基于孔隙尺度模拟的非饱和土壤中气体运移研究

There is a very important practical significance for the research on gases migration in the soil, such as for improving the agricultural production and the ecological environment, preventing and treating the pollutant diffusion, and improving the technology of storage and mining the natural gases. Due to the technical limitations, the study of gas movement in the soil was usually based on experiments and to extract some empirical or semi-empirical models. However, neither these models nor the parameters of these models did not reflect the heterogeneous of soil structure, much less describe the details or mechanism of gas motions. The pore scale modeling developed in recent years can simulate the gas movement from the micro pore scales, which provides a new way to reveal the microcosmic mechanism of macro phenomenon of gas migration in the soil. Using tomography and pore scale modeling method, we will directly simulate gases movement process in the soil and study the mechanism of it. Discussing the influence and mechanism of soil pore structure, water distribution and temperature on gas migration in unsaturated soil, we will propose a general model of gas transport in the soil, so as to provide a basis for accurately assessing and predicting soil environmental conditions and pollution situations, and provide technical support for improving the soil environment and setting up a plan for pollution control.

土壤中气体运移研究对于提高农业生产、改善生态环境、防治污染物扩散及改进天然气地下存储与开采技术等具有非常重要的指导意义。由于技术条件限制，以前人们在研究土壤中气体运移时只能基于实验提出一些经验或半经验公式，这些公式及参数往往都只是宏观平均化的结果，没有真正反映出土壤结构的空间变异性，更无法从细节或机理上描述气体运动状态。近年发展起来的孔隙尺度模拟方法可以从微观孔隙尺度上对气体运移进行模拟，从而为揭示宏观层面土壤中气体运移现象的微观机理提供了新的途径。本项目拟通过X线断层扫描摄影和孔隙尺度模拟方法对土壤中气体运移进行研究，探讨孔隙结构、水的分布及温度等对非饱和土壤中气体运移的影响规律及作用机理，构建土壤中气体运移模型。从而为准确评估和预测土壤环境状况及污染情况提供依据，并为改善土壤环境及防治污染方案的制定提供指导。

项目根据研究计划与目标，开展了非饱和土壤中气体运动的理论模型和定量计算研究，完善了复杂孔隙介质中流体运动研究领域的理论分析和精确数值模拟方法，在复杂孔隙介质中流体运动研究领域的原始创新方面取得了一定的突破进展，提升了我国土壤环境状况评估和预测以及防治土壤污染领域的学术地位和创新能力，促进了多学科的交叉与融合。通过X线断层扫描摄影和孔隙尺度模拟方法对土壤中气体运移进行了研究，探讨了孔隙结构、水的分布及温度等对非饱和土壤中气体运移的影响规律及作用机理，建立了孔隙结构、饱和度与气体运移参数之间的数学模型；对非饱和土壤中流体运移的孔隙尺度模拟方法，包括有限体积法和格子玻尔兹曼方法进行了改进，提出了孔隙尺度上模拟非饱和土壤中水运动的有限体积法和模拟土壤中多组分多相流的格子玻尔兹曼方法，并针对这些方法提出了高性能并行计算的算法，利用这些方法初步探讨了耕作方式、润湿性分布、孔隙结构及渗透率之间的关系，为更进一步研究真实复杂条件下土壤中传热和流动问题提供了基础；建立了一套完整的从样品加工、CT扫描、图片处理、三维重构、二值化、至孔隙结构（孔隙率、连通性、孔隙直径、壁面面积等）分析的方法，并开发了对应的程序软件，提高了X射线CT技术在描述多孔材料物理特征时的效率和可靠性，为精确分析和揭示土壤中多尺度孔隙结构及其中流体输运提供了必要的技术保障。