Анализ гидрофизических свойств почв с использованием поросетевых моделей

Современные физические модели почвы традиционно рассматривают поровое пространство как статичное, однако новые методы визуализации, такие как рентгеновская томография, позволили выявить динамику структуры, которая может интенсивно изменяться под влиянием влажности и температуры. Целью работы является изучение структуры порового пространства с применением поросетевых моделей (ПСМ) и сравнение с методом основной гидрофизической характеристики (ОГХ). Работа основывалась на лабораторном эксперименте по увлажнению и иссушению образцов чернозема миграционно-мицеллярного Курской области с измерением ОГХ и параллельной регистрацией состояния почвенной структуры с использованием рентгеновской компьютерной томографии. Из 3D-изображений почв проведено выделение ПСМ, для которых проведен расчет гидрофизических свойств в масштабе пор, включая моделирование основной гидрофизической характеристики и коэффициента влагопроводности. Результаты сравнения размеров и объемов пор показывают значительное превышение объема пор, который рассчитывался на основе измерения ОГХ, по сравнению с прямым измерением геометрии по компьютерной томографии. Разница в представлении порового пространства выражается в значительных различиях моделирования влагопроводности на основе ПСМ в области низкого и высокого давления влаги (области крупных и мелких пор соответственно) по сравнению с классическим подходом на основе моделирования ОГХ с использованием уравнений ван Генухтена и ван Генухтена-Муалема. При этом кривые относительной ненасыщенной гидравлической проводимости, измеренной с использованием ПСМ и на основе ОГХ, показывают высокую степень схожести. На основании результатов работы продемонстрировано, что моделирование гидрофизических свойств почвы с применением ПСМ является крайне перспективным подходом и имеет потенциал более надежного инструмента для моделирования движения влаги, чем классический подход на основе описания ОГХ уравнением ван Генухтена. Однако фундаментальные различиям между методами оставляют открытым ряд вопросов, требующих ответа прежде, чем метод моделирования гидрофизических свойств почв на основе ПСМ будет широко использоваться.

1. Абросимов К.Н., Герке К.М., Фомин Д.С., Романенко К.А., Корост Д.В. Томография в почвоведении: от первых опытов к современным методам (обзор) // Почвоведение. 2021. Т. 55. №. 9. С. 1097–1112.

2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы определения физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа, 1961. 345 c.

3. Герке К.М., Скворцова Е.Б., Корост Д.В. Томографический метод исследования порового пространства почв: состояние проблемы и изучение некоторых почв России // Почвоведение. 2012. №. 7. С. 781–781.

4. Дедюлина Е.А., Василевский П.Ю., Поздняков С.П. Чувствительность расчетов инфильтрационного питания к параметру связности пор зоны аэрации // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2020. №. 1. С. 81–87.

5. Иванов А.Л., Шеин Е.В., Скворцова Е.Б. Томография порового пространства почв: от морфологической характеристики к структурно-функциональным оценкам // Почвоведение. 2019. №. 1. С. 61–69.

6. Романенко К.А., Абросимов К.Н., Курчатова А.Н., Рогов В.В. Опыт применения рентгеновской компьютерной томографии в исследовании микростроения мерзлых пород и почв // Криосфера Земли. 2017. Т. 21. №. 4. С. 75–81.

7. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.

8. Скворцова Е.Б. Строение порового пространства естественных и антропогенно-измененных почв: Дис. … докт. с.-х. наук, 03.00.27. М., 1999. 397 с.

9. Юдина А.В., Фомин Д.С. Энергия диспергации суглинистых почв до элементарных почвенных частиц с помощью ультразвука // Бюллетень Почвенного института имени ВВ Докучаева. 2023. Вып. 115. С. 87–106. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-115-87-106.

10. Ahrenholz B., Tölke J., Lehmann P., Peters A., Kaestner A., Krafczyk M., Durner W. Prediction of capillary hysteresis in a porous material using lattice-Boltzmann methods and comparison to experimental data and a morphological pore network model // Advances in Water Resources. 2008. Vol. 31. No. 9. P. 1151–1173.

11. Bai H., Zhou X., Zhao Y., Zhao Y., Han Q. Soil CT image quality enhancement via an improved super-resolution reconstruction method based on GAN // Computers and Electronics in Agriculture. 2023. Vol. 213. Art. No. 108177.

12. Ball B.C. Soil structure and greenhouse gas emissions: a synthesis of 20 years of experimentation // European Journal of Soil Science. 2013. Vol. 64. No. 3. P. 357–373.

13. Barbosa L.A.P., Gerke K.M., Gerke H.H. Modelling of soil mechanical stability and hydraulic permeability of the interface between coated biopore and matrix pore regions // Geoderma. 2022. Vol. 410. Art. No. 115673.

14. Bentz J., Patel R.A., Benard P., Lieu A., Haupenthal A., Kroener E. How heterogeneous pore scale distributions of wettability affect infiltration into porous media // Water. 2022. Vol. 14(7). Art. No. 1110.

15. Bernabé Y., Li M., Maineult A. Permeability and pore connectivity: a new model based on network simulations // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2010. Vol. 115. No. B10.

16. Blunt M.J. Flow in porous media–pore-network models and multiphase flow // Current opinion in colloid & interface science. 2001. Vol. 6. No. 3. P. 197–207.

17. Bronick C.J., Lal R. Soil structure and management: a review // Geoderma. 2005. Vol. 124. No. 1–2. P. 3–22.

18. Buades A., Coll B., Morel J.M. Non-local means denoising // Image Processing On Line. 2011. Vol. 1. P. 208–212.

19. Dullien F.A.L. Porous media: fluid transport and pore structure. Academic press, 2012. 598 p.

20. Fagbemi S., Tahmasebi P. Coupling pore network and finite element methods for rapid modelling of deformation // Journal of Fluid Mechanics. 2020. Vol. 897. No. A20.

21. Fan I. The Network Model of Porous Media I. Capillary Pressure Characteristics. Petroleum Transactions // AIME. 1956. Vol. 207. P. 144–159.

22. Fomin D.S., Yudina A.V., Romanenko K.A., Abrosimov K.N., Karsanina M.V., Gerke K.M. Soil pore structure dynamics under steady-state wetting-drying cycle // Geoderma. 2023. Vol. 432. Art. No. 116401.

23. Fomin D., Timofeeva M., Ovchinnikova O., Valdes-Korovkin I., Holub A., Yudina A. Energy-based indicators of soil structure by automatic dry sieving // Soil and Tillage Research. 2021. Vol. 214. Art. No. 105183.

24. Gerke K.M., Karsanina M.V., Sizonenko T.O., Miao X., Gafurova D.R., Korost D.V. Multi-scale image fusion of X-ray microtomography and SEM data to model flow and transport properties for complex rocks on pore-level // SPE Russian Petroleum Technology Conference. SPE. 2017. D023S014R002.

25. Gerke K.M., Khirevich S., Vasilyev R.V, Karsanina M.V., Umarova A.B. Barbosa L.A.P., Korost D.V., Tolstygin K.D., Mallants D., Gerke H.H. Soil hydraulic properties derived from pore-scale simulations: digital assessment of Ksat through model intercomparison and verification with experimental data // Soil and Tillage Research. 2025.

26. Gerke K.M., Sizonenko T.O., Karsanina M.V., Lavrukhin E.V., Abashkin V.V., Korost D.V. Improving watershed-based pore-network extraction method using maximum inscribed ball pore-body positioning // Advances in Water Resources. 2020. Vol. 140. Art. No. 103576.

27. Ghanbarian-Alavijeh B., Liaghat A., Huang G.H., Van Genuchten M.T. Estimation of the van Genuchten soil water retention properties from soil textural data // Pedosphere. 2010. Vol. 20. No. 4. P. 456–465.

28. Gharedaghloo B., Price J.S., Rezanezhad F., Quinton W.L. Evaluating the hydraulic and transport properties of peat soil using pore network modeling and X-ray micro computed tomography // Journal of Hydrology. 2018. Vol. 561. P. 494–508.

29. Gui-Yuan L.I., Hao-Ming F.A.N. Effect of freeze-thaw on water stability of aggregates in a black soil of Northeast China // Pedosphere. 2014. Vol. 24. No. 2. P. 285–290.

30. Hashemi M.A., Khaddour G., François B., Massart T.J. Salager S. A tomographic imagery segmentation methodology for three-phase geomaterials based on simultaneous region growing // Acta Geotechnica. 2014. Vol. 9. P. 831–846.

31. Hunt A.G., Ewing R.P., Horton R. What's wrong with soil physics? // Soil Science Society of America Journal. 2013. Vol. 77(6). P. 1877–1887.

32. Jennings J.B. Capillary pressure techniques: application to exploration and development geology // AAPG Bulletin. 1987. Vol. 71. No. 10. P. 1196–1209.

33. Karsanina M.V., Gerke K.M., Skvortsova E.B., Ivanov A.L., Mallants D. Enhancing image resolution of soils by stochastic multiscale image fusion // Geoderma. 2018. Vol. 314. P. 138–145.

34. Karsanina M.V., Gerke K.M., Skvortsova E.B., Mallants D. Universal spatial correlation functions for describing and reconstructing soil microstructure // PloS one. 2015. Vol. 10. No. 5. e0126515.

35. Kay B.D. Soil structure and organic carbon: a review // Soil processes and the carbon cycle. 2018. P. 169–197.

36. Köhne J.M., Schlüter S., Vogel H.J. Predicting solute transport in structured soil using pore network models // Vadose Zone Journal. 2011. Vol. 10. No. 3. P. 1082–1096.

37. Khirevich S., Höltzel A., Hlushkou D., Tallarek U. Impact of conduit geometry and bed porosity on flow and dispersion in noncylindrical sphere packings // Analytical chemistry. 2007. Vol. 79. No. 24. P. 9340–9349.

38. Lenormand R., Zarcone C., Sarr A. Mechanisms of the displacement of one fluid by another in a network of capillary ducts // Journal of Fluid Mechanics. 1983. Vol. 135. P. 337–353.

39. Li X., Teng Q., Zhang Y., Xiong S., Feng J. Three-dimensional multiscale fusion for porous media on microtomography images of different resolutions // Physical Review E. 2020. Vol. 101(5). Art. No. 053308.

40. Ma S., Mason G. Morrow N.R. Effect of contact angle on drainage and imbibition in regular polygonal tubes // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1996. Vol. 117(3). P. 273–291.

41. Mahabadi N., Dai S., Seol Y., Sup Yun T., Jang J. The water retention curve and relative permeability for gas production from hydrate-bearing sediments: pore-network model simulation // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2016. Vol. 17. No. 8. P. 3099–3110.

42. Miranda-Velez J.F., Leuther F., Koehne J.M., Munkholm L.J. Vogeler I. Effects of freeze-thaw cycles on soil structure under different tillage and plant cover management practices // Soil and Tillage Research. 2023. Vol. 225. Art. No. 105540.

43. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media // Water resources research. 1976. Vol. 12. No. 3. P. 513–522.

44. Øren P.E., Bakke S., Arntzen O.J. Extending predictive capabilities to network models // SPE journal. 1998. Vol. 3(04). P. 324–336.

45. Patzek T.W., Silin D.B. Shape factor and hydraulic conductance in noncircular capillaries: I. One-phase creeping flow // Journal of colloid and interface science. 2001. Vol. 236. No. 2. P. 295–304.

46. Patzek T.W., Kristensen J.G. Shape factor correlations of hydraulic conductance in noncircular capillaries: II. Two-phase creeping flow // Journal of colloid and interface science. 2001. Vol. 236. No. 2. P. 305–317.

47. Rabot E., Wiesmeier M., Schlüter S., Vogel H.J. Soil structure as an indicator of soil functions: A review // Geoderma. 2018. Vol. 314. P. 122–137.

48. Radcliffe D.E., Simunek J. Soil physics with HYDRUS: Modeling and applications. CRC press, 2018, 388 p.

49. Ranaivomanana H., Das G., Razakamanantsoa A. Modeling of hysteretic behavior of soil–water retention curves using an original pore network model // Transport in Porous Media. 2022. Vol. 142. No. 3. P. 559–584.

50. Schlüter S., Leuther F., Vogler S., Vogel H.J. X-ray microtomography analysis of soil structure deformation caused by centrifugation // Solid Earth. 2016. Vol. 7(1). P. 129–140.

51. Tolstygin K.D., Kulygin D.A., Khlyupin A., Romanenko K.A., Gerke K.M. Soil structural transformation under multiple freeze-thaw cycles: comprehensive morphological and topological description // Soil and Tillage research. 2025.

52. Valvatne P.H., Blunt M.J. Predictive pore-scale modeling of two-phase flow in mixed wet media // Water resources research. 2004. Vol. 40(7). W07406.

53. Van Genuchten M.T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil science society of America journal. 1980. Vol. 44. No. 5. P. 892–898.

54. Vogel H.J. A numerical experiment on pore size, pore connectivity, water retention, permeability, and solute transport using network models // European Journal of Soil Science. 2000. Vol. 51. No. 1. P. 99–105.

55. Vogel H.J., Roth K. Quantitative morphology and network representation of soil pore structure // Advances in water resources. 2001. Vol. 24. No. 3–4. P. 233–242.

56. Vogel H.J., Balseiro-Romero M., Kravchenko A., Otten W., Pot V., Schlüter S., Baveye P.C. A holistic perspective on soil architecture is needed as a key to soil functions // European Journal of Soil Science. 2022. Vol. 73. No. 1. e13152.

57. Wu Y., Tahmasebi P., Lin C., Ren L., Dong C. Multiscale modeling of shale samples based on low-and high-resolution images // Marine and Petroleum Geology. 2019. Vol. 109. P. 9–21.

58. Xu R., Prodanović M. Effect of pore geometry on nitrogen sorption isotherms interpretation: A pore network modeling study // Fuel. 2018. Vol. 225. P. 243–255.

59. Yang Y., Wang K., Zhang L., Sun H., Zhang K., Ma J. Pore-scale simulation of shale oil flow based on pore network model // Fuel. 2019. Vol. 251. P. 683–692.

60. Yudina A.V. et al. From the notion of elementary soil particle to the particle-size and microaggregate-size distribution analyses: A review // Eurasian soil science. 2018. Vol. 51. P. 1326–1347.

61. Zubov A.S., Murygin D.A., Gerke K.M. Pore-network extraction using discrete Morse theory: Preserving the topology of the pore space // Physical Review E. 2022. Vol. 106. No. 5. Art. No. 055304.