中文摘要：

已有结果表明农田土壤干缩裂隙在土壤优先流、溶质运移和环境污染物的迁移方面具有重要地位。本项目通过直接与间接的实验方法,研究农田土壤干缩裂隙的量化评价指标，揭示其形态结构及空间变化规律，并建立随机网络模型模拟验证；从土壤质地、裂隙的连续性和弯曲性等三个方面研究裂隙网络结构及其对土壤优先流的产生和影响，并考虑水流入渗时土壤膨胀引起裂隙的闭合过程，建立土壤裂隙网络的优先流以及溶质运移数学模型；研究土壤裂隙与土壤基质相互作用机理，将土壤裂隙随机网络水分和溶质运移模型与非稳态土壤水流模型结合，建立基于土壤裂隙网络与连续介质的耦合模型。研究结果将提高对非饱和土壤水分运动以及溶质运移规律的认识，对于指导农业灌溉，提高农业用水效率有着重要的应用价值。

结论摘要：

土壤在干燥失水条件下产生体积收缩的现象，从而形成了错综复杂的裂缝网络，这种裂缝结构对非饱和水分运移、溶质或污染物迁移、灌溉水利用效率和包气带水源质量产生重要影响。本项目主要通过室内、田间试验和模拟分析的方法对土壤裂缝网络进行量化表征与随机模型构建，采用染色示踪法研究了裂缝优先流和溶质运移规律，构建了土壤裂缝随机网络水分和溶质运移耦合模型。项目主要成果如下（1）采用裂缝基本几何参数和网络特征参数作为裂缝量化指标，揭示了裂缝网络几何参数随土壤含水率的“S”型变化规律和裂缝网络的正六边形和“T”型正交分布规律，获取了裂缝交叉角度统计的两个峰值100°和160°；（2）采用室内模拟与室外监测的方法，分析了土壤质地、根系含量、盐分含量、干湿循环级数和灌水强度五个指标对裂缝发育过程的影响规律，结果表明粘土形成的裂缝网络更加完整，其裂缝的网络连通性高于0.9，而壤土裂缝网络连通性仅为0.5；根系和盐分含量分别对裂缝的发育存在一定的抑制和促进作用；干湿效应对裂缝影响主要集中在前2级循环，其影响随着级数的增加而趋于稳定；灌水强度对开裂含水率、增湿过程长度密度和连通性存在一定的影响；（3）基于数字图像处理技术和形态学理论，提出了一套由灰阶分割、形态学操作和参数提取计算三个模块组成的裂缝网络识别计算方法；（4）提出了一种用正态分布描述土壤表面裂缝形态的动态变化规律，模拟了裂缝面积密度、长度密度在不同含水率下的分布规律，构建了土壤裂缝网络随机分布模型；（5）研究了土壤在干燥、浸润过程中裂缝形态变化规律的差异性，揭示了增湿过程较开裂过程的滞后性；（6）采用示踪实验揭示了土壤裂缝形态对非饱和水分及溶质运移的影响，对土壤含水率分布、溶质浓度分布、入渗均匀度和优先流指数进行了评价；（7）分析了土壤优先流特征随着作物生育期、初始含水率和植株布局等初始条件变化时所呈现的规律性；（8）提出了一种基于入渗速率控制的裂缝优先流入渗模型，揭示了表面入渗率、径流量和裂缝内部入渗率随时间的变化规律；（9）对传统的渗透模型进行了改进，构建了一种基于实际裂缝网络形态及浸水闭合规律的裂缝网络与连续介质的水分、溶质迁移耦合模型。研究成果揭示了裂缝的形态特征和发育规律，提高了对裂缝浸水闭合规律、裂缝优先流和土壤溶质迁移的认识，其成果对于指导农业灌溉决策、提高灌水利用效率和控制地下水污染具有重要的应用价值。