一种基于有限元理论的盐碱裂隙土壤水盐运移模拟方法

本发明属于土壤水盐监测，具体涉及一种基于有限元理论的盐碱裂隙土壤水盐运移模拟方法。

背景技术：

1、土壤盐碱化严重制约着农业生产和发展、土地资源的可持续利用以及生态环境的安全与稳定，预计到2050年，全球将有一半的农田受到盐分积累的影响。土壤水盐运动过程是盐渍土研究的核心问题，土壤水分和盐分耦合迁移特征的监测与预报对制定节水-控盐型灌溉制度具有实践意义。

2、除了土壤盐渍化外，土壤开裂也是与干旱和内涝相关的重要生态和农业问题。土壤内部裂隙在很大程度上会改变水分运动特性、影响土壤的水动力学平衡和能量平衡，导致土壤环境质量降低等诸多潜在风险。在裂隙土壤中，裂隙几何形状是影响土壤水分运动和溶质运移的关键因素，裂隙土壤中水流运动的精准分析更具有实际意义。

3、目前关于土壤水盐运移监测多采用田间取样法测定，在数值模拟方面，忽略了不同因素产生的交互效应，例如土壤水分-盐分以及裂隙-基质的相互作用没有被充分考虑，这就使得模拟结果与农田实际相脱节，导致无法利用模型对农田水盐迁移分布特性进行精准分析。

4、因此，需要一种能够对裂隙土壤迁移分布特性进行精准模拟分析的方法。

技术实现思路

1、鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于有限元理论的盐碱裂隙土壤水盐运动模拟方法，构建综合考虑水分-盐分以及裂隙-基质交互影响的土壤水盐运移模型，解决了实际复杂农田土壤水盐状况无法精准分析的难题。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于有限元理论的盐碱裂隙土壤水盐运移模拟方法，包括以下步骤：

4、s1、获得土壤水力参数；

5、s2、基于comsol平台构建模型，具体包括以下子步骤：

6、s21、基于水分-盐分以及土壤基质-裂隙的交互影响，利用非线性理查兹方程构建水流模块，对多孔介质中水分运动形态进行描述；

7、s22、引入立方定律对裂隙中水体运动方程以及质量交换进行描述，利用立方定律构建裂隙流模块；

8、s23、考虑定水头条件下含盐裂隙土中水的饱和-不饱和流动以及可变饱和土中溶质的对流和扩散，利用流弥散方程构建溶质运移模块；

9、s3、将步骤s1获得的土壤水力参数输入至步骤s2建立的模型，利用模型对盐碱裂隙土壤的入渗水流形态、土壤剖面水盐分布特征进行模拟计算，从而完成对水流运动的刻画；其中，所述水流运动刻画包括水流形态、水分分布和盐分分布；

10、s4、实时监测土壤水分和盐分含量，获取土壤剖面水分和盐分分布特征，得到实际水盐运移监测结果，将步骤s3模型模拟的水盐运移结果与实际水盐运移监测结果进行对比分析，验证模型可靠性。

11、进一步地，所述s1中土壤水力参数包括水动力粘度、扩散系数、形态参数、水密度、导水率、基质/裂隙孔隙度、孔隙连通性、裂隙粗糙度和裂隙孔径。

12、更进一步地，所述s21中，采用非线性理查兹方程对多孔介质中水分运动形态进行描述，裂隙和土壤基质具有不同的性质导致裂隙中水流形态复杂，其土壤基质和裂隙特性分别为：

13、 ；

14、；

15、其中， m和 f分别表示土壤基质和裂隙； s e为有效饱和度； km和表示饱和固有渗透率（m2）； k m( h)和为相对渗透率（m2）； ϕ表示土壤基质水势（m），为压力势和重力势之和；表示裂隙水势（m）； cm和表示比水容量（1/m）；和为源项（1/s）； s m和 s f表示单位储水量（1/m）；∇为梯度算子；为限制在裂隙切面上的梯度算子；为裂隙孔径（m）；为水密度（kg/m3）； g为重力加速度（m/s2）；为动力粘滞度（pa∙s）； t为时间（s）；

16、土壤含水量和之间的关系由van genuchten模型描述，水力传导率函数用于计算，土壤水分函数和导水率具体如下：

17、 ；

18、 ；

19、其中，为体积含水率（cm3/cm3）；和分别为残余含水率和饱和含水率（cm3/cm3）；为土壤水分特征曲线中形状系数； l为描述土壤孔隙空间弯曲度和连通性的参数；表示为土壤负压（m）； k( h)、分别表示导水率和饱和导水率。

20、更进一步地，所述s22中，引入立方定律对裂隙中水体运动方程以及质量交换进行描述：

21、裂隙和基体之间的水量交换通过裂缝壁和末端发生，在裂隙土壤中，从裂隙端进入的水量远小于从裂隙壁进入的水量；因此，假设水只能通过裂缝壁进入，忽略通过裂隙端的水量，假设两个裂缝壁由于距离较近而具有相同的水力特性，则从土壤基质进入裂隙内的水量取决于垂直于裂隙壁的水力梯度，具体如下：

22、 ；

23、 ；

24、其中， n为裂隙的垂直方向；和分别表示上裂隙面和下裂隙面与基质的水分交换量，；水流通道导水率为：

25、 ；

26、其中，为粗糙系数；

27、土壤基质和裂隙的固有渗透率与导水率有关，如下式：

28、 ；

29、其中，表示土壤基质或裂隙的导水率。

30、更进一步地，所述s23中，利用流弥散方程构建溶质运移模块：

31、考虑定水头条件下含盐裂隙土中水的饱和-不饱和流动以及可变饱和土中溶质的对流和扩散，裂隙土壤中溶质迁移涉及土壤基质和裂隙之间的扩散、互作以及物质交换，具体如下：

32、 ；

33、 ；

34、其中， c为盐分浓度（mol/m3）； u为水流速度（m/s）； d为有效扩散系数（m2/s）； r为滞后系数；为反应项，其中 λ表示裂隙和基质的一级反应速率（1/s），下标 m和 f分别表示土壤基质和裂隙。

35、本发明的有益效果是：

36、本发明盐碱裂隙土壤水盐运移模拟方法，针对盐碱土分布广泛的现状，以及土壤裂隙存在的事实，基于有限元理论构建了具有物理意义、综合考虑水分-盐分以及裂隙-基质交互影响的土壤水盐运移数值模型，在创建模型过程中集成理查兹方程、对流弥散方程和立方定律，分别涉及到水流模块、溶质运移模块和裂隙流模块，在土壤水盐运动计算过程中考虑了裂隙的影响，考虑了水分-盐分以及土壤基质-裂隙的交互影响，获取了复杂土壤环境下土壤水力参数，解决了实际复杂农田土壤水盐状况无法精准预报的问题；

37、建模过程中，打破传统模型中多重因子互相独立的假设，并设置多种情景同时以有限元理论为基础进行网格划分，理论基础更完善且更具有客观性。引入立方定律对裂隙中水体运动方程以及质量交换进行描述，进一步刻画了定水头条件下的裂隙土水流运动和溶质运移，更大程度地还原了田间实际情况。进一步将理查兹方程和对流弥散方程进行统一，考虑了定水头条件下含盐裂隙土中水的饱和-不饱和流动以及可变饱和土中溶质的对流和扩散，对入渗过程中水分运动对土壤导水率以及溶质运移的影响进行描述；

38、本发明在土壤水分运动刻画过程中考虑了盐分和裂隙存在的影响、在土壤盐分运动刻画过程中考虑了水分和裂隙存在的影响，为盐碱裂隙土壤水流运动过程的计算提供了新思路，可提高水流运动计算的准确性，对富盐裂隙土壤中水分和盐分的运动过程具有高精度预报潜力，同时具有向复杂裂隙网络扩展延伸的潜力，有望对地区水分管理和盐分调控提供更加准确的指导。