土壤水动力学

请老师批评指正！
T H E P R O F E S S I O N A L P O W E R P O I N T T E M P L AT E
（c）没有加了生物碳的黑土，
（d）加了生物碳的黑土。
尺寸：
400×400×400三维像素
（1.48×1.48×1.48毫米）。
04 图像处理和数值建模
当i =0时，i被定义为（0,0,0）； 当 i=1,2 时 ， i 被 定 义 为
（±1,0,0）；当i = 3,4时，i被定
义为（0，±1，0）;当i = 5,6时， i被定义为（0,0，±1）; 当i = 7 ... 10 时， i 被定义为（±1 ，±1 ， 0）; 当i = 11 ... 14时，i被定义为
样本2
样本3 样本4
03 方法和材料
本研究中使用的两种粘土样品取自中国的两个典型农业区。收集表 土（0-20cm）样品并均匀混合。Ultisol（精细，高岭土）和Vertisol（细，
蒙脱土）的粘土含量分别为28％和49％，总有机碳量分别为2.36和7.60
gkg-1。在室温下风干后，将两种土壤研磨通过2mm筛子。 本研究中使用的木屑生物碳是通过在反应器中在500℃下热解有机木 片2小时而制成的。对于生物碳修正的土壤样品，加入生物碳（4％重量） 并充分混合。然后将修正的和未修正的（对照）土壤样品在25至28℃的
05 结论与讨论
为了计算不同尺度下的渗透率， LB模拟在整个域中心的增量尺度子 域上进行。渗透系数 k 的模拟结果 如右图所示。对于小尺度（ <200 ） 的黑土样品而言，渗透性未显示在 左图中，因为这些渗透性不能进行 水流模拟。生物碳的加入将土壤渗 透性至少提高了一个数量级。来自 红土对照的两种聚集体（重复）的 模拟渗透性值比来自黑土对照的两 个重复样品的模拟渗透性值更接近。 当尺寸大于 200 和 300 （无量纲） 或线性尺寸分别为 0.74 和 1.11mm 时，加入生物碳的红土和没加生物 碳的黑土的透光度几乎相同。
虽然这两种方法对同一流场（由于不同的假设）获得了不同的弯曲度值，但是 来自不同方向的弯曲度的趋势是一致的（表1）。生物炭修改后，两种土壤的曲折 度都显着下降。x，y和z方向的平均弯曲度值减少了20％至30％，这与渗透率的增 加相吻合。上图显示了基于速度场的第一种方法计算出的曲折的尺度依赖性。一般 来说，曲折的尺度依赖性与渗透性的一致。在不同尺度上，较大的弯曲度对应较小 的渗透率。总体而言，生物炭修正大大减少了不同规模的曲折。
其中f是分布函数，ei是沿第i个方向的微观速度。
Biblioteka Baidu 04 图像处理和数值建模
流体粒子的运动由流和碰撞组成：
04 图像处理和数值建模
参数c定义为δx/δt，其中δx是晶格间距，δt是时间步长，t是 与运动粘度有关的无量纲弛豫时间
LB方程恢复了下面的宏观Navier-Stokes方程：
04 图像处理和数值建模
05 结论与讨论
土壤样品x，y和z方向的模拟渗透率与孔隙度的函数关 系。（a）红土。（b）生物碳+红土。（c）黑土。（d） 生物碳+黑土。
广泛应用的 Kozeny-Carman 关系提供了渗透率和孔隙度 之间的经验公式。应用基于 幂律的 Kozeny-Carman 关系拟 合八个不重叠的子体积的模 拟数据，每个子体积具有 200×200×200的像素。观察 到孔隙度和渗透率之间的强 相关性（如右图）。尽管如 此，土壤渗透率并非完全由 孔隙度决定，它也受孔隙尺 寸分布以及孔隙网络的连通 性和曲折性的影响。
Evaluating Hydraulic Properties of Biochar-Amended Soil Aggregates by High-Performance Pore-Scale Simulations
(利用高性能的孔隙模拟法评价生物碳改善土壤团聚体的水力特性)
汇报人：李荣
01 作者简介
05 结论与讨论
半对数坐标轴上速度分布的概率密度函数（PdFs）。U，红 土; UB，红土+生物碳; V，黑土; VB，黑土+生物碳。
为了获得更多深入的信息，我 们绘制了左图中速度大小与平均 流速比值的概率密度函数图。总 体而言，生物碳加入导致归一化 速度的变小，这表明极大的速度 值（相对于平均值）在生物碳修 正后不太可能发生。 这是由于大 孔隙体积的比例增加，并且与之 前的工作（ Siena 等， 2014 ）一致， 其中使用了合成产生的多孔结构。 左图还显示了速度分布的多样性 降低，表明生物碳加入也减少了 孤立和死亡孔隙的数量。
研究方法与材料
03 方法和材料
样本1 Vertisol （ 黑 土 ， 中 国 北 方 的 江 苏 省 （ 34°17'39.4˝N ， 118°25'32.1˝E）） Vertisol （ 黑 土 ， 中 国 北 方 的 江 苏 省 （ 34°17'39.4˝N ， 118°25'32.1˝E））+木屑生物碳 Ultisol （红土，中国南方的浙江省（北纬 30°8'24˝ ，东经 119°58'25˝E）） Ultisol （红土，中国南方的浙江省（北纬 30°8'24˝ ，东经 119°58'25˝E））+木屑生物碳
结
论
与
展
望
06 结论和展望
在这项研究中，从SR-mCT扫描了两种粘质土壤的团聚体。处理图像 数据并将其用作LB方法中的边界条件以量化由于生物碳修正引起的渗 透率变化。虽然在计算的渗透率值中观察到了尺度依赖性，但研究表 明，生物碳的应用使土壤渗透性增加了至少一个数量级，迂曲度降低 了20％到30％，并且导致更均匀的孔隙水速度分布。此外，LB模拟结 果表明，试验样品的渗透性和弯曲性具有很强的各向异性，这很难通 过传统的实验来确定。 SR-mCT是获得高分辨率孔结构信息的非破坏性方法，LB方法可直接 应用于该方法。借助GPU并行计算，可以在给定的处理时间内分析更多 的土壤样本。这项研究是首次结合SR-mCT和高性能LB模拟来研究生物 炭对水力特性的影响。在这项工作中提出的理论和技术对于理解在孔 隙尺度上发生的物理和生物地球化学过程是重要的，这些过程在宏观 模型中是未知的或者代表性很差。
结
论
与
讨
论
05 结论与讨论
在土壤基质中，流动路径 非常曲折和复杂。右图显示
了在生物炭修改前后，对于
红土样品的LB模拟和欧拉数 所产生的水流流线。由于孔 径增大和流动路径的变形减 小，生物炭修正后水流速度
（a）没有修正的红土（Euler编号，28254）和（b）具有生物 碳修正的红土（UB）（Euler编号，-1197）的模拟流水线。
变得更小。生物炭能改良土壤不太曲折的流线，允许更快的水分和养
分移动。在生物炭修正前， Ultisol样品的欧拉数是正值，在生物炭修 正后变为负值。这表明生物炭的添加增加了土壤孔隙的连通性，这与 流线型结果相一致。
05 结论与讨论
渗透性是最重要的土壤水力特性
之一，并与孔结构有关。多年的实验 研究表明，生物碳可以增加粘性土壤 的水力传导率，这是由于生物增加的 土壤孔隙度较高，此表列出了三个主 要方向的计算渗透张量分量。两种测 试土壤的渗透性组分都在 10mD （即 10-14m2 ）的数量级。对于对照，红 土的渗透性组分略高于黑土的渗透性 组分。生物炭修改后，红土的渗透率 增加了近两个数量级，而黑土的渗透 性增加了一个数量级。 kx，ky和kz的 不同值表明我们的样本具有较强的各 向异性。
研
究
背
景
02 研究背景 土壤孔隙结构影响许多土壤功能和过程，并影响持水能 力，机械抵抗力和营养物质的输送。生物碳可以改变土壤 孔隙结构，改善土壤的物理结构和水力特性。基于SR-mCT 和GPU加速LB（三维格子玻尔兹曼法）模拟的结合，开发 了一种量化生物碳修正对土壤水力特性影响的方法。在这 项研究中，SR-mCT被用来获得高分辨率的生物碳修正粘质 土壤团聚体图像然后将其用作三维孔隙几何形状来进行LB 模拟。最后，根据LB模拟结果评估土壤样品的宏观水力特 性。
在每次模拟中，雷诺数保持小于1。然后通过平均整个域中的 孔隙尺度流速u来计算达西速度v。最后，通过达西定律计算渗透 率张量：
04 图像处理和数值建模
弯曲度不能直接测量，它可以通过图像分析或流动和溶质运输建模 来计算。在这项研究中，通过两种方法从流体速度场计算出曲折值。 在第一种方法中
其中u是局部流速的平均值，而uj是平均流动方向上的速度的j分 量，其可以在x，y或z方向上。 这种方法基于一个简单的模型， 其中假定多孔介质等效于一组平行通道。
用累积直方图提高 图像识别的准确性
选择合适的阈值将图 像分为孔隙和固体
在图像分割之前，去 除样本中的环形伪影
将图像裁剪为400400 像素（避免边缘效应）
SR-mCT图像提取并 转化成二进制文件
扫描断层，直接用作 LB模拟的内部边界
04 图像处理和数值建模
（a）没有加生物碳的红土，
（b）加了生物碳修正的红土，
04 图像处理和数值建模
04 图像处理和数值建模
这个模拟是用 TELSA GPU 加 速 器 K80实现的。花了不 到一个小时得到我 们土壤孔隙结构的 收敛渗透率值。相 反，如果在独立CPU 上使用串行代码进 行仿真，则同样的 计算可能需要一周 以上的时间。
使用基于同步加速器的X射线微计算机断层扫描（SRmCT）图像和图形处理单元（GPU）并行计算的渗透 率评估工作流程。
（0，±1，±1）; 当对i = 15 ...
18 时 ， i 被 定 义 为 （ ±1 ， 0 ， ±1）。如左图
格子Boltzmann方法中的d3Q19晶格结构
04 图像处理和数值建模 采用D3Q19 LB模型（三维空间中的 19个速度方 向）模拟体积为400×400×400三维像素（图片尺 寸1.48×1.48×1.48 mm ）的水流量。宏观流体密 度ρ和速度u可以定义为
Hongxiang Zhou Xiuling Yu College of Environmental and Resource Sciences Zhejiang Univ. Hangzhou, 310058, China Cheng Chen Dep. of Mining and Minerals Engineering Virginia Tech Blacksburg, VA 24061 Lingzao Zeng* Shenggao Lu College of Environmental and Resource Sciences Zhejiang Univ. Hangzhou, 310058, China Laosheng Wu Dep. of Environmental Sciences Univ. of California Riverside, CA 92521
样品和生物炭修改前后重复样品的x，y和z方向的渗透 率（k）的标度依赖性。（a）红土（U）。（b）红土+ 生物碳（UB）。（c）黑土（V）。（d）黑土+生物碳 （VB）。两次重复的方向之间没有对应关系。
05 结论与讨论
通过基于平均速度的方法 对生物炭修改前后的样品 和重复样品在z方向上的曲 折度（t）的尺度依赖性。 （a）分别为UB和U。（b） 分别为VB和V。
温室中温育180天。通过每周加入去离子水，使土壤含水量始终保持在
田间持水量的 70 ％左右。温育后，将土壤样品轻轻通过 5mm 筛子。然 后使用光学显微镜选择具有相似尺寸和形状的大颗粒的两个重复用于 SR-mCT分析。
图像处理和数值建模
04 图像处理和数值建模
用SR-mCT扫描 处理团聚体 CT重建，每个聚合物总共获得 20482048像素的720个投影 用滤波反投影 算法重建图像