基于水面线形态的坡面径流估算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水面线形态的坡面径流估算方法，步骤包括：步骤1：建立基于积水剖面形态的坡面径流量的径流模型，依次求解单位宽度山坡的水量平衡关系、降雨条件下的入渗过程、单位流量、单宽流量、单位宽度的蓄水量、坡面水深、水量平衡方程，在均匀降雨条件下，降雨过程分为两个阶段，自此，建好径流模型；步骤2：结合实测资料，验证径流模型的准确性。本发明专利技术的方法，大幅简化了坡面径流过程计算工作量，只需要一场降雨资料，测定降雨强度、土壤初始含水率、出口处流量、以及产流时间，便能够模拟出径流过程。拟出径流过程。拟出径流过程。

【技术实现步骤摘要】
基于水面线形态的坡面径流估算方法


[0001]本专利技术属于农业水文过程分析
，涉及一种基于水面线形态的坡面径流估算方法。

技术介绍

[0002]在自然降雨条件下，坡耕地地表径流冲刷会带走大量泥沙和土壤养分，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。现有的径流预测方法均借助于运动波模型来求解坡面流的产汇流过程，然而运动波模型是高度非线性的，只能通过数值方法进行求解，这增加了径流预测的难度；同时，现有模型均未将积水剖面的形态考虑在内，事实上积水剖面关系到滞留在破面上的水量，这对退水过程中的径流具有很大的影响。
[0003]因此，建立一种基于水面线形态的坡面径流估算方法，便捷又准确地预测径流量，显得非常有必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于水面线形态的坡面径流估算方法，解决了现有技术坡面径流估算模型，操作不方便，预测结果不准确的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于水面线形态的坡面径流估算方法，按照以下步骤具体实施：
[0006]步骤1：建立基于积水剖面形态的坡面径流量的径流模型，具体过程如下：
[0007]根据降雨传递和转化机理，单位宽度山坡的水量平衡关系的表达式为：
[0008][0009]式(1)中，r(t)是降雨强度，单位是cm.min
‑1；t是降雨时间，单位是min；x是坡顶距离坡面任意位置处的距离，单位是m；i(t)是入渗速率，单位是cm.min
‑1；q(x,t)是单宽流量，单位是cm.min
‑1；S(x,t)是单宽坡面储水量，单位是cm2；
[0010]降雨条件下的入渗过程的表达式为：
[0011][0012]式(2)中，S是土壤吸渗率，单位是cm.min
‑
0.5
；t0是积水入渗和降雨入渗的时间差，单位是min，t0＝S2/(4p2)；t
p
是开始产流的时间，单位是min；
[0013]单位流量能够表示为山坡积水深度的函数，表达式是：
[0014]q(x,t)＝αh(x,t)
β
，
ꢀꢀ
(3)
[0015]式(3)中，α＝(sinslp)
1/2
/n，单位是cm
1/3
.min
‑1；slp是坡度，单位是度；n是曼宁糙率系数，单位是min.cm
‑
1/3
；β是表示水流形态的系数；h(x,t)是水深，单位是cm；
[0016]假设整个山坡上单位流量的变化率是一致的，等于平面出口的径流率，则单宽流
量的表达式为：
[0017]q(x,t)＝q(t)x，
ꢀꢀ
(4)
[0018]式(4)中，q(t)是产流速率，单位是cm.min
‑1；
[0019]假设距离之间的积水深度能够用指数函数来描述，那么，对于整个山坡，单位宽度的蓄水量的表达式是：
[0020][0021]式(5)中，a是经验指数；
[0022]用几何图形的面积近似单位宽度的地表滞留库，根据水积水剖面形状，假设单位宽度水面滞留量包括三种情况：
ⅰ
.矩形区域，
ⅱ
.椭圆面积的1/4，iii三角形面积，则分别对应有如下表达式：
[0023]S(x,t)＝h(x,t)x，
ꢀꢀ
(6A)
[0024][0025][0026]进一步地，式(6A)、式(6B)、式(6C)变换为下式：
[0027]S(x,t)＝kh(x,t)x，
ꢀꢀ
(7)
[0028]式(7)中，k是积水剖面形态系数，结合式(5)和式(7)，系数a＝(k+1)/k；
[0029]将式(4)和式(7)代入式(1)中，则有：
[0030][0031]结合式(3)和式(4)，坡面水深的表达式为：
[0032][0033]将式(9)代入式(8)中，水量平衡方程的表达式为：
[0034][0035]式(10)两边对距离x从0到L进行积分，则有：
[0036][0037]式(11)中，L是整个坡面的长度，单位是cm；
[0038]进一步对式(11)进行积分，则有：
[0039][0040]将式(12)中的变量q(t)和t分离，对方程两边积分后，式(12)变换为：
[0041][0042]为了获得式(13)的近似解，假设r(t)
‑
i(t)能够在较短的计算步长中近似为一个常数，
[0043]在均匀降雨条件下，降雨过程分为两个阶段，自此，建好径流模型；
[0044]步骤2：结合实测资料，验证径流模型的准确性。
[0045]本专利技术的有益效果是，先建立水面线形态函数，并将其代入水量平衡方程，然后分别建立了上升阶段和消退阶段的径流模型；通过12场实测径流资料获取得到模型参数，通过将模拟曲线与实测资料对比来验证该径流模型的准确性。本专利技术方法大幅简化了坡面径流过程计算工作量，只需要一场降雨资料，测定降雨强度、土壤初始含水率、出口处流量、以及产流时间，便能够模拟出径流过程。
附图说明
[0046]图1是本专利技术方法的原理简图；
[0047]图2是本专利技术方法的产流过程简图；
[0048]图3是本专利技术方法的参数拟合简图。
具体实施方式
[0049]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0050]参照图1、图2，本专利技术基于水面线形态的坡面径流估算方法，按照以下步骤具体实施：
[0051]步骤1：建立基于水面线形态的坡面径流量的径流模型，
[0052]具体过程如下：
[0053]根据降雨传递和转化机理，单位宽度山坡的水量平衡关系的表达式为：
[0054][0055]式(1)中，r(t)是降雨强度，单位是cm.min
‑1；t是降雨时间，单位是min；x是坡顶距离坡面任意位置处的距离，单位是m；i(t)是入渗速率，单位是cm.min
‑1；q(x,t)是单宽流量，单位是cm.min
‑1；S(x,t)是单宽坡面储水量，单位是cm2；
[0056]降雨条件下的入渗过程的表达式为：
[0057][0058]式(2)中，S是土壤吸渗率，单位是cm.min
‑
0.5
；t0是积水入渗和降雨入渗的时间差，单位是min，t0＝S2/(4p2)；t
p
是开始产流的时间，单位是min；
[0059]单位流量能够表示为山坡积水深度的函数，表达式是：
[0060]q(x,t)＝αh(x,t)
β
，
ꢀꢀ
(3)
[0061]式(3)中，α＝(sinslp)
1/2
/n，单位是cm
1/3
.min...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水面线形态的坡面径流估算方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1：建立基于水面线形态的坡面径流量的径流模型，具体过程如下：根据降雨传递和转化机理，单位宽度山坡的水量平衡关系的表达式为：式(1)中，r(t)是降雨强度，单位是cm.min
‑1；t是降雨时间，单位是min；x是坡顶距离坡面任意位置处的距离，单位是m；i(t)是入渗速率，单位是cm.min
‑1；q(x,t)是单宽流量，单位是cm.min
‑1；S(x,t)是单宽坡面储水量，单位是cm2；降雨条件下的入渗过程的表达式为：式(2)中，S是土壤吸渗率，单位是cm.min
‑
0.5
；t0是积水入渗和降雨入渗的时间差，单位是min，t0＝S2/(4p2)；t
p
是开始产流的时间，单位是min；单位流量能够表示为山坡积水深度的函数，表达式是：q(x,t)＝αh(x,t)
β
，
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，α＝(sinslp)
1/2
/n，单位是cm
1/3
.min
‑1；slp是坡度，单位是度；n是曼宁糙率系数，单位是min.cm
‑
1/3
；β是表示水流形态的系数；h(x,t)是水深，单位是cm；假设整个山坡上单位流量的变化率是一致的，等于平面出口的径流率，则单宽流量的表达式为：q(x,t)＝q(t)x，
ꢀꢀꢀ
(4)式(4)中，q(t)是产流速率，单位是cm.min
‑1；假设距离之间的积水深度能够用指数函数来描述，那么，对于整个山坡，单位宽度的蓄水量的表达式是：式(5)中，a是经验指数；用几何图形的面积近似单位宽度的地表滞留库，根据积水剖面形状，假设单位宽度水面滞留量包括三种情况：
ⅰ
.矩形区域，
ⅱ
.椭圆面积的1/4，iii三角形面积，则分别对应有如下表达...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶汪海，邵凡凡，王全九，苏李君，孙燕，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：