土壤水動力學

1、Evaluating Hydraulic Properties of Biochar-Amended Soil Aggregates by High-Performance Pore-Scale Simulations(利用高性能的孔隙模擬法評價生物碳改善土壤團聚體的水力特性)匯報01 作者簡介作者簡介Hongxiang Zhou Xiuling YuCollege of Environmentaland Resource Sciences Zhejiang Univ.Hangzhou, 310058, China Cheng ChenDep. of Miningand Minerals En

2、gineering Virginia TechBlacksburg, VA 24061 Lingzao Zeng* Shenggao LuCollege of Environmentaland Resource Sciences Zhejiang Univ.Hangzhou, 310058, China Laosheng WuDep. of Environmental Sciences Univ. of CaliforniaRiverside, CA 92521.研究背景.02 研究背景研究背景土壤孔隙結(jié)構(gòu)影響許多土壤功能和過程，并影響持水能力，機械抵抗力和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送。生物碳可以改變土壤孔

3、隙結(jié)構(gòu)，改善土壤的物理結(jié)構(gòu)和水力特性?；赟R-mCT和GPU加速LB（三維格子玻爾茲曼法）模擬的結(jié)合，開發(fā)了一種量化生物碳修正對土壤水力特性影響的方法。在這項研究中，SR-mCT被用來獲得高分辨率的生物碳修正粘質(zhì)土壤團聚體圖像然后將其用作三維孔隙幾何形狀來進行LB模擬。最后，根據(jù)LB模擬結(jié)果評估土壤樣品的宏觀水力特性。.研 究 方 法 與 材 料.03 方法和材料方法和材料樣本1Vertisol（黑土，中國北方的江蘇?。?41739.4N，1182532.1E）樣本2Vertisol（黑土，中國北方的江蘇省（341739.4N，1182532.1E）+木屑生物碳樣本3Ultisol（紅土，中

4、國南方的浙江?。ū本?0824，東經(jīng)1195825E）樣本4Ultisol（紅土，中國南方的浙江省（北緯30824，東經(jīng)1195825E）+木屑生物碳.03 方法和材料方法和材料本研究中使用的兩種粘土樣品取自中國的兩個典型農(nóng)業(yè)區(qū)。收集表土（0-20cm）樣品并均勻混合。Ultisol（精細，高嶺土）和Vertisol（細，蒙脫土）的粘土含量分別為28和49，總有機碳量分別為2.36和7.60 gkg-1。在室溫下風干后，將兩種土壤研磨通過2mm篩子。本研究中使用的木屑生物碳是通過在反應(yīng)器中在500下熱解有機木片2小時而制成的。對于生物碳修正的土壤樣品，加入生物碳（4重量）并充分混合。然后將修正

5、的和未修正的（對照）土壤樣品在25至28的溫室中溫育180天。通過每周加入去離子水，使土壤含水量始終保持在田間持水量的70左右。溫育后，將土壤樣品輕輕通過5mm篩子。然后使用光學顯微鏡選擇具有相似尺寸和形狀的大顆粒的兩個重復用于SR-mCT分析。.圖像處理和數(shù)值建模.用SR-mCT掃描處理團聚體04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模CT重建，每個聚合物總共獲得20482048像素的720個投影用濾波反投影算法重建圖像在圖像分割之前，去除樣本中的環(huán)形偽影將圖像裁剪為400400像素（避免邊緣效應(yīng)）SR-mCT圖像提取并轉(zhuǎn)化成二進制文件掃描斷層，直接用作LB模擬的內(nèi)部邊界用累積直方圖提高圖像識

6、別的準確性選擇合適的閾值將圖像分為孔隙和固體.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模（a）沒有加生物碳的紅土，（b）加了生物碳修正的紅土，（c）沒有加了生物碳的黑土，（d）加了生物碳的黑土。尺寸：400400400三維像素（1.481.481.48毫米）。.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模當i =0時，i被定義為（0,0,0）；當 i = 1 , 2 時 ， i 被 定 義 為（1,0,0）；當i = 3,4時，i被定義為（0，1，0）;當i = 5,6時，i被定義為（0,0，1）; 當i = 7 . 10時，i被定義為（1，1，0）; 當i = 11 . 14時，i被定義為（0

7、，1，1）; 當對i = 15 . 18時，i被定義為（1，0，1）。如左圖格子Boltzmann方法中的d3Q19晶格結(jié)構(gòu).04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模采用D3Q19 LB模型（三維空間中的19個速度方向）模擬體積為400400400三維像素（圖片尺寸1.481.481.48 mm）的水流量。宏觀流體密度和速度u可以定義為其中f是分布函數(shù)，ei是沿第i個方向的微觀速度。.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模流體粒子的運動由流和碰撞組成：.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模參數(shù)c定義為x/t，其中x是晶格間距，t是時間步長，t是與運動粘度有關(guān)的無量綱弛豫時間LB方程

8、恢復了下面的宏觀Navier-Stokes方程：.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模在每次模擬中，雷諾數(shù)保持小于1。然后通過平均整個域中的孔隙尺度流速u來計算達西速度v。最后，通過達西定律計算滲透率張量：.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模彎曲度不能直接測量，它可以通過圖像分析或流動和溶質(zhì)運輸建模來計算。在這項研究中，通過兩種方法從流體速度場計算出曲折值。在第一種方法中其中u是局部流速的平均值，而uj是平均流動方向上的速度的j分量，其可以在x，y或z方向上。 這種方法基于一個簡單的模型，其中假定多孔介質(zhì)等效于一組平行通道。.04 圖像處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模.04 圖像

9、處理和數(shù)值建模圖像處理和數(shù)值建模使用基于同步加速器的X射線微計算機斷層掃描（SR-mCT）圖像和圖形處理單元（GPU）并行計算的滲透率評估工作流程。這 個 模 擬 是 用TELSA GPU加速器K80實現(xiàn)的?；瞬坏揭粋€小時得到我們土壤孔隙結(jié)構(gòu)的收斂滲透率值。相反，如果在獨立CPU上使用串行代碼進行仿真，則同樣的計算可能需要一周以上的時間。.結(jié)論與討論.05 結(jié)論與討論結(jié)論與討論（a）沒有修正的紅土（Euler編號，28254）和（b）具有生物碳修正的紅土（UB）（Euler編號，-1197）的模擬流水線。 在土壤基質(zhì)中，流動路徑非常曲折和復雜。右圖顯示了在生物炭修改前后，對于紅土樣品的LB模

10、擬和歐拉數(shù)所產(chǎn)生的水流流線。由于孔徑增大和流動路徑的變形減小，生物炭修正后水流速度變得更小。生物炭能改良土壤不太曲折的流線，允許更快的水分和養(yǎng)分移動。在生物炭修正前，Ultisol樣品的歐拉數(shù)是正值，在生物炭修正后變?yōu)樨撝?。這表明生物炭的添加增加了土壤孔隙的連通性，這與流線型結(jié)果相一致。.05 結(jié)論與討論結(jié)論與討論滲透性是最重要的土壤水力特性之一，并與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。多年的實驗研究表明，生物碳可以增加粘性土壤的水力傳導率，這是由于生物增加的土壤孔隙度較高，此表列出了三個主要方向的計算滲透張量分量。兩種測試土壤的滲透性組分都在10mD（即10-14m2）的數(shù)量級。對于對照，紅土的滲透性組分略高于黑土

11、的滲透性組分。生物炭修改后，紅土的滲透率增加了近兩個數(shù)量級，而黑土的滲透性增加了一個數(shù)量級。 kx，ky和kz的不同值表明我們的樣本具有較強的各向異性。.05 結(jié)論與討論結(jié)論與討論土壤樣品x，y和z方向的模擬滲透率與孔隙度的函數(shù)關(guān)系。（a）紅土。（b）生物碳+紅土。（c）黑土。（d）生物碳+黑土。廣泛應(yīng)用的Kozeny-Carman關(guān)系提供了滲透率和孔隙度之間的經(jīng)驗公式。應(yīng)用基于冪律的Kozeny-Carman關(guān)系擬合八個不重疊的子體積的模擬數(shù)據(jù)，每個子體積具有200200200的像素。觀察到孔隙度和滲透率之間的強相關(guān)性（如右圖）。盡管如此，土壤滲透率并非完全由孔隙度決定，它也受孔隙尺寸分布以

12、及孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性和曲折性的影響。.05 結(jié)論與討論結(jié)論與討論半對數(shù)坐標軸上速度分布的概率密度函數(shù)（PdFs）。U，紅土; UB，紅土+生物碳; V，黑土; VB，黑土+生物碳。為了獲得更多深入的信息，我們繪制了左圖中速度大小與平均流速比值的概率密度函數(shù)圖。總體而言，生物碳加入導致歸一化速度的變小，這表明極大的速度值（相對于平均值）在生物碳修正后不太可能發(fā)生。 這是由于大孔隙體積的比例增加，并且與之前的工作（Siena等，2014）一致，其中使用了合成產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)。 左圖還顯示了速度分布的多樣性降低，表明生物碳加入也減少了孤立和死亡孔隙的數(shù)量。.05 結(jié)論與討論結(jié)論與討論樣品和生物炭修改前后

13、重復樣品的x，y和z方向的滲透率（k）的標度依賴性。（a）紅土（U）。（b）紅土+生物碳（UB）。（c）黑土（V）。（d）黑土+生物碳（VB）。兩次重復的方向之間沒有對應(yīng)關(guān)系。為了計算不同尺度下的滲透率，LB模擬在整個域中心的增量尺度子域上進行。滲透系數(shù)k的模擬結(jié)果如右圖所示。對于小尺度（200）的黑土樣品而言，滲透性未顯示在左圖中，因為這些滲透性不能進行水流模擬。生物碳的加入將土壤滲透性至少提高了一個數(shù)量級。來自紅土對照的兩種聚集體（重復）的模擬滲透性值比來自黑土對照的兩個重復樣品的模擬滲透性值更接近。當尺寸大于200和300（無量綱）或線性尺寸分別為0.74和1.11mm時，加入生物碳的紅

14、土和沒加生物碳的黑土的透光度幾乎相同。.05 結(jié)論與討論結(jié)論與討論通過基于平均速度的方法對生物炭修改前后的樣品和重復樣品在z方向上的曲折度（t）的尺度依賴性。（a）分別為UB和U。（b）分別為VB和V。雖然這兩種方法對同一流場（由于不同的假設(shè)）獲得了不同的彎曲度值，但是來自不同方向的彎曲度的趨勢是一致的（表1）。生物炭修改后，兩種土壤的曲折度都顯著下降。x，y和z方向的平均彎曲度值減少了20至30，這與滲透率的增加相吻合。上圖顯示了基于速度場的第一種方法計算出的曲折的尺度依賴性。一般來說，曲折的尺度依賴性與滲透性的一致。在不同尺度上，較大的彎曲度對應(yīng)較小的滲透率。總體而言，生物炭修正大大減少了不同規(guī)模的曲折。.結(jié)論與展望.06 結(jié)論和展望結(jié)論和展望在這項研究中，從SR-mCT掃描了兩種粘質(zhì)土壤的團聚體。處理圖像數(shù)據(jù)并將其用作LB方法中的邊界條件以量化由于生物碳修正引起的滲透率變化。雖然在計算的滲透率值中觀察到了尺度依賴性，但研究表明，生物碳的應(yīng)用使土壤滲透性增加了至少一個數(shù)量級，迂曲度降低了20到30，并且導致更均勻的孔隙水速度分布。此外，LB模擬結(jié)果表明，試驗樣品的滲透性和彎曲性具有很強的各向異性，這很難通過傳統(tǒng)的實驗來確定。SR-mCT是獲得高分辨率孔結(jié)構(gòu)信息的非破壞性方法，LB方法可直接應(yīng)用于該方法。借助GPU并行計算，可以在