一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统和方法，包括马氏瓶，马氏瓶与安装在土柱罐中的降雨器管路连接，土柱罐为竖直的柱形体，上下两端密闭，罐内下侧为土柱，上侧为降雨空间，顶端设置所述的降雨器，降雨器与土柱保持一定距离，土柱罐侧面有土柱的部分设置土壤水分监测装置和空气压力测定装置，降雨空间部分设置水气收集装置。本发明专利技术更加真实地模拟流域降雨入渗产流过程，测定结果可为空气阻力对降雨入渗产流影响机理研究提供支撑。所述方法修正了Green‑Ampt模型，引入了饱和度系数量化了滞留空气对土壤含水量和土壤导水系数的影响，引入了进水值，量化了禁锢空气产生的空气压力对土壤水势的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统和方法
本专利技术涉及一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统和方法，是一种水文领域中，针对降雨在土壤中入渗过程的模拟系统和方法。
技术介绍
分析流域降雨-入渗-产流间的内在关系，实现流域产汇流过程的模拟，在水资源评价和管理、防洪减灾等领域应用广泛。降水进入土壤的过程中，水分不断进入土壤，土壤中的空气很难及时排出土体，空气被禁锢在土壤内，被禁锢在土壤中的空气阻碍了降雨在土壤中的入渗。禁锢空气的存在，导致湿润区的土壤孔隙一部分还残留着空气，土壤实际含水量和土壤实际导水系数均小于土壤饱和含水量和饱和导水系数；另外，禁锢空气产生的压力也影响了湿润锋处实际水头，湿润锋处实际水头为禁锢空气压力和土壤水吸力之差。当前，大部分降雨入渗产流模型均认为降雨过程中雨强恒定、土壤均质和无空气阻力，导致模型出现模拟失真、精度不高等问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统和方法。所述系统可以更加真实地模拟流域降雨入渗产流过程，测定结果可为空气阻力对降雨入渗产流影响机理研究提供支撑。所述方法修正了Green-Ampt(格林-安姆)模型，方法中引入了饱和度系数(Sθ、Sk)量化了滞留空气对土壤含水量和土壤导水系数的影响，引入了进水值(hab)和进水值(hwb)量化了禁锢空气产生的空气压力对土壤水势的影响。同时，所述系统和方法充分考虑了土壤分层特征和降雨非稳定性，改善了模拟失真问题，提高了模拟精度。本专利技术的目的是这样实现的：一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗产流测定系统，包括马氏瓶供水装置，所述的马氏瓶供水装置与降雨器管路连接，所述的降雨器下部为有机玻璃土柱，所述有机玻璃土柱为竖直的柱形体，下端密闭，内填充土样，降雨器与土样之间为降雨空间，所述的有机玻璃土柱侧面设置土壤水分监测装置，所述的降雨器和有机玻璃土柱之间密封连接，使有机玻璃土柱和降雨器形成完整的密封体；用以收集密封体内所有空气和水分的集水集气管设置在降雨空间中的土样表面处，所述的集水集气管与水气收集装置管路连接，所述的有机玻璃土柱侧面按照不同的高度设置测定空气压力的U型管。进一步的，所述马氏瓶供水装置包括：封闭的圆筒形有机玻璃的瓶体，所述的瓶体下侧设置供水口，瓶体顶部设置插入瓶内水中并带有调节阀的导气管，和用于注水的导水管，所述的导水管上设有开关阀，所述瓶体上设有校准瓶体水平的水准泡。进一步的，所述的水气收集装置包括：与所述罐体降雨空间部分连通的水气集管，所述的水气集管插入密闭的集水瓶底部，所述的集水瓶顶部设置U型导气管，所述U型导气管与密闭的集气瓶下半部分连通，所述的集气瓶底部设有用于排水的U型导水管，所述U型导水管出口与所述U型导气管在集气瓶上的进口保持在同一水平面内。一种使用上述系统的考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定方法，所述方法的步骤如下：土壤分层的步骤：用于使用不同质地的土壤分层填充所述的有机玻璃土柱，形成剖面分为多层的土壤土样，同一层内土壤水分特征参数相同，所述的土壤水分特征参数包括：土壤初始含水量、饱和导水系数、土壤饱和含水量、田间持水量、进气值和进水值；降雨过程分段的步骤：用于在使用所述的降雨器进行模拟降雨，并将降雨过程分为连续的多个相等时段，每个时段内降雨强度恒定；确定湿润锋处实际水头的步骤：用于考虑空气阻力作用并基于对每层土壤理化性质的分析，引入各层土壤的土壤进气值hab和土壤进水值hwb：确定实际湿润锋处土壤水的水头SWwf：SWwf＝SWcf－SWaf式中：SWcf为湿润锋处土壤水吸力，SWcf＝hab；SWaf为湿润锋处禁锢空气压力，SWaf＝0.5(hab+hwb)；可得：SWwf＝hab-0.5(hab+hwb)；进一步确定为湿润锋处总水头HL：HL＝－L－(SWcf－SWaf)HL＝-L-hab+0.5(hab+hwb)式中：L为湿润锋到土壤表层距离；引入饱和度系数(Sθ,n、Sk,n)，确定湿润锋以上各层土壤实际含水量θs,n和实际导水系数ka,n：θa,n＝Sθ,n·θs,nka,n＝Sk,n·ks,n式中：ks,n为饱和导水系数；θs,n为土壤饱和含水量；Sθ,n、Sk,n分别为土壤饱和含水量、土壤饱和导水系数所对应的饱和度系数；n为湿润锋以上土壤层数；降雨入渗产流过程分析的步骤：根据时段初积水深度、本时段内降雨强度、本时段积水入渗率，分入渗过程为积水入渗过程和非积水入渗过程进行分析，分时段、分情景考虑降雨入渗产流过程，所述的情景包括情景a、情景b、情景c、情景d四种：情景a：h0＝0，其中，h0为时段初积水深度，I为雨强，为湿润区实际平均导水系数，fpt为积水时段的土壤入渗率，fnpt为非积水时段的土壤入渗率；此时，地表开始积水入渗，tp为地表积水开始时刻，入渗过程分为积水时段和非积水时段两个阶段，两个时段以tp为分界时间点；情景b：h0>0，其中：P’为对应深度的雨强，由于积水深度h0与雨强间单位不统一，计算时，先将h0除以时段长度△t，转换为雨强P’,即：P’＝h0/△t，△t＝tx-tx-1；tx、tx-1分别为第x时段和第x-1时段；此时，地表积水逐渐消失；情景c：h0>0，此时，下渗过程一直处于积水入渗过程；情景d：h0＝0，此时，入渗过程一直处于不积水状态；降雨入渗产流过程计算的步骤：包括积水入渗过程计算、产流过程计算、积水与非积水转换时刻计算：所述的积水入渗过程计算包括：湿润锋在第1层时土壤入渗过程计算：A＝[SWcf,1-0.5(hab,1+hwb,1)]Δθ1式中：为土壤累积入渗量；为积水发生时刻土壤累计入渗量；ka，1为第1层的实际导水系数；SWcf，1为第1层中湿润锋处的土壤水吸力；hab，1为第1层的土壤进气值；hwb，1为第1层土壤进水值；A为参数；Dq为土壤含水变化量，加脚标表示某一层的土壤含水变化量。其中：Dq1＝qa，1－q0，1，qa，1为湿润区第1层土壤实际含水量，q0，1为第1层初始土壤含水量；湿润锋在第m(2≤m≤n)层时，积水入渗过程计算：式中，ka，m为第m层土壤的实际导水系数；Bm－1、Cm－1为参数；Fm－1为m-1层以上的土壤累积入渗量；tm－1为湿润锋进入m-1和m层界面时的时间；SWcf，i为第i层中湿润锋处的土壤水吸力；hab，i为第i层土壤的进气值；hwb，i为第i层土壤的进水值；Li为第i层土壤的厚度；其中：Dqi＝qa，i－q0，i，qa，i为湿润区第i层土壤实际含水量，q0，i为第i层土壤初始含水量；i和m为土层数；时段产流过程计算：式中：为时段tx的累积地表产流；为时段tx的累积降雨；h0为时段tx的地表积水深；为时段tx的累积入渗量；非积水时段入渗过程计算：积水与非积水转换时刻tp计算：当湿润锋在第1层时：当湿润锋在第m层时：式中，tx-－1为时段x-1的区间时间；为时段tx－1时的累积入渗量；tp为土壤表层积水发生或消失时间；为土壤表层积水发生或消失时刻所在时段的降雨强度，fp为非积水时段与积水时段转换时刻的土壤入渗率。进一步的，所述的SWaf湿润锋处空气压力的最大值为：Hb＝h0+L0+hab；最小值为：Hc＝h0+L0+hwb；式中：Hb为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统，包括马氏瓶供水装置，所述的马氏瓶供水装置与降雨器管路连接，所述的降雨器下部为有机玻璃土柱，所述有机玻璃土柱为竖直的柱形体，下端密闭，内填充土样，降雨器与土样之间为降雨空间，所述的有机玻璃土柱侧面设置土壤水分监测装置，其特征在于，所述的降雨器和有机玻璃土柱之间密封连接，使有机玻璃土柱和降雨器形成完整的密封体；用以收集密封体内所有空气和水分的集水集气管设置在降雨空间中的土样表面处，所述的集水集气管与水气收集装置管路连接，所述的有机玻璃土柱侧面按照不同的高度设置测定空气压力的U型管。

【技术特征摘要】
1.一种考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定系统，包括马氏瓶供水装置，所述的马氏瓶供水装置与降雨器管路连接，所述的降雨器下部为有机玻璃土柱，所述有机玻璃土柱为竖直的柱形体，下端密闭，内填充土样，降雨器与土样之间为降雨空间，所述的有机玻璃土柱侧面设置土壤水分监测装置，其特征在于，所述的降雨器和有机玻璃土柱之间密封连接，使有机玻璃土柱和降雨器形成完整的密封体；用以收集密封体内所有空气和水分的集水集气管设置在降雨空间中的土样表面处，所述的集水集气管与水气收集装置管路连接，所述的有机玻璃土柱侧面按照不同的高度设置测定空气压力的U型管。2.根据权利要求1所述的测定系统，其特征在于，所述马氏瓶供水装置包括：封闭的圆筒形有机玻璃的瓶体，所述的瓶体下侧设置供水口，瓶体顶部设置插入瓶内水中并带有调节阀的导气管，和用于注水的导水管，所述的导水管上设有开关阀，所述瓶体上还设有校准瓶体水平位置的水准泡。3.根据权利要求1所述的测定系统，其特征在于，所述的水气收集装置包括：与所述罐体降雨空间部分连通的水气集管，所述的水气集管插入密闭的集水瓶底部，所述的集水瓶顶部设置U型导气管，所述U型导气管与密闭的集气瓶下半部分连通，所述的集气瓶底部设有用于排水的U型导水管，所述U型导水管出口与所述U型导气管在集气瓶上的进口保持在同一水平面内。4.一种使用权利要求1所述系统的考虑空气阻力作用的土壤降雨入渗测定方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：土壤分层的步骤：用于使用不同质地的土壤分层填充所述的有机玻璃土柱，形成剖面分为多层的土壤土样，同一层内土壤水分特征参数相同，所述的土壤水分特征参数包括：初始土壤含水量、饱和导水系数、土壤饱和含水量、田间持水量、进气值和进水值；降雨过程分段的步骤：用于在使用所述的降雨器进行模拟降雨，并将降雨过程分为连续的多个相等时段，每个时段内降雨强度恒定；确定湿润锋处负压水头的步骤：用于考虑空气阻力的作用并基于对每层土壤理化性质的分析，引入各层土壤的饱和度系数Sa,n、土壤进气值hab和土壤进水值hwb，确定湿润锋处实际水头的步骤：用于考虑空气阻力作用并基于对每层土壤理化性质的分析，引入各层土壤的土壤进气值hab和土壤进水值hwb：确定实际湿润锋处土壤水的水头SWwf：SWwf＝SWcf－SWaf其中：SWcf为湿润锋处土壤水吸力，SWcf＝hab；SWaf为湿润锋处禁锢空气压力，SWaf＝0.5(hab+hwb)；SWwf＝hab-0.5(hab+hwb)进一步确定为湿润锋处总水头HL：HL＝-L-(SWcf-SWaf)HL＝-L-hab+0.5(hab+hwb)其中：L为湿润锋到土壤表层距离；确定湿润锋以上各层土壤实际含水量θs,n和实际导水系数Ka,n：θa,n＝Sθ,n·θs,nKa,n＝Sk,n·Ks,n式中：Ks,n为饱和导水系数；θs,n为土壤饱和含水量；Sθ,n和Sk,n为饱和度系数；降雨入渗产流过程分析的步骤：用于根据时段初积水深度、本时段内降雨强度、本时段积水入渗率，分入渗过程为积水入渗过程和非积水入渗过程进行分析，分时段、分情景考虑降雨入渗产流过程，所述的情景包括情景a、情景b、情景c、情景d四种：情景a：h0＝0，其中，h0为时段初积水深度，I为雨强，为湿润区实际平均导水系数，fpt为积水时段的土壤入渗率，fnpt为非积水时段的土壤入渗率，此时，地表开始积水入渗，tp为积水开始时刻，入渗过程分为积水时段和非积水时段两个阶段，两个时段以tp为分界；情景b：h0>0，其中：P’为对应深度的雨强，由于积水深度h0与雨强间单位不统一，计算时，先将h0除以时段长度△t，转换为雨强P’...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，甘永德，贾仰文，刘海滢，龚家国，杜军凯，韩春苗，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11