農(nóng)田土壤表面干縮裂隙形態(tài)分析與數(shù)值模擬.pdf

1、目前，土壤干縮裂隙的發(fā)展規(guī)律以及形成機(jī)理尚不明確，為揭示農(nóng)田土壤表面干縮裂隙發(fā)展規(guī)律以及形成機(jī)理，本文對(duì)農(nóng)田土壤裂隙進(jìn)行了試驗(yàn)研究。應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)農(nóng)田土壤裂隙試驗(yàn)圖像進(jìn)行了二值化、去除噪點(diǎn)、提取裂隙邊緣等處理。閔可夫斯基面積、長(zhǎng)度、歐拉數(shù)3個(gè)可以描述裂隙空間分布以及連通性的形態(tài)參數(shù)作為裂隙定量分析指標(biāo)。對(duì)裂隙試驗(yàn)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹與腐蝕運(yùn)算，分析了運(yùn)算后裂隙試驗(yàn)圖像的面積、長(zhǎng)度、歐拉數(shù)密度的變化規(guī)律。同時(shí)構(gòu)建了基于胡克定律的二維

2、土壤開裂模型，模擬土壤收縮動(dòng)態(tài)開裂的過程。模型假定水分蒸發(fā)是裂隙開裂的主要原因，生成裂隙的土層厚度足夠小。設(shè)置均值為ε，方差為δ2的正態(tài)分布N(ε，δ2）的土壤臨界應(yīng)變隨機(jī)場(chǎng)，并引入摩擦力f作為土壤靜態(tài)粘合力，以及表示土壤彈塑性性能的參數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度n(u)，在由結(jié)點(diǎn)組成的六邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中持續(xù)減小結(jié)點(diǎn)間的距離模擬水分蒸發(fā)，由此引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)受力改變發(fā)生斷裂的過程。本文比較了模擬裂隙圖像與試驗(yàn)圖像面積、長(zhǎng)度、歐拉數(shù)密度。結(jié)果表明:

3、>　　(1)應(yīng)用閔可夫斯基面積、長(zhǎng)度、歐拉數(shù)密度函數(shù)可以有效描述裂隙形態(tài);形態(tài)學(xué)分析結(jié)果顯示裂隙的閔可夫斯基面積、長(zhǎng)度、歐拉數(shù)密度函數(shù)具有不同的變化規(guī)律，其中面積密度函數(shù)表現(xiàn)為0～1之間的增函數(shù);長(zhǎng)度密度函數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律，歐拉數(shù)密度函數(shù)表現(xiàn)為先增大，后減小再增大的變化規(guī)律。
　　(2)運(yùn)用基于胡克定律構(gòu)建的二維土壤開裂模型，模擬由于水分蒸發(fā)而引起土壤收縮開裂過程，計(jì)算采用蒙特卡洛方法模擬獲得裂隙面積、長(zhǎng)度、歐拉數(shù)密

4、度平均值μ以及標(biāo)準(zhǔn)差δ，試驗(yàn)平均密度值基本分布在模擬密度值μ±δ之間，表明模擬結(jié)果較好。
　　(3)試驗(yàn)和模擬面積密度、歐拉數(shù)密度平均值相對(duì)誤差較小，面積密度相對(duì)誤差基本小于10％;歐拉數(shù)密度相對(duì)誤差在15％左右;長(zhǎng)度密度平均值相對(duì)誤差較大，除過38-48 h之間小于10％，其余時(shí)段內(nèi)均大于25％，最大相對(duì)誤差達(dá)到37.38％。應(yīng)用數(shù)值方法模擬土壤表面裂隙，有助于研究農(nóng)田土壤裂隙的形成機(jī)理以及土壤裂隙隨時(shí)間變化過程中動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。