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基于分形的土壤非均匀流的试验研究与数值模拟

作　者: 张丽华
导　师: 戈振扬；王成武
学　校: 昆明理工大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 染色示踪实验染色面积动态分布分形维数数值模拟
分类号: S152
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

非均匀流是田间土壤中水分与溶质运移的一种基本形式,土壤中非均匀流的数值模拟与预测的研究可为水资源的高效利用、农业水土环境的保护及污染的治理等问题提供可靠的科学依据。土壤是成分与结构十分复杂的一个时空变异连续体,以介质均质性为假设的传统研究方法不能准确预测土壤中溶质的运移。分形维数能够表征自然形态的复杂特征,随着分形理论的发展,它在土壤物理中的应用取得了长足的发展,但应用相关理论研究土壤中水分与溶质的动态扩散过程还很少见报道。染色剂作为土壤非均匀流研究中的一种重要实验方法,它能可视化土壤中水分与溶质的运移路线,但大多数土壤非均匀流的示踪研究都需切割土壤剖面来获得溶质的分布信息,这在一定程度上会破坏原有土壤中的孔隙结构和溶质分布。因此,针对以上问题本论文对土壤非均匀流的相关问题进行了研究。本论文以室内人工制备的3个不同初始含水量和3个不同体积密度的土样为研究对象,对土壤表面水分与溶质的非均匀流动进行染色示踪试验分析。试验中采集土壤表平面亮蓝迁移的动态分布图像,结合图像处理技术分析土壤中非均匀流的动态过程。基于分形理论,计算3个不同初始含水量土样中土壤表面的分维数值,分析不同初始含水量条件下土壤表面染色面积与分维数的动态变化特性。利用数值模拟,并与实验室实测数据相比较,分析3个不同体积密度土样每个时间间隔的浓度分布的动态变化特征。试验结果表明：(1)每个时间间隔,溶质在土壤表面水平方向上的迁移速度明显滞后于水分移动的速度。(2)随着入渗时间与入渗水量的增大,3个不同初始含水量土样中土壤表面的染色面积分别在1.07%-4.36%,1.18%-10.27%,5.44%-25.02%之间变化,染色土壤的分维数分别在1.5-1.64,1.64-1.72,1.64-1.85之间变化。(3)随着时间的延进,3个不同体积密度土样中土壤表面溶质的浓度分布分别在0-2.782,0-2.46,0-2.183之间变化。由以上结果可知,土壤表面溶质的分布表现出比水分分布较高的异质性和不确定性,土壤表面溶质扩散的动态变化呈非线性关系,属于分形的特征；不同初始含水量土壤中土样表面的分维数呈非线性增长,染色剂的分布面积非线性扩大,但扩大程度非线性减小；不同体积密度的土壤中,土样表面亮蓝的浓度动态分布的线性相关度随体积密度的增大而明显的减小,且每个时间间隔,土样表面亮蓝的浓度分布都分别随体积密度的增大而减小。基于分形的土壤非均匀流的试验研究与数值模拟丰富了土壤中水分与溶质运移的相关研究,为农业水土资源的高效利用与保护提供了理论支持。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-14
  1.1 论文研究的背景及意义  10-11
  1.2 论文研究问题的提出  11-12
  1.3 论文研究的方法与技术路线  12-13
  1.4 论文研究的主要内容  13-14
第二章土壤中非均匀流的分形研究  14-26
  2.1 土壤中水分与溶质运移的传统研究方法  14-16
    2.1.1 达西(Darcy)定律  14-15
    2.1.2 欧几里德空间中的溶质运移  15-16
  2.2 分形理论的起源与发展  16-18
  2.3 土壤中水分与溶质运移的分形研究  18-24
    2.3.1 土壤水力特性的分形研究  19-20
    2.3.2 土壤中水分与溶质非均匀流动的分形研究  20-23
    2.3.3 土壤中非均匀流的染色示踪研究  23-24
  2.4 小结  24-26
第三章土壤中非均匀流的染色示踪试验研究  26-34
  3.1 土壤中非均匀流的研究技术  26
  3.2 土壤中非均匀流的染色示踪试验研究  26-33
    3.2.1 试验材料和装置  27-29
    3.2.2 试验程序  29-30
    3.2.3 试验结果分析  30-33
  3.3 小结  33-34
第四章亮蓝染色剂溶液空间分布图像的处理与分析  34-42
  4.1 图像处理与分析  34-39
    4.1.1 图像的分割与提取  34-35
    4.1.2 二值图像的处理与分析  35-39
  4.2 染色面积的动态变化特性分析  39-41
    4.2.1 染色面积的计算  39
    4.2.2 染色面积的回归分析  39-41
  4.3 小结  41-42
第五章分形维数的计算及变化特性分析  42-50
  5.1 分形维数  42-43
  5.2 分维数的计算  43-48
    5.2.1 Renyi维程序的数学理论  44
    5.2.2 Renyi维程序  44-45
    5.2.3 分形维数的计算  45-48
  5.3 分维数的动态变化特性分析  48-49
  5.4 小结  49-50
第六章土壤中非均匀流的数值模拟  50-63
  6.1 土壤中非均匀流的双区运移模型  50-56
  6.2 土壤中亮蓝溶液浓度的数值模拟与空间分布变化特性分析  56-60
    6.2.1 土壤中亮蓝溶液浓度的数值模拟  56-58
    6.2.2 亮蓝溶液的空间分布变化特性分析  58-60
  6.3 数值模拟与试验数据的比较  60-62
    6.3.1 染色示踪试验实测的亮蓝溶液浓度的动态分布数据  60-61
    6.3.2 数值模拟与试验数据相比较  61-62
  6.5 小结  62-63
第七章结论与展望  63-65
  7.1 结论  63-64
  7.2 不足与展望  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-71
附录:本人在攻读硕士学位期间发表学术论文情况  71

基于分形的土壤非均匀流的试验研究与数值模拟

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