技術(shù)簡介
該項(xiàng)技術(shù)通過開展一系列土柱CT掃描實(shí)驗(yàn)，得到土柱各橫斷面的CT掃描圖像。利用地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)CT掃描圖像進(jìn)行處理，得到土壤大孔隙二維分布信息，采用大孔隙空間結(jié)構(gòu)識(shí)別技術(shù)和大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析技術(shù)，得到大孔隙空間分布參數(shù)及其分布特征。開展含有大孔隙的室內(nèi)土柱水流試驗(yàn)和土槽人工降雨試驗(yàn)，合理確定大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)，研究不同尺度下大孔隙水流及溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理，分析評(píng)價(jià)大孔隙流的存在對(duì)產(chǎn)匯流的影響。分別構(gòu)建考慮大孔隙分布的土柱尺度和坡面尺度入滲模型（兩域模型），進(jìn)而構(gòu)建坡面尺度和流域尺度的產(chǎn)匯流模型，針對(duì)不同尺度的產(chǎn)匯流以及大孔隙流的高度非線性和非穩(wěn)定性問題，采用格子波爾茲曼方法進(jìn)行求解，根據(jù)室內(nèi)土柱水流試驗(yàn)和土槽人工降雨試驗(yàn)資料，驗(yàn)證了該方法的有效性。通過該項(xiàng)目的研究，形成一套從土壤微觀孔隙和水流分析到宏觀土壤水流分析和產(chǎn)匯流分析的研究體系。
該項(xiàng)技術(shù)主要特點(diǎn)包括：
（1）在土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)研究方面：構(gòu)建主要包括大孔隙的水力半徑、長度、埋深、彎曲度、傾斜度和大孔隙網(wǎng)絡(luò)的分支、密度、配位數(shù)、連通性和虧格等在內(nèi)的描述土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系，提出大孔隙土壤CT掃描圖像處理技術(shù)、大孔隙空間結(jié)構(gòu)識(shí)別技術(shù)和大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析技術(shù)，基于上述技術(shù)通過土柱CT掃描實(shí)驗(yàn)分析土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)分布特征，建立一套土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征分析方法。
（2）在確定大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)研究方面：采用室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的研究方法，確定了土壤大孔隙的飽和導(dǎo)水率和非飽和導(dǎo)水率、含有大孔隙的原狀土土壤水分特征曲線和水動(dòng)力彌散系數(shù)，分析了大孔隙對(duì)這些參數(shù)的影響，提出了大孔隙土壤水力參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的確定方法。
（3）在大孔隙土柱水流實(shí)驗(yàn)和土槽人工降雨實(shí)驗(yàn)研究方面：通過開展一系列含有不同大孔隙土柱的水流實(shí)驗(yàn)，深入分析了大孔隙的數(shù)量、形狀、大小等對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響，并分析了土壤質(zhì)地對(duì)含有大孔隙土柱中水分運(yùn)移的影響。通過開展一系列土槽系統(tǒng)的人工降雨實(shí)驗(yàn)，全面分析了包括植被、坡度和大孔隙分布等下墊面和降雨強(qiáng)度對(duì)坡面產(chǎn)匯流及溶質(zhì)運(yùn)移的影響。
（4）在考慮大孔隙分布的土壤入滲模型研究方面：將土壤分為大孔隙域和基質(zhì)域，分別構(gòu)建土柱尺度和坡面尺度的兩域入滲模型，采用LBM方法求解模擬大孔隙流的兩域模型，根據(jù)土柱水流試驗(yàn)和土槽人工降雨試驗(yàn)資料，驗(yàn)證了LBM方法的有效性。
（5）在含有大孔隙的坡面匯流模型研究方面：在考慮大孔隙的坡面下滲模型的基礎(chǔ)上，采用運(yùn)動(dòng)波方程來描述坡面匯流，建立坡面尺度的匯流模型，并根據(jù)土槽人工降雨實(shí)驗(yàn)資料，驗(yàn)證了LBM方法的有效性。
（6）在含有大孔隙的溶質(zhì)流失模型研究方面：以降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、坡度、大孔隙特征尺度和離子吸附系數(shù)等因子為網(wǎng)絡(luò)輸入，以坡面累積溶質(zhì)流失量為網(wǎng)絡(luò)模型輸出，建立了基于模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的坡面溶質(zhì)流失模型，根據(jù)土槽人工降雨實(shí)驗(yàn)資料，驗(yàn)證了模型的有效性。
（7）在基于大孔隙的流域產(chǎn)匯流模型研究方面：在考慮大孔隙的坡面入滲模型的基礎(chǔ)上，采用基于網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)波方程建立坡面匯流模型，采用LBM方法進(jìn)行求解。河道洪水演進(jìn)采用線性擴(kuò)散波方程，同樣采用LBM方法求解，最終建立流域尺度的產(chǎn)匯流模型。將該模型應(yīng)用于東江流域、無定河流域和遼河流域等驗(yàn)證流域，與不考慮大孔隙分布的產(chǎn)匯流模型相比，模型模擬的精度進(jìn)一步提高。
該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于水文情報(bào)預(yù)報(bào)、土壤墑情預(yù)報(bào)、水土保持、水資源管理和水環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，為國家防洪抗旱、水資源管理、地下水保護(hù)和水土保持等重大問題的解決提供支撐。
技術(shù)指標(biāo)
2012年9月26日，水利部國際合作與科技司在北京組織召開了由中國水利水電科學(xué)研究院等單位共同完成的“土壤大孔隙流機(jī)理及產(chǎn)匯流模型研究”科技成果鑒定會(huì)。包括中國工程院雷志棟和康紹忠院士在內(nèi)的鑒定委員會(huì)專家審閱了相關(guān)資料，聽取了成果完成單位的匯報(bào)，經(jīng)過質(zhì)詢和討論，形成鑒定意見如下： 
提供的技術(shù)資料齊全、規(guī)范，符合科技成果鑒定的有關(guān)要求。 該項(xiàng)目分析了土壤中大孔隙的幾何形狀、概率分布、連通網(wǎng)絡(luò)等特征，研究了土壤大孔隙流機(jī)理及水力特性參數(shù)，構(gòu)建了大孔隙存在條件下的土壤兩域流模型及算法，建立了一套從土壤微觀孔隙和水流分析到宏觀土壤水流和產(chǎn)匯流分析的研究體系。成果已在水文預(yù)報(bào)、土壤墑情預(yù)報(bào)、節(jié)水灌溉、地下水水環(huán)境保護(hù)、水土保持以及水資源評(píng)價(jià)中得到了應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。整體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中基于大孔隙流理論的產(chǎn)匯流模型研究達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
技術(shù)持有單位介紹
該項(xiàng)技術(shù)由中國水利水電科學(xué)研究院、華南理工大學(xué)、珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院、河海大學(xué)、江蘇科技大學(xué)共同開發(fā)。
中國水利水電科學(xué)研究院是從事水利水電科學(xué)研究的公益性研究機(jī)構(gòu)，已建設(shè)成為學(xué)科門類齊全、人才優(yōu)勢明顯的國家級(jí)綜合性水利水電科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的中心。
華南理工大學(xué)是直屬教育部的全國重點(diǎn)大學(xué)，是以工見長，理工結(jié)合，管、經(jīng)、文、法等多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性研究型大學(xué)。
珠江水利科學(xué)研究院是隨水利部珠江水利委員會(huì)一起成立的國家級(jí)科研機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)圍繞珠江的治理、水資源開發(fā)利用和保護(hù)方面開展科研工作
河海大學(xué)是以水利為特色、工科為主、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的教育部直屬全國重點(diǎn)大學(xué)，是國家首批授權(quán)授予學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，實(shí)施國家“211工程”重點(diǎn)建設(shè)、國家優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)以及設(shè)立研究生院的高校。
江蘇科技大學(xué)是一所省部共建、以工為主、特色鮮明的普通高等學(xué)校，是江蘇省重點(diǎn)建設(shè)高校，教育部本科教學(xué)工作水平評(píng)估優(yōu)秀學(xué)校，教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃高校。
應(yīng)用范圍及前景
該項(xiàng)成果已在黃河流域、珠江流域、松遼流域和淮河流域部分區(qū)域的水文預(yù)報(bào)、土壤墑情預(yù)報(bào)、節(jié)水灌溉、地下水水環(huán)境保護(hù)、水土保持以及水資源評(píng)價(jià)中得到了推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益。其中，項(xiàng)目成果應(yīng)用于黃河流域部分灌區(qū)的土壤墑情預(yù)報(bào)和節(jié)水灌溉中，提高了土壤墑情預(yù)報(bào)精度和節(jié)水灌溉效果，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約5000萬元/年。項(xiàng)目成果應(yīng)用于黃河流域部分流域洪水預(yù)報(bào)。提高了洪水預(yù)報(bào)精度，為提高黃河防洪調(diào)度決策水平，確保黃河防汛安全提供了有力支撐。