一种适用于任意初始含水量分布下的边坡降雨入渗-径流计算方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于任意初始含水量分布下的边坡降雨入渗

【技术实现步骤摘要】
一种适用于任意初始含水量分布下的边坡降雨入渗
‑
径流计算方法


[0001]本专利技术涉及到一种适用于任意初始含水量分布下的边坡降雨入渗
‑
径流计算方法，属于土壤物理和山坡水文学


技术介绍

[0002]降雨滴落至土壤表层时，会入渗进入土壤，直到降雨强度超过土壤有限的入渗能力，此时土壤表层产生积水，径流和侵蚀也随之发生。准确的估计积水发生时间以及径流产生量对于水文预报、农业灌溉设计、水土保持至关重要。
[0003]降雨入渗是一个复杂的动态过程，主要的影响因素包括降雨强度随时间的变化、土壤剖面的水力特性参数、剖面上初始含水量的分布状态以及坡度等。当前主要采用有限元和有限差分法数值求解Richards方程来估计积水发生时间和径流产生量，但数值模拟方法往往需要在时间和空间上进行高度的离散化来适应上边界复杂的降雨强度变化。此外求解一个高度非线性的Richards方程需要消耗大量的算力，因此这类方法的模拟过程往往面临着数值运算不稳定、计算成本较高等问题。作为一种改进方法，经验、解析、半解析的入渗方程因其形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于任意初始含水量分布下的边坡降雨入渗
‑
径流计算方法，预先测定以下模型参数：1、土壤的初始含水量分布剖面θ
i
(z)；2、Brooks
‑
Corey模型描述的土壤水力学参数n、h
d
，土壤的饱和导水率K
s
，和饱和含水量θ
s
，其特征在于包括以下步骤：步骤1，对于已知的将土壤的初始含水量分布剖面θ
s
‑
θ
i
(z)分割成N个等宽的长条形，取每个条形的中心点作为该分割的标志点ξ
j
，则，则式中，Z
max
是已知土壤水分剖面的最大深度；Z0、Z1分别是第1个等宽长条形的上端和下端在土壤水分剖面中所处的位置；Z
N
是第N个等宽长条形的下端在土壤水分剖面中所处的位置；步骤2，根据步骤1的分割剖面，土壤累积入渗量I被表示为黎曼和的形式：式(13)中，J
w0
(z
fe
＝ξ
j
)是当虚拟的活塞型的湿润区长度z
fe
到达标志点ξ
j
时的表层土壤入渗率；Δt
j
和
△
I
j
分别是z
fe
经历ΔZ
j
距离时所需的时间以及增加的入渗量；θ
i
(ξ
j
)是土壤水分剖面深度Z＝ξ
j
处的初始土壤含水量。利用一阶泰勒级数展开式和中心差分方法，θ
i
(ξ
j
)和J
w0
(z
fe
＝ξ
j
)被表示为：)被表示为：结合公式(13)和公式(14)计算得到ΔI
j
(j＝1,2,
···
N)，计算表达式为：对于已知的ΔI
j
(j＝1,2,
···
N)，结合公式(13)与公式(15)，计算得到Δt
j
(j＝2,
···
N)，计算表达式为：对于已知的Δt
j
(j＝1,2,
···
N)，z
fe
到达一个确定的土壤水分剖面深度Z
j
所用时间按照如下公式计算，
进而，对于给定的土壤的初始含水量分布剖面θ
s
‑
θ
i
(z)，可以计算得到了一条离散的土壤入渗能力曲线J
w0
(z
fe
)～t(z
fe
)；步骤3，对于步骤2所得到的离散的土壤入渗能力曲线，采用Philip二项边坡入渗公式进行参数α、β的拟合，进而获得一条连续的表层土壤入渗率曲线J
w0
(t)，J
w0
＝αt
β
+K
s
cosγ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)式中，γ为坡度，根据质量守恒原理，一条连续的累积入渗量曲线I(t)表示为，步骤4，根据降雨监测分辨率的大小，将非稳态降雨事件划分为分段式的稳态降雨区间，在第n段稳态降雨区间内的降雨速率r
n
(t)＝r
n
cosγ可以被表示为，r
n
(t)＝[R(t
n
)
‑
R(t
n
‑1)]/(t
n
‑
t
n
‑1)＝[R(t
n
)
‑
R(t
n
‑1)]/Δt
n
＝r
n
cosγ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)式中，t
n
与t
n
‑1分别是第n段和第n
‑
1段末的降雨历时，R(t
n
)与R(t
n
‑1)分别是第n段和第n
‑
1段末的累积降雨量；
△
t
n
为第n段的降雨区间时长；步骤5，对于第一段稳态降雨，降雨速率为r1cosγ，区间内的积水时间t
p
、虚拟时间t
s
以及稳态降雨下产生积水时的累积入渗量I
p
通过下式被计算，通过下式被计算，通过下式被计算，此时的土壤入渗能力通过如下公式描述，J
w0
＝α[t
‑
(t
p
‑
t
s
)]
β
+K
s
cosγ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)累积入渗量I(t1)通过公式(21)与下式联立计算获得，I(t1)＝t
p
r1cosγ+I(t
s
+Δt1‑
t
p
)
‑
I(t
s
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)累积径流量F(t1)被表示为，F(t1)＝αt1r1cosγ
‑
I(t1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)；步骤6，基于时间压缩方法，计算第n
‑
1段末(n>2)的土壤入渗能力J
w0
(t
sn
‑1)，I[J
w0
(t
sn
‑1)]＝I(t
n
‑1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)式中，I(t
n
‑1)为在n
‑
1段稳态降雨区间末的土壤累积入渗量；步骤7，根据比较土壤入渗能力J
w0
(t
sn
‑1)与降雨速率r
n
cosγ的大小，确定在第n段稳态降雨区间内，积水发生的时间以及径流产生量；a).当J
w0
(t
sn
‑1)≤r
n
cosγ时，表明在第n段稳态降雨区间...

【专利技术属性】
技术研发人员：马东豪，吴思聪，张佳宝，陈梁宏，
申请(专利权)人：中国科学院南京土壤研究所，
类型：发明
国别省市：