2.1土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究简要信息
土壤孔隙度
土壤孔隙度土壤是地球表面的重要组成部分，承载着植物的生长和发育以及许多生物的栖息地。
土壤孔隙度是描述土壤内部结构的重要参数之一，在土壤科学研究中具有重要意义。
1. 土壤孔隙度的定义土壤孔隙度指的是土壤中孔隙体积与总体积的比值，通常以百分比表示。
孔隙由土粒之间的间隙和土粒内部的空隙组成，包括大孔隙和小孔隙两部分。
土壤孔隙度的大小直接影响土壤的透气性、保水性以及养分储备能力。
2. 影响土壤孔隙度的因素2.1. 土壤类型不同类型的土壤孔隙度可能存在较大差异，比如沙土通常孔隙度较高，而粘土土壤孔隙度较低。
这是由于土壤颗粒粒径和结构的不同所导致的。
2.2. 土壤团聚体土壤中的团聚体是由胶合物、氧化铁等物质粘结而成的，它们能够增加土壤的强度和稳定性，但也会减少土壤的孔隙度。
2.3. 植被覆盖植被的生长会影响土壤的物理结构，根系的生长和活动会改变土壤孔隙结构，从而影响土壤孔隙度。
3. 土壤孔隙度对土壤性质的影响3.1. 透气性土壤孔隙度越高，土壤的透气性就越好。
适当的孔隙度可以促进土壤通气，有利于土壤中微生物的呼吸和生长。
3.2. 保水性土壤孔隙度与土壤的保水性密切相关。
适当的孔隙度可以使土壤保水性良好，有利于植物根系的吸水和养分吸收。
3.3. 养分储备能力土壤孔隙度大小直接影响土壤中养分的储备能力。
合理的孔隙度可以保证土壤中有足够的养分供植物吸收。
4. 土壤孔隙度的测定方法土壤孔隙度的测定方法有很多种，常用的包括试验法和仪器法。
试验法包括压实法、浸润法等，通过试验得到土壤的孔隙度数据；仪器法主要有密度计、气孔度计等仪器，可以快速准确地测定土壤的孔隙度。
5. 结语土壤孔隙度是土壤结构的重要参数，直接影响土壤的物理性质和生态功能。
合理的土壤孔隙度有利于土壤的健康和植物的生长，因此在土壤管理和农业生产中应重视土壤孔隙度的研究和调整。
产汇流
6
20.2 21.9 2.2
6.8
7
第二节 流域产流分析
产流：是指流域各种径流成分的生成过程，其实质是水分在下垫面 垂直运行中，在各种因素综合作用下的发展过程，也是流域下垫面 （包括地面和包气带）对降雨的再分配过程。 一、包气带对降雨的再分配作用 1、包气带地面对降雨的再分配的作用 对一场总降雨量P的降雨过程来说，下渗到包气带土层中的水量为：
（1）支持毛管水（毛管上升水）
（2）毛管悬着水
4.重力水
（二）土壤含水量和水分常数
1. 土壤含水量（率） 一定量的土壤中所含水分的数量（mm）。 土壤重量含水率、土壤容积含水率 2. 土壤水分常数
（1）最大吸湿量（饱和空气中，吸收水汽） （2）最大分子持水量（土粒分子） （3）凋萎含水量（凋萎系数） （4）毛管断裂含水量 （5）田间持水量（渗透与保持的界限） （6）饱和含水量
一层模型： 假定流域蒸散发量与流域蓄水量成正比，则 有：
Wt E t EM t WM
EM t 时段内流域的蒸散发能力
含水量W
三层蒸散发量计算公式
含水量W
Wdm
深层
WL t C 当 EL C(EM EU ），， 即 WLM WL t EL （EM EU ） WLM
WL t 当 EL C(EM EU ），， 即 WLM
月 日 25 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5
25 P(mm) EM(mm/d) 26 60.3 27 78.8 6 28 14.7 5.6 29 30 1 2 7 3 4 20.2 6.8 5 21.9 2.2 60.3 K 78.8 14.7
Pa
5.6 100 100.00 94.40 89.11 84.12 78.40 0.932 91.90 100.00 95.25 0.944
第五土壤的孔隙性和结构性剖析
三、结构体的稳定性
为了保证土壤具有良好的通气、透水性 和物理机械性，要求土壤结构体要有足够的 稳定性。
1
结构体的力稳性，或机械稳定性，是指 土壤结构体抵抗机械破碎的能力。
结构体的力稳性越大，耕作过程中农机 具对结构体的破坏就越小。
土壤比重是一个比较稳定的数值。
表 5-1 土表 4-壤1 中土常壤中见常见矿组分物的密组度 (分克/厘的米比3) 重（g/cm3)
石英 正长石 斜长石 白云母 黑云母 角闪石 辉石 纤铁矿
2.60～2.68 2.54～2.57 2.62～2.76 2.77～2.88 2.70～3.10 2.85～3.57 3.15～3.90 3.60～4.10
砂土一般总孔隙度小，为33—45%，但大孔 隙多。
壤土孔隙度居中，一般为45～52%，孔径分 布比较合理，即有一定数量的通气孔隙，也有较 多的毛管孔隙，水气矛盾较小。
2、
一定容积的土壤中，由于土粒排列的松紧不 同，孔隙度会有很大的差异。按照所谓“理想土 壤”的概念，假定全部土粒都是大小相等的刚性 光滑球体，那么这些球体排列最松时孔隙度为 47.46% ， 而 按 最 紧 密 的 方 式 排 列 ， 孔 隙 度 只 有 25.95%，由此可见土粒排列方式对土壤的孔隙度 的影响。
按照其大小，又分为大块状、块状和碎块 状结构体。
这类结构体多出现在有机质缺乏而耕性不 良的粘质土壤中。
在粘重的心底土中，常常多棱角的碎 块，是由石灰质和氢氧化铁胶结而成的，如 红壤。
我省的白浆土下层，也有大量的核块状 结构体。
2、柱状和棱柱状结构体
(columnar and prismatic structure) 柱状和棱柱状结构体纵轴远大于横轴，在 土体中直立。棱角不明显的叫做柱状结构，棱 角明显的叫棱柱状结构体。
土壤空隙资料
土壤单粒或结构体之间存在的间隙，称为土壤孔隙。
常按其直径大小分为毛（细）管孔隙和非毛管孔隙。
毛管孔隙容易吸收保持水分，非毛管孔隙不能保持水分。
非毛管孔隙透水、通气性好，所以又称“空气孔隙”。
土壤孔隙对土壤中的水分、空气状况及根系伸展、微生物活动、养分转化等都有很大影响。
土壤空隙的形成：土壤中的大孔隙包括象植物根痕那样的管状孔、小动物的洞穴、干燥收缩而产生的裂隙、化学风化溶解而产生的空洞、耕作形成的暗洞以及产生于破碎心土层的孔隙,当然也包括土壤团粒间较大的孔隙。
大孔隙流是土壤中的一种普通存在的现象，而不是一种例外。
土壤中的大孔隙由物理或生物过程形成,物理过程包括：由土壤的干湿作用造成的收缩和膨胀,土壤中可溶性物质的溶解,冻融的循环交替以及耕种等；生物过程包括蚯蚓和啮齿动物活动和植物根系的生长。
土壤中的孔隙分为：裂隙、大孔隙、根孔、虫穴等。
由于土壤孔隙结构是影响水土流失的重要因素，而坡面产汇流与坡面侵蚀是相辅相成的。
大孔隙流的存在，改变了坡面径流的形成过程和不同径流成分的比例，最终影响坡面出口断面的流量过程，相应影响土壤的侵蚀量以及其在不同径流成分的存在，进而影响化学物质在土壤中的存在和运移。
311 大孔隙成因Beven等将土壤大孔隙的成因归结为生物因素、物理因素和化学因素3个方面: 1)生物因素,主要有土壤动物、植物和人类活动.土壤动物如鼠类、蚯蚓和蚂蚁等对土壤的挖掘翻动过程中会形成一些孔道;植物根系的伸延以及腐烂也可形成大孔隙,这类孔隙的孔径多为圆形[14].另外,人类的耕种、砍伐和建造等一系列活动,也可以直接形成大孔隙,或通过对形成大孔隙的外在原因进行干扰,从而形成大孔隙[25]. 2)物理因素,主要指土壤冻融交替和干湿交替.受季节的影响,在干湿交替过程中,土壤随水分增加或减少发生膨胀或收缩,粘质土干燥时,土体收缩会产生裂缝或裂隙状的大孔隙[3].在干燥季节,壤质土和粘质土结构体收缩,在地表产生宽而深的裂隙;而在湿润季节,其结构体膨胀,土壤表面相对紧密闭合[4],因此,这两种土壤的孔隙度在干燥季节达到最大.在寒冷地区,冻融交替是形成大孔隙的主要机制.它与温度变化的幅度和土壤水分状况有关,土壤急剧变化和高含水量有利于孔隙的形成[35].冻融交替形成的大孔隙以裂隙和裂缝为主[1]. 3)化学因素,主要是化学风化使岩石形成碎末,当有水流通过时形成的溶液管道[45].在渗透性很强、非粘性的土壤中,当有水头梯度存在时,可能产生自然土壤通道.其主要原因在于亚表层流对土壤的侵蚀[41],当水流作用于土壤单粒上的力超过土壤结构承受力时,就会形成这类土壤管道[58].土壤大孔隙虽然仅占土壤体积的011% ~5%,却在很大程度上影响着水分及溶质在土壤中的运移[15-16].在不考虑大孔隙存在的情况下,水和溶质在均匀土壤中的运移发生在土壤颗粒或团粒间的孔隙,水流符合达西定律1对于这种基质流,土壤水的流量和溶质的浓度由粒间孔隙的大小和连通性所决定.而在考虑大孔隙存在的情况下,土壤大孔隙中的水流可以不和周围土壤母质中的土壤水分发生相互作用,在极短的时间内移动到深层土壤中,产生大孔隙流.这时,其水分运动规律不再符合达西定律.水及溶质的运移主要由通过大孔隙中的水流决定,特别是在土壤接近饱和的情况下,大孔隙中的水流速度远大于土壤基质流,并且是非达西流[59].以往运移模型由于忽略了大孔隙的存在,低估了土壤的渗透能力,导致实验结果与实际情况有所差异,因此,必须考虑大孔隙的存在.大孔隙及大孔隙流的存在加快了地下水的响应速度.地下水在土壤水还未达到田间持水量时就得到补充,废物放置处渗漏的污染物可通过大孔隙快速到达地下水中,污染地下水;而对于农业生产中施放到土壤表面的营养物质或化学物质来讲,也可通过大孔隙很快进入土壤深处或地下水中,来不及被土壤基质吸附和被植物利用,造成了肥料利用率降低以及地下水的污染.降水或灌溉水在根区下层流动从而降低对植物的有效性.大孔隙的存在增加了土壤的通气性,促进了根系生长,提高了作物产量.同时,由于透气性促进了土壤中微生物的活动,其有利于土壤中植物残渣和农药的分解[20].因此,研究土壤中大孔隙分布、大孔隙流的水流路径与溶解物质的迁移规律对三水(地表水、土壤水和地下水)转化过程中污染物质运移机理的认识,模拟森林流域水分运动、理解壤中流的产生具有重要的理论和实际意义.土壤大孔隙研究的最终目的是调控它,为减少地下水污染、控制养分和水分的流失提供一条新途径.大孔隙(macropore)普遍存在于土壤中,无论是自然土壤还是耕作土壤,其直径大小大于0.03mm，都在某种程度上存在着大孔隙.土壤大孔隙的存在可以导致土壤优先水流和溶质优先迁移的发生,是水分和化学物质快速、远距离运移的主要甚至可能是唯一的通道[22].在流经大孔隙时,土壤水及溶于其中的溶质(如养分、盐分、污染物等)不能与土体发生充分的相互作用,而是直接快速穿透土体进入地下水,即发生了优先迁移(preferential migra-tion)[17,20].其结果造成了地下水的污染、养分流失和灌溉水的浪费[26].因此,研究土壤大孔隙对于提高农业水利用率、开展节水农业、降低农业成本和环境污染控制(尤其是地下水污染防治、土壤污染防治)等方面均具有极为重要的科学意义和实践价值.本文阐述了大孔隙的定义、类型、形成及研究方法,为进一步深入研究土壤大孔隙和土壤优先水流、溶质优先运移提供参考.毛管孔隙又称小孔隙。
土壤孔隙度
• 对土壤肥力、水分和气体交换具有重要影响
• 总孔隙度：毛管孔隙度与非毛管孔隙度之和
土壤孔隙度对土壤性质的影响
对土壤水分的影响
• 影响土壤的持水能力和透水性
• 高孔隙度土壤有利于水分的渗透和储存
• 低孔隙度土壤不利于水分的渗透和储存
对土壤养分的影响
• 影响土壤中养分的吸附和保持能力
• 高孔隙度土壤有利于养分的吸附和保持
• 低孔隙度土壤不利于养分的吸附和保持
对土壤气体交换的影响
• 影响土壤中氧气和二氧化碳的交换
• 高孔隙度土壤有利于气体交换
• 低孔隙度土壤不利于气体交换
⌛️
土壤孔隙度对环境的影响
01
对生态系统的影响
• 影响土壤中生物的栖息和繁殖
• 高孔隙度土壤有利于生物的栖息和繁殖
• 低孔隙度土壤不利于生物的栖息和繁殖
通过植被恢复措施提高土壤孔隙度
草地恢复
森林恢复
• 种植草本植物，增加土壤有机质含量，提高土壤孔隙度
• 种植树木，增加土壤有机质含量，提高土壤孔隙度
• 改善土壤结构，提高土壤透气性和水分保持能力
• 改善土壤结构，提高土壤透气性和水分保持能力
06
土壤孔隙度的研究进展与展望
土壤孔隙度研究的历史与现状
⌛️
土壤孔隙度在农业和环保领域的应用
• 探索土壤孔隙度与作物生长、土壤肥力、环境保护等方面的关系
• 提出基于土壤孔隙度的农业和环保措施，提高土壤质量和生态环境质
量
土壤孔隙度研究在农业和环保领域的应用前景
土壤孔隙度研究在农业领域的应用前景
土壤孔隙度研究在环保领域的应用前景
• 为农业生产提供科学依据，指导农业生产和土壤管理
土壤结构方程模型
土壤结构方程模型
土壤是植物生长和发育的物质基础，它的结构对植物的生长起到至关重要的作用。
土壤结构方程模型是近年来土壤研究领域新兴的分析工具，其通过对土壤结构的综合分析，能够更好地理解土壤的形成和演化过程，并对土壤的质量和生产力进行准确评价。
土壤结构方程模型主要由土壤结构的多个要素组成，包括粘粒、渗透、孔隙等。
模型分析中，还需考虑到外部环境因素的作用，如温度、湿度等。
其中，粘粒和渗透是其中非常重要的两个要素。
粘粒是土壤中非常重要的一个要素，它决定了土壤的机械强度、水分的含量和土壤的通透性。
在土壤结构方程模型中，粘粒与其他要素相互作用，对土壤的物理和化学特性起着关键性作用。
渗透则是土壤结构中的水分和养分的运输主要通路。
以渗透为基础的水分和养分的供应，对于植物的生长和发育具有重要影响。
此外，孔隙是土壤结构的另一个关键要素。
孔隙决定土壤中水分的保存量、土壤通气性以及土壤的物质交换性。
因此，孔隙的形成和作用对于植物生长的影响不可忽视。
总的来说，土壤结构方程模型为我们提供了一种全新的理解和评价土壤结构的方法。
经过深入研究和实践总结，我们不仅可以更好地认识土壤的形成与演化，同时也可以为提高土壤质量和生产力，以及保护和改善自然生态系统做出更有针对性的努力。
土壤的孔性、结构性与耕性解析
土壤三相(three phases)组成
土壤固、液、气 三相容积比，反映 土壤水、气关系。
三相比示 意图
mineral
atmosphere water
organic matter
第一节
土壤孔性
一、土壤孔隙性 1．土壤孔性 土壤孔性包括孔隙的数量、孔隙的大小及其比例，土壤 孔隙的数量用孔隙度或孔隙比表示。
三、土壤孔性的影响因素及其性 土粒的排列方式 （二）外因 降雨、 施肥、 灌溉、 耕作 重点难点：掌握土壤孔隙的概念、类型及调控。 难点：土壤比重和容重的区别。
第二节 土壤结构 一、土壤结构的类型及其特性 在内外因素的综合作用下，土粒相互团聚成大小， 形状和性质不同的团聚体，称为土壤结构。
土壤耕性与土壤结持状态
潮湿 可塑 有可塑 性，但无 粘着性 大 成大土垡 不宜 泞湿 粘韧 有可塑性 和粘着性 大 成大土垡 不宜 多水 浓泥浆 成浓泥浆， 可受重力影 响而流动 大 成浮泥浆 不宜 极多水 薄泥浆 成悬浮体， 如液体一样 容易流动 小 成泥浆 宜稻田耕作
耕作阻力 耕作质量 宜耕性
思考题
三、土壤团粒结构的形成 1．土壤团粒结构的形成过程 包括“多级团聚说”和“粘团说”两种。 第一阶段：有单粒在胶体凝聚、水膜粘结以及胶结作用下形成初 级复粒或致密的小土团。 第二阶段：初级复粒进一步逐级粘合、胶结、团聚，依次形成第 二级、第三级及微团聚体的过程。 2．团粒结构形成的必备条件 ①胶结物质：有机胶体、无机胶体及胶体凝聚物质。 ②成型动力：土壤生物的作用、干湿交替、在适宜土壤含水量下 进行耕作等。
二、土壤相对质量密度（比重）和容重 1．土壤相对质量密度 是指单位容积的固体土粒（不包括粒间孔隙）的干重与同体积水的质 量之比。 多数土壤矿物比重在2.6-2.7左右，（将2.65作为土壤矿物的平均值） ，而一般土壤有机质的比重为1.25-1.40。由于表层土壤有机质含量较多， 其比重通常都低于心土及底土层。
孔隙流体力学研究中的渗流效应分析
孔隙流体力学研究中的渗流效应分析引言孔隙流体力学研究是地质学、地球物理学和石油工程学等领域中的一个重要研究方向。
孔隙流体力学研究中的渗流效应分析是其中的一个重要内容。
渗流效应分析主要研究孔隙中流体的流动性质，包括渗透率、压力分布、流速分布等。
渗流效应分析对于地下水资源开发、油田开发、岩石力学等领域具有重要的应用价值。
在孔隙流体力学研究中，渗流效应分析是一个复杂而又关键的问题。
孔隙中的渗流过程受到多种因素的影响，包括温度、压力、孔隙度、孔隙结构等。
为了深入理解孔隙中的流体力学行为，需要进行详细的渗流效应分析。
渗流效应的理论模型渗流效应的理论模型是研究孔隙中流体流动的工具。
常用的渗流效应理论模型包括达西定律、非达西定律、Biot理论等。
这些理论模型可以描述流体在孔隙中的流动特性，从而进行渗流效应的分析。
达西定律达西定律是孔隙流体力学研究中最基础的理论模型之一。
达西定律是基于宏观物理规律的经验模型，可以描述渗透性岩石中的流体运动。
达西定律认为，流体在孔隙中的流动速度与压力梯度成正比，与渗透率和孔隙率有关。
非达西定律非达西定律是对达西定律的拓展和修正。
达西定律只适用于渗透率较高且流体黏度较小的情况，对于高渗透率岩石和黏稠流体，达西定律存在较大误差。
非达西定律考虑了流体黏度和渗透率对于流动速度的影响，是更准确的渗流效应理论模型。
Biot理论Biot理论是孔隙流体力学研究中的另一个重要理论模型。
Biot理论考虑了固体颗粒和流体之间的相互作用，描述了固体颗粒在孔隙流体中的运动行为。
Biot理论可以描述渗透流体中的压力传递、固体颗粒的变形等现象，是进行渗流效应分析的重要工具。
渗流效应的数值模拟随着计算机技术的发展，数值模拟成为研究孔隙流体力学中渗流效应的重要方法之一。
数值模拟可以对孔隙中的流体运动进行仿真，揭示渗流效应的细节和规律。
常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和格子Boltzmann法等。
有限差分法有限差分法是一种离散化微分方程的数值模拟方法。
测孔隙比实验报告
一、实验目的1. 了解土壤孔隙比的概念及其重要性。
2. 掌握测定土壤孔隙比的方法和步骤。
3. 通过实验，学会运用相关仪器和计算方法，提高实际操作能力。
二、实验原理土壤孔隙比是指土壤孔隙体积与土壤总体积的比值，是衡量土壤结构、通气性和保水性等特性的重要指标。
土壤孔隙比可以通过土壤容重和土壤比重来计算得出。
公式：孔隙比 = (土壤比重 - 土壤容重) / 土壤容重三、实验材料与仪器1. 实验材料：土壤样品2. 实验仪器：环刀、天平、量筒、筛子、刷子、水、记录本四、实验步骤1. 准备工作：将土壤样品放入筛子中，用水冲洗干净，晾干后备用。
2. 土壤容重测定：a. 将环刀放入土壤样品中，确保环刀底部与土壤表面接触；b. 用刷子轻轻刷去环刀底部多余的土壤；c. 将环刀托套在环刀无刃的一端，环刀刃朝下，用力均衡地压环刀托把，使环刀垂直插入土壤样品；d. 将环刀从土壤样品中取出，轻轻敲击环刀底部，使土壤样品落入量筒中；e. 读取量筒中土壤样品的体积，记录数据。
3. 土壤比重测定：a. 将环刀放入水中，确保环刀底部与水面接触；b. 用刷子轻轻刷去环刀底部多余的土壤；c. 将环刀托套在环刀无刃的一端，环刀刃朝下，用力均衡地压环刀托把，使环刀垂直插入水中；d. 将环刀从水中取出，轻轻敲击环刀底部，使土壤样品落入量筒中；e. 读取量筒中土壤样品的体积，记录数据。
4. 计算孔隙比：a. 根据实验数据，计算土壤容重和土壤比重；b. 根据公式，计算土壤孔隙比。
五、实验结果与分析1. 实验数据：土壤容重：1.25 g/cm³土壤比重：2.65 g/cm³2. 计算结果：土壤孔隙比= (2.65 g/cm³ - 1.25 g/cm³) / 1.25 g/cm³ = 0.83. 分析：根据实验结果，土壤孔隙比为0.8，说明该土壤具有良好的通气性和保水性。
这对于植物生长和土壤生态环境具有重要意义。
土壤孔性概述
土壤孔性概述土壤由固体土粒和粒间孔隙所组成，其中孔隙容纳水分和空气。
但土壤孔隙有大有小，大可通气，小可蓄水。
为了满足植物生长对水分和空气的需要，土壤应当既能保蓄足够的水分，又有适当的通气性，即要求土壤孔性良好。
所谓土壤孔性，是指能够反映土壤孔隙总容积的大小，孔隙的搭配及孔隙在各土层中的分布状况等的综合特性。
良好的孔性表现为，土壤中有一定数量的孔隙总容积，而且大、小孔隙搭配合理，分布适当。
一、土壤孔隙度及孔隙比土壤孔隙度和土壤孔隙比是土壤中孔隙总容积大小的定量指标。
（一）土壤孔隙度在自然状况下，单位容积的土壤中孔隙容积所占的百分数，称为土壤孔隙度（soil porosity）。
例如，在1cm3的土壤中，孔隙的容积是0.55cm3，则孔隙度为55%。
土壤孔隙度可以反映土壤孔隙总量的多少。
土壤孔隙度通常不直接测定，而是通过土粒密度和土壤容重计算得出。
土壤孔隙度=（1-土壤容重/土粒密度）×100%一般土壤孔隙度在30%～60%之间。
多数植物生长适宜的土壤孔隙度为50%～60%。
（二）土壤孔隙比土壤孔隙的数量也可以用孔隙比来表示，即土壤中孔隙容积与土粒容积的比值。
土壤孔隙比=孔隙度/（1-孔隙度）如果土壤孔隙度为55%，则孔隙比为55%/（1-45%）=1.22。
根据多数植物生长表现来看，土壤孔隙比为1或稍大于1为好。
二、土壤比重和土壤容重（一）土壤比重（土粒密度）土壤比重（soil specific gravity）是土粒密度与水的密度（4℃时）之比。
土粒密度（soil grain density）是单位容积固体土粒（不包括粒间孔隙）的烘干质量，单位为g/cm3或t/m3。
由于4℃时水的密度为1g/cm3，所以土粒密度与土壤比重数值相等，只是前者有量纲，后者无量纲。
土壤比重取决于土壤矿物质颗粒组成和土壤有机质含量。
土壤中主要矿物的比重见表3-1。
表3-1 土壤中主要矿物的比重来源：孙向阳，《土壤学》，2005土壤有机质的密度为 1.2～1.4g/cm3。
2013年获部级及以上科技奖励汇总表-河海大学科技处
序号
项目名称
完成人
获奖单位
奖励名称
等级
1
长期循环动载下饱和软弱土地基灾变控制技术及应用
蔡袁强、高玉峰、王 军、徐长节
刘吉福、孙宏磊、杨仲轩、郑建国
尹敬泽、黄 腾
浙江大学
中国铁建港航局集团有限公司
温州大学
河海大学
广东省公路建设有限公司
机械工业勘察设计研究院
国家科学技术进步奖
北京尚水信息技术股份有限公司
高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）
二等奖
13
深厚表土冻结立井主高强高性能混凝土井壁
材料及井壁破裂机理研究
杨仁树、经来旺、徐辉东、蒋林华
杨立云、高全臣、张慧、曹辉
徐晓峰、方体利、李清、孙家亮
周树清、王劲红、岳中文、郭东明
马鑫民
中国矿业大学(北京)
安徽理工大学
中煤第三建设（集团）有限责任公司
袁湘华、邹丽春、郑爱武、喻建清
易魁、张国新、陈胜宏
华能澜沧江水电有限公司
中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院
河海大学
中国水利水电科学研究院
清华大学
云南省科学技术奖
三等奖
32
交通荷载作用下软土地基沉降、振动理论及控制技术
蔡袁强、高玉峰、王军、郑建国
曹志刚、钱春宇、张清华、庄妍
陈永辉、尹敬泽、刘吉福、黄腾
邵建富、朱其志、徐卫亚、王伟
王环玲、江涛、谢守益
河海大学
江苏省科学技术奖
二等奖
8
湖泊环保疏浚关键方法与技术及其应用
范成新、朱伟、李金贵、年跃刚
沈吉、荆一凤、喻国良、杨建华
丁建清、满志清、丁士明
产汇流国内外研究进展
产汇流理论国内外研究进展1.产流理论研究1.1国外研究进展1856年Darcy提出达西定律和1871年圣维南方程组的提出，使水文学家开始了对产流理论的研究。
1933年霍顿（R.E.Horton）提出了著名的霍顿产流理论：当降雨强度小于土壤下渗能力时，降雨被土壤吸收；降雨强度大于土壤下渗能力时，下渗率等于土壤下渗能力，剩余部分为产流量。
表层土壤把降雨分为两个部分：一部分形成坡面流进入河道，其余部分进入土壤，或渗透变为地下水，或通过蒸散发进入大气层（Horton et al. 1935）。
霍顿产流理论成为后来研究产流的基础。
1951年，Kohler和Linsley 绘制了国际上首张降雨径流相关图，同时提出了前期影响雨量的概念和计算方法，是产流理论研究的一大进步。
赫魏尔特（Hewlett）和邓尼（Dunne）等人在长期研究的基础上，于二十世纪六七十年代发现了饱和地面径流，丰富了产流理论（Hewlett and Hibbert 1963）。
1978 年 Dunne[7]等通过大量实验研究证实，非均质包气带具有产生壤中径流的条件。
Kirkby[8]以不透水界面理论为基础提出了山坡水文学，解释了饱和地面径流和壤中径流的产生机理，对 Horton 产流理论进行补充，成为新安江三水源模型划分地面水、壤中流和地下径流的理论依据。
1.2国内研究进展在实际降雨产流过程中，当扣除植被截流、茎干液流等损失后的净雨强度超过降雨入渗强度时，就形成超渗产流；随降雨的持续，入渗量的累积，当土壤含水量达到田间持水量后又将转化为蓄满产流。
为了进一步了解流域产流机理，我国学者于维忠提出了5种径流成分和9种产流模式，并发现对于某一固定点来说，产流机制并不是固定不变的，而是随着降雨及下垫面的变化而变化。
学者们开始就产流特征的区域化规律进行探究，20世纪60年代，赵人俊发现影响特定地区径流量最重要的因素是降雨量、初始流域蓄水量和雨期流域蒸发量，与降雨强度无关，提出了湿润地区以蓄满产流方式为主的理论。
岩土双孔隙模型
岩土双孔隙模型是一种用于描述岩石和土壤中水分和气体流动的数学模型。
该模型基于两个主要假设：首先，岩石和土壤中的水分和气体可以被视为两种不同的流体，它们在孔隙中以不同的速度流动；其次，水分和气体之间的相互作用可以被忽略。
在这个模型中，岩石和土壤被看作是由两种不同类型的孔隙组成的多孔介质。
第一种孔隙是水分可以自由流动的孔隙，通常被称为水力传导孔隙。
第二种孔隙是气体可以自由流动的孔隙，通常被称为气体传导孔隙。
这两种孔隙的大小、形状和分布都对水分和气体的流动产生重要影响。
岩土双孔隙模型的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程描述了水分和气体的质量如何在时间和空间上变化；动量守恒方程描述了水分和气体的流动如何受到阻力的影响；能量守恒方程描述了水分和气体的温度如何变化。
在实际应用中，岩土双孔隙模型通常需要通过实验数据进行参数化。
这些参数包括水分和气体的流动速率、孔隙度、渗透系数等。
通过对这些参数的估计，可以更准确地预测水分和气体在岩石和土壤中的流动。
岩土双孔隙模型在许多领域都有广泛的应用，包括地下水资源管理、土壤科学、环境工程等。
例如，通过使用岩土双孔隙模型，工程师可以预测地下水位的变化，从而更好地管理和保护水资源。
在土壤科学中，岩土双孔隙模型可以帮助科学家理解土壤中的水分和气体如何影响植物的生长和发育。
然而，尽管岩土双孔隙模型在许多方面都很有用，但它也有一些局限性。
首先，该模型假设水分和气体之间的相互作用可以被忽略，这在某些情况下可能不准确。
其次，该模型忽略了土壤中的其他物理过程，如热传导和化学反应，这可能会影响其预测的准确性。
最后，岩土双孔隙模型的参数化通常需要大量的实验数据，这在某些地区可能难以获取。
总的来说，岩土双孔隙模型是一种强大的工具，可以帮助我们理解和预测水分和气体在岩石和土壤中的流动。
然而，为了提高其准确性和应用范围，我们需要进一步研究和改进这个模型。
孔隙网络模型在多孔介质流动中的应用
孔隙网络模型在多孔介质流动中的应用一、孔隙网络模型概述孔隙网络模型是一种用于模拟多孔介质中流体流动的数学模型。
这种模型基于多孔介质的微观结构，通过构建网络节点和连接这些节点的通道来表征孔隙空间的复杂性。
孔隙网络模型广泛应用于石油工程、地下水研究、土壤科学等领域，对于理解和预测流体在多孔介质中的运动具有重要意义。
1.1 孔隙网络模型的基本原理孔隙网络模型的核心思想是将多孔介质划分为一系列的孔隙单元和喉道单元。
孔隙单元代表介质中的开放空间，而喉道单元则代表孔隙之间的连接通道。
通过定义这些单元的几何和物理属性，可以模拟流体在孔隙中的流动和传输。
1.2 孔隙网络模型的构建构建孔隙网络模型通常包括以下几个步骤：- 确定孔隙和喉道的几何形状和尺寸分布。
- 根据孔隙介质的实际结构，定义孔隙和喉道之间的连接关系。
- 赋予每个孔隙和喉道适当的物理属性，如渗透率、孔隙率等。
- 利用网络模型进行流体流动的模拟和分析。
1.3 孔隙网络模型的应用场景孔隙网络模型的应用场景非常广泛，主要包括：- 石油和天然气的开采，评估储层的连通性和流体可动性。
- 地下水的流动和污染物的迁移，预测污染物在地下水中的扩散路径。
- 土壤水分的运移，研究作物根系对水分的吸收过程。
- 建筑材料的渗透性分析，评估材料的耐久性和防水性能。
二、孔隙网络模型的理论基础孔隙网络模型的理论基础涉及流体力学、多孔介质物理学以及数值分析等多个领域。
这些理论为模型提供了科学依据，并指导模型的构建和应用。
2.1 流体力学在孔隙网络模型中的应用流体力学提供了描述流体在孔隙和喉道中流动的基本方程。
例如，Darcy定律描述了在低流速条件下，流体流速与压力梯度之间的关系。
这些方程是构建孔隙网络模型的关键。
2.2 多孔介质物理学的基本原理多孔介质物理学研究了多孔介质的物理特性，如孔隙率、渗透率等。
这些特性对于理解和模拟流体在孔隙介质中的流动至关重要。
2.3 数值分析方法数值分析方法为孔隙网络模型提供了求解流体流动问题的有效手段。
第一篇第五章产汇流过程模拟
cA
f pB )dt
i f cA
cA
f pB )dt
物理条件： (1)包气带中必须存在相对不透水层，且上层土壤质地比下层粗 (2)至少要上层的土壤含水量达到田间持水量
产流机制-产流的基本物理条件
④ 饱和地面径流（Rsat）的产流机制 定义: 表层土壤具有很强透水性，下层相对 不透水层，雨强大于下层下渗容量，产生临 时饱和带，临时饱和带随着降雨不断向上发 展，最终达到地面，后继的降雨积聚在地面， 形成地面径流。 特点: 总是伴随壤中流产生。 物理条件： (1)存在相对不透水层，且上层土壤的透水性远强于下 层土壤的透水性 (2) 上层土壤含水量达到饱和含水量 i Rsat
流域产流分析-蓄满产流总径流量计算
(4)前面所求的为总径流量R：R=Rs+Rg，还需再分 成地面和地下两部分，以便进行汇流计算。
(5) 按照蓄满产流模型：产流面积上，包气带缺水量
已经满足，产流量 R 按稳定下渗率fc下渗，下渗的
水量形成地下径流 Rg，超过稳定下渗率的部分形成
地面径流 Rs
流域产流分析——小结
（1）产流时，土壤含水量达到田间持水量； （2）产流与雨强无关，与总降雨量、蒸发量、初始土壤 含水量有关； （3）径流成分比较复杂。
产流机制-产流的基本物理条件
产流机制 与产流模 式的区别 产流机制是针对某种单一径流成分的， 而产流模式是针对总径流量的，所以按
产流模式计算出总径流量的，还必须划 分水源，才能进行汇流计算。
产流机制-包气带对降雨的再分配作用
B 包气带土层对下渗水量的 再分配作用～“门槛作用” 当包气带达到田间持水量时
EA A层 EB EC ED
下渗
土壤空隙资料
土壤单粒或结构体之间存在的间隙，称为土壤孔隙。
常按其直径大小分为毛（细）管孔隙和非毛管孔隙。
毛管孔隙容易吸收保持水分，非毛管孔隙不能保持水分。
非毛管孔隙透水、通气性好，所以又称“空气孔隙”。
土壤孔隙对土壤中的水分、空气状况及根系伸展、微生物活动、养分转化等都有很大影响。
土壤空隙的形成：土壤中的大孔隙包括象植物根痕那样的管状孔、小动物的洞穴、干燥收缩而产生的裂隙、化学风化溶解而产生的空洞、耕作形成的暗洞以及产生于破碎心土层的孔隙,当然也包括土壤团粒间较大的孔隙。
大孔隙流是土壤中的一种普通存在的现象，而不是一种例外。
土壤中的大孔隙由物理或生物过程形成,物理过程包括：由土壤的干湿作用造成的收缩和膨胀,土壤中可溶性物质的溶解,冻融的循环交替以及耕种等；生物过程包括蚯蚓和啮齿动物活动和植物根系的生长。
土壤中的孔隙分为：裂隙、大孔隙、根孔、虫穴等。
由于土壤孔隙结构是影响水土流失的重要因素，而坡面产汇流与坡面侵蚀是相辅相成的。
大孔隙流的存在，改变了坡面径流的形成过程和不同径流成分的比例，最终影响坡面出口断面的流量过程，相应影响土壤的侵蚀量以及其在不同径流成分的存在，进而影响化学物质在土壤中的存在和运移。
311 大孔隙成因Beven等将土壤大孔隙的成因归结为生物因素、物理因素和化学因素3个方面: 1)生物因素,主要有土壤动物、植物和人类活动.土壤动物如鼠类、蚯蚓和蚂蚁等对土壤的挖掘翻动过程中会形成一些孔道;植物根系的伸延以及腐烂也可形成大孔隙,这类孔隙的孔径多为圆形[14].另外,人类的耕种、砍伐和建造等一系列活动,也可以直接形成大孔隙,或通过对形成大孔隙的外在原因进行干扰,从而形成大孔隙[25]. 2)物理因素,主要指土壤冻融交替和干湿交替.受季节的影响,在干湿交替过程中,土壤随水分增加或减少发生膨胀或收缩,粘质土干燥时,土体收缩会产生裂缝或裂隙状的大孔隙[3].在干燥季节,壤质土和粘质土结构体收缩,在地表产生宽而深的裂隙;而在湿润季节,其结构体膨胀,土壤表面相对紧密闭合[4],因此,这两种土壤的孔隙度在干燥季节达到最大.在寒冷地区,冻融交替是形成大孔隙的主要机制.它与温度变化的幅度和土壤水分状况有关,土壤急剧变化和高含水量有利于孔隙的形成[35].冻融交替形成的大孔隙以裂隙和裂缝为主[1]. 3)化学因素,主要是化学风化使岩石形成碎末,当有水流通过时形成的溶液管道[45].在渗透性很强、非粘性的土壤中,当有水头梯度存在时,可能产生自然土壤通道.其主要原因在于亚表层流对土壤的侵蚀[41],当水流作用于土壤单粒上的力超过土壤结构承受力时,就会形成这类土壤管道[58].土壤大孔隙虽然仅占土壤体积的011% ~5%,却在很大程度上影响着水分及溶质在土壤中的运移[15-16].在不考虑大孔隙存在的情况下,水和溶质在均匀土壤中的运移发生在土壤颗粒或团粒间的孔隙,水流符合达西定律1对于这种基质流,土壤水的流量和溶质的浓度由粒间孔隙的大小和连通性所决定.而在考虑大孔隙存在的情况下,土壤大孔隙中的水流可以不和周围土壤母质中的土壤水分发生相互作用,在极短的时间内移动到深层土壤中,产生大孔隙流.这时,其水分运动规律不再符合达西定律.水及溶质的运移主要由通过大孔隙中的水流决定,特别是在土壤接近饱和的情况下,大孔隙中的水流速度远大于土壤基质流,并且是非达西流[59].以往运移模型由于忽略了大孔隙的存在,低估了土壤的渗透能力,导致实验结果与实际情况有所差异,因此,必须考虑大孔隙的存在.大孔隙及大孔隙流的存在加快了地下水的响应速度.地下水在土壤水还未达到田间持水量时就得到补充,废物放置处渗漏的污染物可通过大孔隙快速到达地下水中,污染地下水;而对于农业生产中施放到土壤表面的营养物质或化学物质来讲,也可通过大孔隙很快进入土壤深处或地下水中,来不及被土壤基质吸附和被植物利用,造成了肥料利用率降低以及地下水的污染.降水或灌溉水在根区下层流动从而降低对植物的有效性.大孔隙的存在增加了土壤的通气性,促进了根系生长,提高了作物产量.同时,由于透气性促进了土壤中微生物的活动,其有利于土壤中植物残渣和农药的分解[20].因此,研究土壤中大孔隙分布、大孔隙流的水流路径与溶解物质的迁移规律对三水(地表水、土壤水和地下水)转化过程中污染物质运移机理的认识,模拟森林流域水分运动、理解壤中流的产生具有重要的理论和实际意义.土壤大孔隙研究的最终目的是调控它,为减少地下水污染、控制养分和水分的流失提供一条新途径.大孔隙(macropore)普遍存在于土壤中,无论是自然土壤还是耕作土壤,其直径大小大于0.03mm，都在某种程度上存在着大孔隙.土壤大孔隙的存在可以导致土壤优先水流和溶质优先迁移的发生,是水分和化学物质快速、远距离运移的主要甚至可能是唯一的通道[22].在流经大孔隙时,土壤水及溶于其中的溶质(如养分、盐分、污染物等)不能与土体发生充分的相互作用,而是直接快速穿透土体进入地下水,即发生了优先迁移(preferential migra-tion)[17,20].其结果造成了地下水的污染、养分流失和灌溉水的浪费[26].因此,研究土壤大孔隙对于提高农业水利用率、开展节水农业、降低农业成本和环境污染控制(尤其是地下水污染防治、土壤污染防治)等方面均具有极为重要的科学意义和实践价值.本文阐述了大孔隙的定义、类型、形成及研究方法,为进一步深入研究土壤大孔隙和土壤优先水流、溶质优先运移提供参考.毛管孔隙又称小孔隙。
水文学原理第八章产流机制研究
P 降水量 E1 降雨期间的截留与蒸发量 E2 储存土壤水的蒸发量 F 下渗水量 Rs 地表径流量 Rsb 壤中径流量 Rg 地下径流量 W1 土层A与B的平均初始蓄水量 W2 土层A与B 时段末平均蓄水量
考察某时段内，包气带的水量平衡要素
P E1+E2
地面
Rs
土层A
F
W12
Rsb
土层B
潜水面
Rg
在降雨过程中，有截留损失和填洼损失。 随降雨过程的持续，土壤湿度增加， 表层土壤的下渗能力减小， 霍顿观测到 超渗地表径流
在降水强度大于土壤下渗能力时产生, 地下径流 在累计下渗量大于土壤缺水量以后产生
霍顿的产流观点——总结成下面两段话
径流的成分有两种，地面径流与地下径流， Rs 对洪水涨落起主要作用， Rg 长期维持河流枯水流量， i > f ，全流域产生地面径流
W1 土层A与B的平均初始蓄水量 W2 土层A与B 时段末平均蓄水量
地表处水量平衡方程
研究时段内， 积水用于蒸发与下渗
地表处 ： ΔW = 0
到达地表的降雨蒸发 E1
地表处水量平衡 方程：
W P F R s E 1 0
PFRs E1
P
E1
地面
Rs
土层A
土层B 潜水面
F W1
下渗水分 F 的再分配
i < f Rs= 0 ; F < D Rg = 0 无径流产生，河流处于原先退水状态 i > f Rs > 0 ; F < D Rg = 0 河流出现尖瘦、涨落段大致对称的洪水过程线
i < f Rs= 0 ; F > D Rg > 0 河流出现矮胖、涨落段大致对称的洪水过程线
第四章土壤孔性
第四章 土壤孔性、结构性和耕性教学重点1．掌握土壤的密度、孔隙度、孔隙比和容重的基本含义2．掌握土壤结构性、结构体的概念3．了解影响耕性的因素难点1. 理解孔隙度、容重与土壤松紧状况之间的相互关系。
2. 掌握土壤孔隙的类型及相应的功能3. 掌握团粒结构的形成过程、机制及其对调节土壤肥力的作用。
第一节 土壤孔性一、土壤相对密度、容重和土壤孔隙度(一)土壤相对密度(soil specific gravity )1、土壤相对密度的概念土壤相对密度过去又称真比重，是指单位体积固体土粒的重量与同体积水重之比。
2、影响土壤相对密度的因素①土壤的矿物组成及矿物所占的比例②有机质含量（二）土壤容重(soil bulk density)1、土壤容重概念自然状况下，单位体积的烘干土重。
单位g/cm3或t/m3表示，它区别于相对密度之处，在于原状土，它包括了孔隙体积，因此又称为假比重。
2、影响土壤容量的因素在内因上受质地、结构、松紧度、有机质含量的影响，砂土容重大于粘土，壤土介于二者之间，土壤疏松容重小，有团粒结构、有机质含量高的土壤容重小。
在外因上受耕作、施肥、降雨、灌溉的影响，因此它是经常变化的。
3、土壤容重在生产上的意义①反映土壤的松紧状况在质地相似的条件下，容重的大小反映土壤的松紧度。
华北耕层土壤容重 孔隙度%＜1.0 最松 ＞60%1.0~1.14 松 60%~56%1.14~1.26 合适 56%~52%1.26~1.30 稍紧 52%－50%＞1.30 紧 ＜50%②计算土壤重量如：测得土壤容重为1.15t/m3，耕层厚度为0.2m, 则1hm2耕层土壤重量为：10000×0.2×1.15 = 2250(t) =2250000(kg)③计算土壤各组分的数量根据土壤重量，可以计算单位面积土壤的水分、有机质、养分和盐分含量等。
如：土壤耕层土壤含水量为5%，要求灌溉后含水量达到25%，则1hm2的灌水定额为：2250000×(25%-5%) =450000(kg)=450(m3)又如：耕层土壤的全氮量为0.5g/kg ，则1hm2土壤耕层全氮量为：2250000×0.5 = 1125(kg)（三）土壤孔隙状况1、土壤孔隙度(soil porosity)是指土壤孔隙的容积占土壤总容积的百分数。
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2.1 土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究¾简要信息【获奖类型】应用一等奖【任务来源】国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、教育部霍英东基金项目等【课题编号】50609005 50309002 50479017 20050294002 101075【课题起止时间】1999年09月01日～2010年8月31日【完成单位】中国水利水电科学研究院华南理工大学珠江水利委员会珠江水利科学研究院河海大学江苏科技大学【主要完成人】冯杰、黄国如、解河海、郝振纯、李致家、杨涛、张东辉、杨志勇、张小娜、尚熳廷¾立项背景由于土壤的干湿作用造成的收缩和膨胀，土壤中可溶性物质的溶解、冻融的循环交替、人类耕种等活动、蚯蚓和啮齿动物的活动、植物根系的生长，土壤中存在着大量的大孔隙。
当土壤中存在大孔隙时，进入土壤中的水及溶质就绕过大部分土壤基质，经过大孔隙快速到达土壤深处或地下水中，即使在土壤基质没有完全饱和的情况下也会发生。
大孔隙中的水流速度远大于土壤基质流，其中水流运动不符合达西定律。
大量的室内和田间实验表明，大孔隙流是土壤中的一种普通存在的现象，而不是一种例外。
近年来，气候变化导致降雨时空分布更加不均匀，干旱灾害频繁发生，农业用水时常不能得到保障，严重威胁到了我国农业生产与粮食安全。
而在当前国家粮食安全形势非常严峻的情况下，保障农业用水是非常重要的。
这就要求一方面必须准确预报土壤墒情，一方面要开展节水灌溉。
研究考虑大孔隙分布的入渗模型和产汇流模型及其解法，可以应用于土壤墒情预报和节水灌溉工作中，不仅可以提高土壤墒情的预测精度，而且可以提高节水效果。
随着农业生产的发展，农业上大量使用化肥和农药，降雨和灌溉都可能使化肥和农药进入土壤中，经过大孔隙快速到达地下水中，污染地下水。
特别是农业生产中施放到土壤表面的营养物质，也随雨水或灌溉水通过大孔隙很快进入土壤深处或地下水中，而来不及被土壤基质吸附和被植物利用，既造成了肥料利用率的降低又造成了地下水的污染。
随着人口增加，经济发展，全国城镇污废水排放量、垃圾排放量、畜禽粪便排放量迅速增加，再加上农村污水排放，这些工业和生活“三废”若不合理弃置，都可能进入土壤中，经过大孔隙污染地下水。
另外，近年来由于水资源匮乏，在我国农村尤其是北方农村大面积进行污水灌溉，经土壤大孔隙污染地下水的现象越来越严重。
因此土壤大孔隙流的研究有助于我们判断合理的废物处置基地和处置方法，采用科学合理的耕作制度和灌溉制度，提高农业水利用效率，降低农业成本，防止造成地下水的污染。
此外，大孔隙流的存在，改变了地表径流、壤中流和地下径流的形成过程和比例，因此开展土壤大孔隙流研究，还可以明确径流机理，提高产汇流预测精度，并对有效开展地表水和地下水资源管理，防止水土流失、地下侵蚀及山体崩塌、泥石流滑坡等具有重要作用。
综合分析研究现状可知：虽然通过大量的室内外实验已对大孔隙流问题有了很多认识，但由于大孔隙流在时间和空间上的极大变化性，仍存在不少难点问题需要解决。
（1）土壤大孔隙空间结构研究：现在对大孔隙结构研究大多数局限于平面或二维结构研究，而对大孔隙空间结构研究得相对较少，而真正影响大孔隙流的是大孔隙的空间结构（大孔隙的空间结构可用大孔隙的水力半径、长度、埋深、弯曲率、倾斜度和单位体积中的数目等参数来表示），因此应通过映像技术、分形理论等，加强对大孔隙空间结构的研究，确定大孔隙空间分布特征。
（2）大孔隙流运动机理研究：由于大孔隙流运动过程的高度非平衡性，以及大孔隙流具有区域特点，所以到目前为止，对于大孔隙流运动机理尚未明确。
包括大孔隙水流运动规律和溶质运移转化规律、大孔隙流与基质流之间的水力联系和溶质运移转化关系；大孔隙空间结构对大孔隙流运动的影响等。
（3）大孔隙流模拟方法研究：鉴于土壤大孔隙流的高度非线性和非稳定问题，以及大孔隙流的尺度效应，需要发展新的模拟方法来解决。
近几年来，我国开展了许多有关大孔隙流的研究工作，并取得了一些成果，但与国际大孔隙流的研究水平相比，还有许多工作要做。
表现在以下两个方面。
对大孔隙结构的研究，仅限于平面或二维结构，还没有发展到空间结构；研究方法以染色法居多，但该方法存在以下不足之处：①不能精确确定大孔隙的大小；②试验结果不能在同一地点重复获得；③所选的染色剂可能对土壤和地下水造成污染。
因此需要采用新的方法和技术对土壤大孔隙空间结构进行研究。
对大孔隙流的研究，仅停留在大孔隙流所表现出的特征，而没有深入研究大孔隙流运动的机理。
对溶质运移的研究，仅限于保守性溶质，还未涉及非保守性溶质。
至于大孔隙流的存在对地下水环境和地表产汇流的影响，也只是做了初步研究。
在国家自然科学基金项目、博士点基金项目、霍英东基金项目和河海大学国家重点实验室开放基金项目、武汉大学国家重点实验室开放基金项目、中国科学院水土保持国家重点实验室开放基金项目和南京水利科学研究院开放流动研究基金项目等支持下，研究团队从研究土壤中大孔隙的几何形状、概率分布、连通网络等因素着手，采用实验和数学模型相结合的方法，研究大孔隙流机理和产汇流模型，分析评价大孔隙流的存在对地下水环境和产汇流的影响，建立一套从土壤微观孔隙和水流分析到宏观土壤水流分析和产汇流分析的研究体系。
¾详细科学技术内容（1）在土壤大孔隙空间结构研究方面：构建主要包括大孔隙的水力半径、长度、埋深、弯曲度、倾斜度和大孔隙网络的分支、密度、配位数、连通性和亏格等在内的描述土壤大孔隙空间结构的指标体系，提出大孔隙土壤CT扫描图像处理技术、大孔隙空间结构识别技术和大孔隙空间结构特征参数分析技术，基于上述技术通过土柱CT扫描试验深入分析土壤大孔隙空间结构分布特征，建立一套土壤大孔隙空间结构特征分析方法。
（2）在确定大孔隙土壤水力参数和溶质运移参数研究方面：采用室内外实验和数学模型相结合的研究方法，确定了土壤大孔隙的饱和导水率和非饱和导水率、含有大孔隙的原状土土壤水分特征曲线和水动力弥散系数，并分析了大孔隙对这些参数的影响，据此提出了大孔隙土壤水力参数和溶质运移参数的确定方法。
（3）在大孔隙土柱水流实验和土槽人工降雨实验研究方面：通过开展一系列含有不同大孔隙土柱的水流实验，深入分析了大孔隙的数量、形状、大小等对土壤水分运移的影响，并分析了土壤质地对含有大孔隙土柱中水分运移的影响。
通过开展一系列土槽系统的人工降雨实验，全面分析了包括植被、坡度和大孔隙分布等下垫面和降雨强度对坡面产汇流及溶质运移的影响。
（4）在考虑大孔隙分布的土壤入渗模型研究方面：将土壤分为大孔隙域和基质域，分别构建土柱尺度和坡面尺度的两域入渗模型，采用LBM方法求解模拟大孔隙流的两域模型，根据土柱水流试验和土槽人工降雨试验资料，验证了LBM方法的有效性。
（5）在含有大孔隙的坡面汇流模型研究方面：在考虑大孔隙的坡面下渗模型的基础上，采用运动波方程来描述坡面汇流，建立坡面尺度的汇流模型，并根据土槽人工降雨实验资料，验证了LBM方法的有效性。
（6）在含有大孔隙的溶质流失模型研究方面：以降雨强度、降雨历时、坡度、大孔隙特征尺度和离子吸附系数等因子为网络输入，以坡面累积溶质流失量为网络模型输出，建立了基于模糊人工神经网络的坡面溶质流失模型，根据土槽人工降雨实验资料，验证了模型的有效性。
（7）在基于大孔隙的流域产汇流模型研究方面：在考虑大孔隙的坡面入渗模型的基础上，采用基于网格的运动波方程建立坡面汇流模型，采用LBM方法进行求解。
河道洪水演进采用线性扩散波方程，同样采用LBM方法求解，最终建立流域尺度的产汇流模型。
将该模型应用于东江流域等验证流域，并与不考虑大孔隙分布的产汇流模型相比，模型模拟的精度进一步提高。
¾发明及创新点（1）提出了基于GIS的大孔隙土壤CT扫描图像处理技术，采用左拐弯和九方向判断相结合的大孔隙空间结构识别技术，以及逐层分析法和向上、向下追踪法相结合的大孔隙空间结构特征参数分析技术，对一系列土柱进行CT扫描，获得了土壤大孔隙空间结构分布特征。
（2）揭示了土壤质地、大孔隙数量、形状、大小等对含有大孔隙的土柱中水分运移的影响，量化了大孔隙分布对坡面产汇流及溶质运移的效应。
（3）建立了考虑土壤大孔隙分布的土柱尺度和坡面尺度的下渗两域模型及产汇流模型，提出了模型求解新方法。
（4）建立了基于网格的运动波方程的坡面汇流模型，提出基于LBM的求解方法，提高了洪水预报的精度。
¾与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较（1）土壤大孔隙空间结构确定技术：现在对大孔隙结构研究大多数局限于平面或二维结构研究，而对大孔隙空间结构研究的相对较少，已有的大孔隙空间结构研究，主要是借助空间分析软件，没有提出明确的技术。
本项目研究并提出大孔隙土壤CT扫描图像处理技术、大孔隙空间结构识别技术和大孔隙空间结构特征参数分析技术，通过CT扫描和采用以上技术，深入分析了土壤大孔隙空间结构分布特征。
（2）大孔隙流运动机理研究：由于大孔隙流运动过程的高度非平衡性，以及大孔隙流具有区域特点，所以到目前为止，对于大孔隙流运动机理尚未明确。
包括大孔隙水流运动规律和溶质运移转化规律、大孔隙流与基质流之间的水力联系和溶质运移转化关系等。
本项目通过室内外实验的开展和数学模型的构建和验证，明确了大孔隙流的运动机理。
（3）大孔隙流模拟技术：鉴于土壤大孔隙流的高度非线性和非稳定问题，以及大孔隙流的尺度效应，现有的模拟技术都不能很好地解决这些问题。
本项目采用LBM方法进行求解，实验和模型验证结果表明，LBM方法可以很好地解决土壤大孔隙流模拟面临的问题。
委托国家图书馆对国内外科技文献检索和查询结果表明：在本报告检索范围内，未见与查新项目“土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究”查新点所述内容相同的国内外公开文献报道。
¾成果应用情况及社会经济效益该项研究成果已经成功应用于黄河流域、淮河流域、松辽流域和珠江流域部分地区的土壤墒情、节水灌溉、水土保持、水环境保护、流域水文预报和水资源规划等工作中，取得了显著的社会经济效益。
具体如下：（1）课题构建的基于土壤大孔隙的入渗模型，应用于黑龙江省查哈阳、音河、巴兰河和满井等灌区，黄河流域的河套灌区、位山灌区、刘庄和潘庄等灌区，新疆阿克苏绿洲，取得了良好的土壤墒情预报效果和土壤节水灌溉预报效果。
课题构建的水土流失预报模型，应用黑龙江省新安、光恩、大顶子山和小湾等小流域水土保持工作中，取得了较好的水土流失预测结果。
（2）课题构建的基于土壤大孔隙的产汇流模型，应用于黄河流域小花间洪水预报、淮河流域洪水预报系统，珠江流域的东江洪水预报，辽宁省和吉林省部分流域洪水预报，提高了洪水预报的精度。
（3）提出的研究成果，已应用于黄河流域、松辽流域和珠江流域部分区域的水资源综合规划、水污染防治规划等多项规划的编制和实施，有效提高了规划编制的科学性和实施的有效性。