Международный коллектив ученых впервые сравнил три метода компьютерного моделирования почвы на уровне пор, показав, что цифровой двойник почвы корректно прогнозирует ее свойства. Это исследование открывает новые возможности для предотвращения наводнений и эрозий, прогнозирования запасов воды и учета влияния изменения климата, а также найдет применение в нефтегазовой отрасли, материаловедении, почвоведении и гидрологии, передает inbusiness.kz со ссылкой на Naked-Science.
Авторы отмечают, что цифровой двойник позволяет проводить неинвазивные исследования и получать более полное представление о свойствах почвы, чем традиционные методы. Традиционные подходы, такие как отбор образцов для лабораторных измерений, являются разрушающими, медленными и могут вносить ошибки из-за ограничений измерительных протоколов. Кроме того, экспериментальные методы блокируют боковые потоки воды и не позволяют полностью оценить фильтрационные характеристики пористой среды.
"Можно пойти и дальше — на основе разрабатываемых методик можно создавать дизайнерские почвы с идеальными физическими свойствами для определенных культур и условий окружающей среды", — отметил директор по науке Центра вычислительной физики Московского физико-технического университета (МФТИ) Кирилл Герке.
Особое значение для прогнозов имеет параметр насыщенной гидравлической проводимости почвы. Он показывает, как быстро вода может просачиваться и распределяться по почве, и позволяет оценивать продуктивность для сельского хозяйства, риски эрозии и наводнений, а также способность почвы справляться с экологическими последствиями.
Для эксперимента ученые создали 3D-структуру на уровне пор для трех образцов почвы Суздальского ополья с использованием рентгеновской микротомографии. Затем они применили три принципиально разных метода моделирования для расчета гидравлической проводимости. Несмотря на различия в фундаментальных подходах, результаты моделей совпали по порядку величины с экспериментальными данными, подтвердив надежность цифрового моделирования.
Сравнение расчетных и полевых значений показало, что модельные показатели насыщенной гидравлической проводимости оказались в 2-10 раз выше полевых. Ученые объясняют это ограничениями рентгеновской компьютерной томографии и сложностями в создании одинаковых граничных условий между численными и полевыми опытами. Цифровой подход также открыл новые вопросы, включая необходимость учета различных масштабов структуры почвы и выявления органики в порах. Благодаря моделированию впервые удалось подчеркнуть анизотропность почвы — способность проводить воду по-разному в различных направлениях, что сложно исследовать экспериментально.
"Безусловно, как и у любой модели, у нашей тоже есть ограничения. Мы используем статические данные о структуре, полученные с помощью компьютерной томографии при определенном насыщении почвы водой. При изменении влажности структура, через которую фильтруется вода, меняется. Для учета этих факторов нам необходимо описать динамику структуры при изменении влажности. Совместив две модели: фильтрации и динамики структуры, мы сможем впервые детально описать процессы в реальных природных объектах, что станет значительным шагом вперед", — добавил Кирилл Герке.
В исследовании участвовали ученые из Центра вычислительной физики МФТИ, Института физики Земли РАН, Университета короля Абдаллы (Саудовская Аравия), МГУ, Лейбниц-центра ZALF (Германия), Института почвоведения имени Докучаева и CSIRO (Австралия).
Результаты работы опубликованы в журнале Soil and Tillage Research.
Читайте по теме:
Казахстан укрепляет научный подход к исследованию Каспия
