一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法技术

本发明专利技术公开了一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，包括：建立运动波方程，求解坡面径流运动过程；然后建立径流和混合层中溶质浓度变化方程，再结合实测径流中NO

A method for estimating water transfer rate and mixed layer depth induced by raindrops

【技术实现步骤摘要】
一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法
本专利技术属于农业水文过程分析中养分随地表径流流失
，具体涉及一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法。
技术介绍
在自然降雨条件下，坡耕地地表径流冲刷会带走大量土壤养分，从而引起坡耕地退化和农业非点源污染等一系列环境问题。然而，降雨强度、温度、风速以及自然降雨过程中土壤结构的时空变异性等因素对实测数据的获取有显著影响。因此，自然降雨过程中化学物质的迁移量难以现场量化。现有研究均采用人工降雨试验和上方来水冲刷试验来模拟观测养分随径流流失的特征，并建立模型对其流失过程进行模拟；通常情况下，由于土壤结构不规则性等因素，一些物理模型中的参数很难在试验中获取得到；同时模型的数值求解复杂且模拟效果较差，所以建立一种参数物理意义明确又考虑不同降雨阶段的近似解析模型显得非常有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，解决了现有模型难以便捷又准确地确定雨滴诱导水分转移率和混合层深度的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，具体包括以下步骤：步骤1：结合运动波模型和Philp入渗模型建立降雨条件下的坡面水流运动模型；步骤2：建立溶质随径流迁移模型；步骤3：结合实测资料，通过非线性拟合方法推求出雨滴诱导水分转移率er和混合层深度de。本专利技术的特点还在于：步骤1的具体过程如下：根据降雨条件下的坡面水流流动过程建立运动波方程：上式中，h为径流深，m；q为单宽流量，cm3/min；p为降雨强度，cm/min；i为入渗速率，cm/min；假设坡面水深变化率与入渗率之间呈线性关系，则上式中，c为入渗率参数；将公式(2)代入公式(1)，得到：对公式(3)积分得到q(x,t)＝(1-c)(p-i)x(4)；降雨条件下的入渗率可以表示为：上式中，S为吸渗率，cm/min1/2；t为降雨时间，min；将公式(5)中t＞tp部分带入公式(4)中，单宽流量表示为：将实测单宽流量带入公式(6)，得到入渗率参数c；结合曼宁公式和公式(6)得到任意时间段、位置处的坡面水深的变化过程为：上式中，n为坡面糙率，s/-1/3m；J0为水力梯度。步骤2的具体过程如下：在降雨条件下土壤中的养分总是随着径流冲刷和入渗作用而进入地表或者迁移至更深层土壤，所以土壤剖面中水和养分运输系统可分为三层：地表径流层，交换层，土壤下层；因此，用径流层和交换层溶质浓度的变化来表示土壤养分随径流流失的计算模型：交换层是土壤剖面中最上层的薄层，交换层中的化学运输主要受入渗、水动力弥散和雨滴溅蚀的控制，这些过程可以用公式(8)来表示：上式中de是混合层深度，单位是cm；Ce是混合层中的溶质浓度，单位是mg/l；Cw是径流中溶质浓度，单位是mg/l；is是径流至混合层的入渗通量，单位是cm/min；ix是混合层至下层土壤的入渗通量，单位是cm/min；er是雨滴诱导水分转移率，单位是cm/min；λCw是进入混合层径流水的溶质浓度，单位是cm/min，这里取λ＝0；是深层土壤与交换层之间的溶质扩散通量，单位是mg/(cm2min)；为了简化计算过程，的计算取采用近似求解公式，其如公式(9)所示：其中α＝γK+θs(10)上式中，Ds是土壤中溶质的分散性，单位是cm2/min；Cs是下层土壤的溶质浓度，单位是mg/g；γ是土壤容重，单位是g/cm3；K是土壤吸附系数，单位是ml/g；这里β＝er/(αde)。步骤2中假设从降雨开始，整个降雨事件被划分为三个阶段：第一阶段：从降雨开始t0至混合层完全饱和tsa：在这一阶段，土壤入渗率为降雨强度，土壤表层未产生径流，所以i＝p,q＝0(11)上式中，tsa是混合层完全饱和所需时间，min；θs是饱和含水率，cm3/cm3；θ0是初始含水率，cm3/cm3；第二阶段：从混合层完全饱和tsa至土壤表层出现积水径流tp：在这个阶段，径流层溶质浓度Cw和雨滴诱导水分转移率er的取值为0，ix＝p。将公式(9)代入公式(8)，结合初始条件公式(12)，可以求解得到混合层中溶质浓度表示如下：上式中，C0是初始浓度，mg/L；开始产流时混合层中的溶质浓度可以表示为：上式中，A＝ix/(αde)；第三阶段：从开始产流到降雨结束：这一过程中，径流中养分浓度远低于混合层，因此忽略了入渗作用对径流至混合层之间溶质浓度的影响，ix＝0.01cm/min。将公式(9)代入公式(8)，结合这一阶段的起始计算时间，即：t＝tp，可以求解得到混合层中溶质浓度表示如下：上式中，B＝(er+ix)/(αde)；产流阶段，径流中化学溶质的质量守恒关系可以表示为：结合公式(1)和公式(16)，可以得到：为了简化方程，忽略公式(17)中的入渗和扩散影响作用，公式(17)变为：进一步对公式(18)进行积分，径流中溶质浓度可以表示为：径流中溶质的流失速率可以表示为：Mw(t)＝q(l,t)lCw(t)(20)上式中，Mw是溶质的流失速率，mg/min。步骤3的具体过程如下：步骤3.1：使用Matlab中非线性拟合函数lsqcurvefit，结合任意时间段、位置处的坡面水深的变化过程公式(7)、径流中溶质浓度公式(19)和径流中溶质的流失速率公式(20)编写溶质的流失速率Mw的M函数文件；步骤3.2：在MATLAB的命令窗口中输入试验过程中实际测定记录的降雨时间和溶质流失速率数据，通过调用M函数文件，给模型中参数de和er赋初始值并将实测降雨时间数据代入模型程序中进行迭代计算并与实测值进行比较，直至得到最优解，此时即得到最优的参数雨滴诱导水分转移率er和混合层深度de。本专利技术的有益效果是：本专利技术的一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，先求解了运动波模型，从而得到出口处流量和坡面水深随时间的变化过程；再进一步将降雨过程划分三个阶段，结合溶质迁移模型求解了径流溶质流失速率，只需要一场降雨资料，测定出口处流量，产流时间以及径流中溶质浓度再结合提出的坡面流量和水深计算公式以及径流溶质质量计算公式便可推求出雨滴诱导水分转移率er和混合层深度de。再通过实测NH4+-N的流失资料对雨滴诱导水分转移率er和混合层深度de进行验证。本专利技术进一步简化入渗过程的参数获取方法，提高了估算结果的普遍适用性。附图说明图1是本专利技术一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法的模拟土层剖面图；图2是本专利技术一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法的试验装置结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/n步骤1：结合运动波模型和Philp入渗模型建立降雨条件下的坡面水流运动模型；/n步骤2：建立溶质随径流迁移模型；/n步骤3：结合实测资料，通过非线性拟合方法推求出雨滴诱导水分转移率e

【技术特征摘要】
1.一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：结合运动波模型和Philp入渗模型建立降雨条件下的坡面水流运动模型；
步骤2：建立溶质随径流迁移模型；
步骤3：结合实测资料，通过非线性拟合方法推求出雨滴诱导水分转移率er和混合层深度de。


2.根据权利要求1所述的一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：
根据降雨条件下的坡面水流流动过程建立运动波方程：



上式中，h为径流深，m；q为单宽流量，cm3/min；p为降雨强度，cm/min；i为入渗速率，cm/min；
假设坡面水深变化率与入渗率之间呈线性关系，则



上式中，c为入渗率参数；
将公式(2)代入公式(1)，得到：



对公式(3)积分得到
q(x,t)＝(1-c)(p-i)x(4)；
降雨条件下的入渗率可以表示为：



上式中，S为吸渗率，cm/min1/2；t为降雨时间，min；
将公式(5)中t＞tp部分带入公式(4)中，单宽流量表示为：



将实测单宽流量带入公式(6)，得到入渗率参数c；
结合曼宁公式和公式(6)得到任意时间段、位置处的坡面水深的变化过程为：



上式中，n为坡面糙率，s/-1/3m；J0为水力梯度。


3.根据权利要求1所述的一种雨滴诱导水分转移率和混合层深度的估算方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
在降雨条件下土壤中的养分总是随着径流冲刷和入渗作用而进入地表或者迁移至更深层土壤，所以土壤剖面中水和养分运输系统可分为三层：地表径流层，交换层，土壤下层；因此，用径流层和交换层溶质浓度的变化来表示土壤养分随径流流失的计算模型：
交换层是土壤剖面中最上层的薄层，交换层中的化学运输主要受入渗、水动力弥散和雨滴溅蚀的控制，这些过程可以用公式(8)来表示：



上式中de是混合层深度，单位是cm；Ce是混合层中的溶质浓度，单位是mg/l；Cw是径流中溶质浓度，单位是mg/l；is是径流至混合层的入渗通量，单位是cm/min；ix是混合层至下层土壤的入渗通量，单位是cm/min；er是雨滴诱导水分转移率，单位是cm/min；λCw是进入混合层径流水的溶质浓度，单位是cm/min，这里取λ＝0；是深层土壤与交换层之间的溶质扩散通量，单位是mg/(cm2min)；为了简化计算过程，的计算取采用近似求解公式，其如公式(9)所示：



其中α＝γK+θs(10)
上式中，Ds是土壤中溶质的分散性，单位是cm2/min；Cs是下层土壤的溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴军虎，邵凡凡，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61