Международный коллектив ученых впервые сравнил три метода компьютерного моделирования почвы на уровне пор. Результаты исследования показывают, что цифровой двойник почвы корректно работает для прогнозирования ее свойств. Этот подход найдет применение во множестве областей: от нефтегазовой промышленности и материаловедения до почвоведения и гидрологии. Результаты опубликованы в журнале Soil and Tillage Research.
Авторы показали, что разработка и применение «цифрового двойника» почвы открывает новые возможности для неинвазивного исследования и прогнозирования ее свойств. Этот подход позволит предотвращать эрозии и наводнения, прогнозировать запасы воды в различных сценариях выпадения осадков, а также учитывать влияние изменения климата.
«Можно пойти и дальше — на основе разрабатываемых методик можно создавать дизайнерские почвы с идеальными физическими свойствами для определенных культур и условий окружающей среды»,— добавил Кирилл Герке, директор по науке Центра вычислительной физики МФТИ.
Традиционные подходы к изучению почвы, такие как отбор образцов для измерения в лаборатории, являются разрушающими, медленными и потенциально вносят ошибки из-за проблем измерительных протоколов. Более того, экспериментальный метод ограничивает движение воды в почве, блокируя боковые потоки, и не позволяет получить полную информацию о фильтрационных характеристиках пористой среды. Ученые из ЦВФ МФТИ с коллегами предлагают принципиально другой подход к изучению свойств почвы, который позволит исследовать ее виртуально с более полной информацией о свойствах.
Очень важен параметр насыщенной гидравлической проводимости почвы — величина, показывающая, как быстро вода может просачиваться и распределяться по почве. Этот параметр позволят определять продуктивность почвы для сельского хозяйства, риски эрозии и наводнения и способность почвы справляться с экологическими последствиями.
Ученые создали 3D-структуру на уровне пор для трех образцов почвы Суздальского ополья с помощью изображений рентгеновской микротомографии. Они применили три принципиально разных метода моделирования для расчета гидравлической проводимости. Несмотря на то что методы имеют различные фундаментальные подходы, результаты моделирования совпадают по порядку величины с экспериментом. Что подтвердило надежность цифрового моделирования.
Общая схема сравнительной части исследования. Источник: Soil and Tillage Research
Исследователи сравнивали расчетные и экспериментальные значения насыщенной гидравлической проводимости. Модельные значения оказались в 2–10 раз больше полевых. Ученые объясняют, что различия обусловлены ограничениями рентгеновской компьютерной томографии, а также сложностями в создании одинаковых граничных условий в численном и полевом экспериментах. Цифровой подход открыл новые задачи в выявлении причин расхождения, такие как необходимость учета разных масштабов в структуре почвы, выявление органики, расположенной в порах почвы. Благодаря моделированию впервые удалось подчеркнуть анизотропность почвы — ее способность проводить воду по-разному в различных направлениях. Этот эффект сложно исследовать экспериментальными методами.
«Безусловно, как у и 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, в которой происходит фильтрация, меняется. Для учета влияния этих факторов нам необходимо описать динамику структуры при изменении влажности. Совместив две модели: модель фильтрации и динамики структуры, мы сможем впервые детально описать процессы в реальных природных объектах, что будет значительным шагом вперед», — добавил Кирилл Герке.
Исследование демонстрирует потенциал моделирования как надежного и неразрушающего инструмента для исследования почвы.
_______________________________
В работе участвовали ученые из Центра вычислительной физики МФТИ, Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Университета короля Абдаллы (Саудовская Аравия), МГУ, Лейбниц-центра ZALF (Германия), Института почвоведения имени Докучаева и CSIRO (Австралия).
Научная статья: Kirill M. Gerke, Siarhei Khirevich, Roman V. Vasilyev, Marina V. Karsanina, Aminat B. Umarova, Luis Alfredo Pires Barbosa, Dmitry V. Korost, Kirill D. Tolstygin, Dirk Mallants, Horst H. Gerke, Soil hydraulic properties derived from pore-scale simulations: Digital assessment of Ksat through model intercomparison and verification with experimental data, Soil and Tillage Research, Volume 255, 2026, 106790, ISSN 0167-1987, https://doi.org/10.1016/j.still.2025.106790.
