一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。优点是：提高了水文过程模拟的准确性，并且可以很好的模拟出土壤冻结过程中向上集聚以及冻土融化过程中的集中释放现象。过程中的集中释放现象。过程中的集中释放现象。

【技术实现步骤摘要】
一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法


[0001]本专利技术涉及寒区氮循环
，尤其涉及一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法。

技术介绍

[0002]土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、物理化学、力学的现象和子过程，最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚。土壤冻结过程中，因受温差影响，矿质化的潜水不断向冻土层迁移累积，使冻土层含水率与含冰率之和接近或者等于饱和含水率，同时盐分也伴随水分由下层未冻土层向上层冻土层迁移；土壤融化过程中，存在双向融化的现象，底层向上融化，表层向下融化，形成壤中流，从土壤流向河道。
[0003]此外，国内主流的流域水文模型之一的大尺度流域水与能量转化过程模拟(Water and Energy tranfer Processes in Large river basins，简称WEP
‑
L)可以很好的模拟土壤冻融过程中的水分迁移过程，但该模型在考虑土水势时仅考虑了基质势与重力势，忽略了冻融过程中溶质势对水分迁移的影响；该模型为水文模型，未考虑土壤中污染物的迁移过程。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括如下步骤，
[0007]S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；
[0008]S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；
[0009]S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；
[0010]S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；
[0011]S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。
[0012]优选的，步骤S1具体为，搜集水文站点的大气温度，WEP_L模型中假定地表温度等于大气温度，并根据土壤热容、热传导系数以及各土壤层的含冰率，使用一维垂直流动基本方程计算剩余各层土壤温度；某层土壤的土壤温度计算公式为，
[0013][0014]其中，z为该层土壤相对于基准面的高度；λ
s
为该层土壤的热导率；T
s
为该层土壤的
土壤温度；C
V
为该层土壤的土壤体积热容；t为时间；ρ
i
为土壤中冰的密度，取值为920kg/m3；L
i
为融化潜热，取值为3.35
×
106J/kg；θ
i
为该层土壤的体积含冰率。
[0015]优选的，步骤S2中，根据某层土壤的土壤温度以及前一日该层土壤的含水率计算该层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据该层土壤的溶质势、基质势和重力势计算该层土壤的总土水势的具体过程为，
[0016]S21、根据前一日该层土壤的含水率计算该层土壤中水的重力势和基质势；重力势的计算公式为，
[0017]h
g
＝
±
ρ
l
gz
[0018]其中，z表示该层土壤相对于基准面的高度；ρ
l
为土壤中水的密度，取值为1000kg/m3；g为重力加速度；
[0019]基质势的计算公式为，
[0020][0021]其中，α和β表示该层土壤的水分吸力常数，θ
r
表示该层土壤的凋萎含水率；θ
s
表示该层土壤的饱和含水率；θ表示前一日该层土壤的体积含水率；
[0022]S22、WEP_L模型首次运行时，土壤水中溶解态氮素的浓度C
dis
为给定值，其余时刻土壤水中溶解态氮素的浓度C
dis
均为模拟值；模型首次运行计算溶质势时采用给定值，其余时刻运算时均采用前一日土壤水中溶解态氮素浓度的模拟值；
[0023]S23、根据该层土壤温度和该层土壤水中氮素的浓度，计算该层土壤中水的溶质势；
[0024]溶质势的计算公式为，
[0025][0026]其中，C
dis
为该层土壤的单位体积水中含有的溶解态氮素质量；R为摩尔气体常数；T
k
为该层土壤的热力学温度；μ为溶质的摩尔质量；
[0027]S24、根据该层土壤的重力势、基质势和溶质势，计算该层土壤的总土水势；总土水势的计算公式为，
[0028]h＝h
m
+h
g
+h
s
[0029]其中，h为该层土壤水的总土水势；h
m
为该层土壤水的基质势；h
g
为该层土壤水的重力势；h
s
为该层土壤水的溶质势。
[0030]优选的，步骤S3中，根据某层土壤的总土水势利用一维垂直水分流动方程计算当日该层土壤的含水率的具体过程为，
[0031][0032]其中，θ
l
为当日该层土壤的含水率；θ
i
为该层土壤的体积含冰率；ρ
i
为土壤中冰的密度，取值为920kg/m3；K(θ
l
)为该层土壤在含水率为θ
l
时的非饱和水力传导度；
[0033][0034][0035]其中，K
s
为经温度矫正后的该层土壤的饱和导水率；K0为该层土壤原始输入的饱和导水率；T
s
为该层土壤的土壤温度；T
f
模型给定的阈值温度。
[0036]优选的，步骤S4中，根据当日某层土壤的含水率，计算该层土壤中氮素的汇源项的具体过程为，
[0037]S41、根据当日某层土壤的含水率计算该层土壤中由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量、由于土壤引力引起的土壤水和氮素在相邻两层间的迁移量和氮素通过壤中流的流失量；
[0038]氮素通过壤中流的流失量、由于土壤吸引力造成的上下层氮素迁移量以及由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量分别计算如下，
[0039][0040][0041]M
wet
＝rate
·
wet
[0042]其中，M
runoff
为该层土壤中氮素通过壤中流的流失量；Q
s
为该层土壤的壤中流；为该层土壤由于吸引力造成的上下层氮素迁移量；Q
up_d
为该层土壤由于土壤吸引力引起的水分在相邻两层土壤之间的迁移量；M
wet
为地表下渗到该层土壤的氮量；wet为大气氮沉降量；rate为水文过程计算得到的地表水下渗到土壤中的比例；C
dis
为前一日溶解态氮素的浓度；θ为当日t时刻该层土壤的体积含水率；
[0043]S42、根据计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。2.根据权利要求1所述的土壤冻融过程中氮素的模拟方法，其特征在于：步骤S1具体为，搜集水文站点的大气温度，WEP_L模型中假定地表温度等于大气温度，并根据土壤热容、热传导系数以及各土壤层的含冰率，使用一维垂直流动基本方程计算剩余各层土壤温度；某层土壤的土壤温度计算公式为，其中，z为该层土壤相对于基准面的高度；λ
s
为该层土壤的热导率；T
s
为该层土壤的土壤温度；C
V
为该层土壤的土壤体积热容；t为时间；ρ
i
为土壤中冰的密度，取值为920kg/m3；L
i
为融化潜热，取值为3.35
×
106J/kg；θ
i
为该层土壤的体积含冰率。3.根据权利要求2所述的土壤冻融过程中氮素的模拟方法，其特征在于：步骤S2中，根据某层土壤的土壤温度以及前一日该层土壤的含水率计算该层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据该层土壤的溶质势、基质势和重力势计算该层土壤的总土水势的具体过程为，S21、根据前一日该层土壤的含水率计算该层土壤中水的重力势和基质势；重力势的计算公式为，h
g
＝
±
ρ
l
gz其中，z表示该层土壤相对于基准面的高度；ρ
l
为土壤中水的密度，取值为1000kg/m3；g为重力加速度；基质势的计算公式为，其中，α和β表示该层土壤的水分吸力常数，θ
r
表示该层土壤的凋萎含水率；θ
s
表示该层土壤的饱和含水率；θ表示前一日该层土壤的体积含水率；S22、WEP_L模型首次运行时，土壤水中溶解态氮素的浓度C
dis
为给定值，其余时刻土壤水中溶解态氮素的浓度C
dis
均为模拟值；模型首次运行计算溶质势时采用给定值，其余时刻运算时均采用前一日土壤水中溶解态氮素浓度的模拟值；S23、根据该层土壤温度和该层土壤水中氮素的浓度，计算该层土壤中水的溶质势；溶质势的计算公式为，其中，C
dis
为该层土壤的单位体积水中含有的溶解态氮素质量；R为摩尔气体常数；T
k
为
该层土壤的热力学温度；μ为溶质的摩尔质量；S24、根据该层土壤的重力势、基质势和溶质势，计算该层土壤的总土水势；总土水势的计算公式为，h＝h
m
+h
g
+h
s
其中，h为该层土壤水的总土水...

【专利技术属性】
技术研发人员：周祖昊，刘水清，李佳，严子奇，贾仰文，刘佳嘉，王浩，贺华翔，
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：