【技术实现步骤摘要】
一种基于分层土壤的水沙过程计算方法
本专利技术涉及水沙过程计算方法
，具体涉及一种基于分层土壤的水沙过程计算方法。
技术介绍
干旱区，尤其是黄土高原等地区，缺水、水土流失和荒漠化等问题共存。当前，调控水土资源的方式方法主要有修建梯田、鱼鳞坑、覆盖塑料膜等。修建梯田和鱼鳞坑等减轻了土壤侵蚀，但无法增加土壤入渗能力，降低土壤无效蒸发，节水效果较差。覆盖塑料膜可以大量节约土壤无效水分蒸发，但其也阻断了雨水进入土壤的通道，且其容易风化，使用寿命较短，非天然矿物成分，大规模使用已经造成了土壤严重污染，其降解溶于水后，也严重污染了水资源。针对以上水土调控方式的不足，以土壤物理学理论为指导，充分利用土壤物理性质，提出了一种不仅可以高效节水，而且可以减轻土壤侵蚀的技术方法，该方法所用材料均为天然土石料，成本较低，无污染，一次治理，可以长期使用，成本较低，易于大规模推广，由于该方法改变了土壤物理性质，进而改变了土壤水沙过程，因此需要新的水沙过程计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适应减轻土壤侵蚀的技术方法的水沙过程计算方法。本专利技术的技术方案：一种考虑旱区水土调控技术的水沙过程计算方法，所述方法的步骤如下：山坡计算单元划分：采用等流时线法划分基本计算单元。计算单元垂直剖面划分：计算单元垂向剖面划分过程中充分考虑了该水土调控技术。本人提出的旱区水土调控方法基于土壤物理学原理，充分考虑土壤性质的基础上，通过改变了天然土壤分层方式改变土壤水沙过程，进而调控水土资源，该调控技术简要介绍如下：一种旱区水土调控技术方法，包括膨胀性粘土土石混合介质层、沙沟和原始土层...
【技术保护点】
1.一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，土壤进行改良，对改良后的土壤的水流进行汇流计算，对改良后的泥沙进行汇沙计算，来分析水循环过程和泥沙侵蚀过程；所述水流的汇流计算包括单元内水分通量的计算：具体为水文气象数据展布的计算、植被截流的计算、枯枝落叶储流的计算、膨胀性土壤土石混合介质层水分运动的计算、沙沟及其以下土层水分运动的计算、地下水水层水分运动的计算、坡面汇流过程的计算和土壤蒸散发过程的计算；所述泥沙的汇沙计算包括：土壤侵蚀的计算和河沟道泥沙输移过程的计算；所述土壤侵蚀的计算包括雨滴溅蚀的计算、薄层水流侵蚀的计算、股流侵蚀的计算和重力侵蚀的计算；河沟道泥沙输移过程的计算包括沟道水流挟沙能力的计算和河道水流挟沙能力的计算。
【技术特征摘要】
1.一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，土壤进行改良，对改良后的土壤的水流进行汇流计算，对改良后的泥沙进行汇沙计算，来分析水循环过程和泥沙侵蚀过程；所述水流的汇流计算包括单元内水分通量的计算：具体为水文气象数据展布的计算、植被截流的计算、枯枝落叶储流的计算、膨胀性土壤土石混合介质层水分运动的计算、沙沟及其以下土层水分运动的计算、地下水水层水分运动的计算、坡面汇流过程的计算和土壤蒸散发过程的计算；所述泥沙的汇沙计算包括：土壤侵蚀的计算和河沟道泥沙输移过程的计算；所述土壤侵蚀的计算包括雨滴溅蚀的计算、薄层水流侵蚀的计算、股流侵蚀的计算和重力侵蚀的计算；河沟道泥沙输移过程的计算包括沟道水流挟沙能力的计算和河道水流挟沙能力的计算。2.根据权利要求1所述的一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，所述水文气象数据展布的计算包括：1)水文气象过程空间尺度展布降水是驱动因素，而其他气象要素风速、相对湿度、大气温度、日照是计算蒸散发所必须的参数，以日为时间尺度进行计算，需要逐日气象数据作为输入；气象数据作为输入值，采用外部气象展布算法将时间序列内的气象数据展布到计算单元内，实际运行期间直接读取对应数据；中采用泰森多边形法和反距离加权平均法进行流域内气象数据的展布，计算公式如下：其中，D表示待插值点估计值，mm；Di表示第i个参证站点数据，mm；m表示参证站点个数；λi表示第i个参证站点数据权重；di表示第i个参证站点同待插值点的距离，km；n表示权重指数，n＝0时，式(1)退化为算术平均法；n＝1时，式(1)为简单距离反比法；n＝2时式(1)为广泛应用的距离平方反比法；2)降雨数据的时间降尺度展布降雨期内，采用小时尺度进行计算，具体公式如下：S＝a·P+b(5)其中，i表示历时t内最大降水平均雨强；S表示暴雨参数或称之为雨力，等于单位时间内最大平均雨强；t表示时段；n表示暴雨衰减系数，与气候区有关，可用实测资料率定获取；P表示日降雨量；T表示日降雨总历时；a,b表示参数。3.根据权利要求1所述的一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，所述植被截留的计算：忽略降雨期间蒸散发量条件下，植被截留采用下式计算：Wrmax＝0.2·Veg·LAI(8)其中，Veg表示植被的面积、盖度；Wr表示植被截留水量，mm；Wrmax表示最大植被截留水量，mm；P表示降雨量，mm；Rr表示植被冠层流出水量，即超出最大植被截留水量的部分，mm；LAI表示叶面积指数；枯枝落叶储流的计算：枯枝落叶储留量消耗于后期蒸散发过程，枯枝落叶储留采用下式计算：Humax＝αmaxG(9)式中：G为枯枝落叶干重；α为枯枝落叶最大持水系数。4.根据权利要求1所述的一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，膨胀性粘土土石混合介质层的计算：膨胀性粘土土石混合介质层水分运动改进本人提出的膨胀性土壤水分运动模型，该模型在分析土壤干湿受力变形的基础上，基于质量守恒原理得到了膨胀性土壤土石混合介质水分运动方程；1)水分运动控制方程基质区水分运动过程方程为：上边界：下边界：裂隙优先流区水分运动过程方程为：上边界：下边界：其中，Rv为碎石质量比系数；θ为土壤体积含水量，cm3/cm3；θ1为时段初的土壤含水量，cm3/cm3；e为孔隙度，cm3/cm3；e1为时段初的孔隙度，cm3/cm3；Ke(ψ)为土壤非饱和导水系数，cm/min；ψ为土壤水吸力，cm；S为源汇项，min-1；We为两流区水量交换量，min-1；Φ为土壤总水势，cm；q为水分通量，cm/min；上述字母的下标f、j分别表示裂隙优先流区、基质区；t为时间，min；z表示坐标轴z轴方向；wf为裂隙优先流区面积比例，wj为基质区面积比例；2)土壤水分运动参数土壤非饱和导水系数：采用改进的vanGenuchten模型计算膨胀性土壤裂隙优先流区、基质区非饱和导水系数，非饱和导水系数计算公式为：Ke(ψ)＝Ksz(e)Se0.5[1-(1-Se1/m)m]2(16)其中，Ke(ψ)为膨胀性土壤非饱和导水系数，cm/min；Ksz(e)为深度为z时膨胀性土壤饱和导水系数，cm/min；Se为饱和度；m和n为参数，m＝1-1/n；受自重应力和膨胀力影响，土壤孔隙度随深度的变化而变化，导致土壤饱和导水系数随深度的变化而变化；土壤饱和导水系数随深度变化关系采用改进的Lambe模型计算：e0＝e0ns·exp(-Ce·Rv)(19)K0＝Kns·exp(-Ck·Rv)(20)其中，e0、K0分别为零压强下的膨胀性土壤土石混合介质孔隙度、饱和导水系数，cm3/cm3、cm/min；e0ns、Kns分别为零压强下的无碎石膨胀性土壤孔隙度、饱和导水系数，cm3/cm3、cm/min；Ce为与孔隙度有关的土壤形状系数；Ck为与导水系数有关的土壤形状系数；ez为深度为z时膨胀性土壤土石混合介质饱和孔隙度，cm3/cm3；m′为与土壤质地有关的参数；e1为时段初的土壤孔隙度，cm3/cm3；ρd为密度，g/cm3；a3为参数；α3为土壤膨胀特征曲线斜率；U为质量含水量，g/g；A和B均为参数；γ为土壤湿比重，N/cm3；z为土壤深度，cm；土壤膨胀特征曲线：膨胀性土壤土石混合介质变形主要受土壤膨胀力和自重应力影响，土壤膨胀力是土壤含水量的函数，采用三直线模型计算：式中：ν为比容积，是膨胀性土壤土石混合容重的倒数；U为质量含水量；α1、α2、α3为土壤膨胀特征曲线斜率；UA、UB、US分别为拐点处质量含水量；a、b和c为参数；土壤应力应变关系曲线：土壤自重应力与土壤变形关系采用对数函数描述：式中：ρs为膨胀性土壤土石混合介质容重；G为自重应力；γ为湿土比重；z为土壤深度；A和B为参数；土壤饱和含水量：当土壤达到饱和时，土壤饱和含水量等于孔隙度，则任一深度饱和含水量可以表示为：θsz＝ez(23)式中：θsz为深度为z时土壤饱和含水量；模型计算中，基质区和大孔隙优先流区土壤水分特征曲线采用相同曲线；考虑到膨胀性土壤土石混合介质中含有大量碎石，改变了土壤水分特征参数；模型计算中，土壤水分特征曲线采用考虑碎石VanGenuchten模型计算：式中：Se为饱和度系数；Rv为碎石碎石质量比系数；θ为土石二元混合介质土壤含水量；θs为土石二元混合介质土壤饱和含水量；θr为土石二元混合介质土壤残余含水量；θn为无碎石土壤含水量；θns为无碎石土壤饱和含水量；θnr为无碎石土壤残余含水量；α、n和m为参数，m＝1-1/n；h为土壤水吸力；由于土壤膨胀变形，θns随深度的变化而变化，不同深度处θns可以采用θsz代替；3)两区面积比例优先流区、基质区的面积比例，其计算公式为：wf＝dew(26)wj＝1-dew(27)其中，ew为由土壤吸水膨胀变形导致的孔隙度变化量，cm3/cm3，当土壤饱和时，wf等于0；4)土壤变形滞后性计算土壤膨胀变形不仅受膨胀力和自重应力影响，也受变形时间影响，土壤膨胀变形随时间变化关系采用改进的Merchant模型描述：式中：P为自重应力和膨胀力间的合力；α1为弹簧a的体积压缩系数；α2为弹簧b的体积压缩系数；η为Merchant模型中牛顿黏壶的黏滞系数；e1为时段初孔隙度；e2为时段末孔隙度；η、α1和α2通过土工试验确定。5.根据权利要求1所述的一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，沙沟及其以下土层水分运动的计算：1)沙沟及其下包气带均采用二维Richards方程计算：式中h为土壤水势，cm；S为源汇项，根系吸水项；下标i为土壤剖面分层数；x、z为坐标轴；Sr为源汇项，min-1；K(h)为导水系数，cm/min；t为时间，min；2)边界条件上下边界均为通量边界：左右为零通量边界：式中：q为通量，cm/min；地下水含水层水分运动的计算：地下水运动相关计算公式如下：其中，h表示地下水位，潜水层，m或水头，承压层，m；E表示蒸发蒸腾量，m；RG表示地下水出流量，m；C表示储留系数；k表示导水系数，m/day；z表示潜水层底部高程，m；GWP表示地下水开采量，m；Q4表示来自不饱和土壤层的渗透量，m；坡面汇流过程的计算，包括坡面汇流和河道汇流：汇流过程采用运动波方程进行模拟，公式如下：Sf＝S0(运动方程)(34)式中：Q表示过流断面流量，cm3/s；A表示过流断面面积，cm2；qL表示单宽入流量，计算单元或河道所有流入的水量，cm3/s/m；Sf表示摩擦坡降，比例系数，tan(α)，α表示坡面和水平面的夹角；S0表示计算单元平均地面坡降或河道坡降，比例系数；R表示过流断面水力半径，cm；n表示曼宁糙率系数。6.根据权利要求1所述的一种基于分层土壤的水沙过程计算方法，其特征在于，土壤蒸散发的计算：计算单元内的土壤蒸散发量是植被截留蒸发、土壤蒸发和植被蒸腾的之和，计算公式如下：E＝E1+E2+E3(36)式中：E表示计算单元总蒸散发(mm)；下标1表示植被截留蒸发；下标2表示植被蒸腾；下标3表示裸土蒸发；土壤潜在蒸发能力由Penman公式计算，最大蒸发强度：式中：RN为净辐射量；G为传入水中的热通量；Δ为饱和水汽压对温度的导数；ρa为空气密度；Cp为空...
【专利技术属性】
技术研发人员：甘永德，贾仰文，魏加华，解宏伟，朱运强，吕红玲，甘清华，朱厚华，
申请(专利权)人：青海大学，
类型：发明
国别省市：青海,63
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