 格子玻尔兹曼 X-CT 

摘      要：地表结皮广泛存在于干旱半干旱地区的表层土壤,对水土保持和生态环境有着重要的影响。该研究采用X射线断层扫描成像技术(X-CT)和图像分析方法,获取并分析了3个含表层结皮的土样(孔隙率分别为0.196、0.144和0.093)三维孔隙结构特征,并利用格子玻尔兹曼方法计算了各土样沿深度方向不同土层的渗透率。孔隙结构分析发现,土样的表层与其相邻土层孔隙率具有较大差异,其孔隙变异度E5%,表层孔隙率较小且连通性更差;而下部土层的孔隙率变化则较为平缓,其孔隙变异度E5%,且平均孔径随深度的增加而减小,分别由0.43、0.37和0.50 mm降低至0.15、0.14和0.14 mm。渗透率计算结果表明,表层结皮对水分渗流有着明显的阻滞作用,其渗透率最小,分别为7.472、0.006和6.960μm^(2);在对土样孔隙结构特征参数与孔隙率相关性分析的基础上,将Kozeny-Carman方程的比表面积替换为孔隙复杂度,提出了一种可靠的渗透率预测模型,较Kozeny-Carman方程及其简化模型而言,该模型具有更高的预测精度,其决定系数R^(2)由0.96提升至0.98,而均方根误差RMSE则由25.06降低至18.31μm^(2)。该研究可为干旱半干旱地区的水资源管理利用和生态环境保护提供参考。