CN104751011B - 一种地下水补给植被的临界埋深计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水补给植被的临界埋深计算方法，所述方法包括：采集数据；建立已知土壤的规则模型；计算有效孔径；毛管水最大上升高度计算；计算地下水补给植被临界埋深。本发明通过分析地下水与植被根系作用关系，阐述地下水补给地表植被物理过程，并定义了地下水补给地表植被的临界埋深；以潜水活动层厚度和植被根系层厚度为计算目标，构建了地下水补给植被确定地下水临界埋深计算方法，填补了技术空白。所述的方法物理过程与作用机制明确，对广大干旱区与半干旱区具有技术的通用性，为指导地下水资源合理开发利用与地下水含水层保护提供可靠的理论与技术支撑。

Description

一种地下水补给植被的临界埋深计算方法

技术领域

本发明涉及一种地下水补给植被的临界埋深计算方法，是一种生态水文分析计算方法，是一种适用于广大的干旱区与半干旱区以地下水补给天然植被为控制指标的地下水临界埋深计算方法。

背景技术

对干旱区与半干旱区而言，确定补给植被的地下水位，对于生态安全管理意义重大。降雨下渗进入土壤后，滞留土壤中供植被蒸腾或者裸土蒸发，如果降雨量足够大，还将继续入渗补给地下水。对于干旱区而言，其地下水来源于上游出山径流形成的潜流场，仅依靠降雨形成的土壤水不足以支撑地表植被，地表处于荒漠状态，只有在地下水潜水蒸发补给的条件下，才可以出现地表植被，这是绿洲安全的基础。对于半干旱区，其地下水来源于当地降水入渗形成的含水层，仅依靠降雨形成的土壤水可以支撑群落单一的低盖度地表植被，但只有在地下水潜水蒸发补给条件下，形成多样性丰富的高盖度植被群落，这是草原安全的基础。干旱区与半干旱区尽管地下水的来源不同，但是由潜水蒸发补给地表植被的原理却是相同的。因此，寻求并维持一个科学合理的地下水埋深，是保障干旱区与半干旱区生态安全和可持续发展的核心。但是，到目前为止还缺少建立在地下水补给植被机理基础上的分析计算方法，成为干旱区与半干旱区地下水与生态安全管理的瓶颈。

发明内容

本发明提出了一种地下水补给植被的临界埋深计算方法。其分析计算由两部分组成：一是连接地面的植被根系作用层，二是连接地下水面的潜水活动层。所述的方法原理以植被根系作用层与潜水活动层相接触而发生地下水补给植被，因此以二者之和作为地下水补给植被的临界埋深。

本发明的目的是这样实现的：一种地下水补给植被的临界埋深计算方法，所述方法的步骤如下：

采集数据的步骤：用于采集已知土壤与植被群落的各个参数，包括：土壤植被生理数据：根系作用层厚度，土壤物理数据：土壤实测有效粒径、土壤实测总孔隙度；

建立已知土壤的规则模型的步骤：用于建立多个土壤颗粒规则排列模型，将土壤实测总孔隙度与各个土壤颗粒规则排列模型的土壤总孔隙度进行比较，找到与已知土壤最接近的土壤颗粒规则排列模型，并以与已知土壤最接近的土壤颗粒规则排列模型作为已知土壤的规则模型；

计算有效孔径的步骤：用于利用已知土壤的规则模型的颗粒结构和土壤实测有效粒径计算出有效孔径；

毛管水最大上升高度计算的步骤：用于利用公式：

计算毛管水最大上升高度，其中：

γ—表面张力系数、ρ—液体密度、g—重力加速度、R—有效孔径；

计算地下水补给植被临界埋深的步骤：将根系作用层厚度与毛管水最大上升高度相加，得到地下水补给植被临界埋深。

进一步的，所述的“土壤颗粒规则排列模型”的土壤颗粒为三角形排列结构。

进一步的，所述的三角形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度为39.5%。

进一步的，所述的三角形排列结构的有效孔径计算公式为：R=0.1547D,

其中：R—有效孔径、D—土壤实测有效粒径。

进一步的，所述的“土壤颗粒规则排列模型”的土壤颗粒为四边形排列结构。

进一步的，所述的四边形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度为47.6%。

进一步的，所述的四边形排列结构的有效孔径计算公式为：R=0.2071D。

本发明产生的有益效果是：本发明通过分析地下水与植被根系作用关系，阐述地下水补给地表植被物理过程，并定义了地下水补给地表植被的临界埋深；以潜水活动层厚度和植被根系层厚度为计算目标，构建了地下水补给植被确定地下水临界埋深计算方法，填补了技术空白。所述的方法物理过程与作用机制明确，对广大干旱区与半干旱区具有技术的通用性，为指导地下水资源合理开发利用与地下水含水层保护提供可靠的理论与技术支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是地下水补给植被的临界埋深原理示意图；

图3是本发明的实施例二所述土壤颗粒为三角形排列结构示意图；

图4是本发明的实施例五所述土壤颗粒为四边形排列结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种地下水补给植被的临界埋深计算方法，流程如图1所示。

植被根系作用层厚度进行实地观测，以土壤毛管水最大上升高度为潜水活动层厚度指标进行模型分析计算，本实施例所述方法的具体步骤如下：

采集数据的步骤：用于采集已知土壤与植被群落的各个参数，包括：土壤植被生理数据：根系作用层厚度，土壤物理数据：土壤实测有效粒径、土壤实测总孔隙度。

本实施例将被检测的自然土壤称为“已知土壤”。对已知土壤的实际测量十分重要，是基本数据的采集，应尽可能的精确。

其中根系作用层与当地植被的各种植物的根系有关，通常根系作用层的计算以计算大型植物的根系深度为准。但当植被以小型植物为主时，则应当以小型植物的根系深度为准。

土壤实测有效粒径则需要测量已知土壤的多种粒径，并对各种粒径进行研究和计算，得到平均粒径或方差粒径作为土壤实测有效粒径。

土壤实测总孔隙度一般可查阅各省《土种志》获取，或通过对已知土壤进行多个室外采样和室内试验，寻找各个土壤样品的容重和比重，根据公式计算总孔隙度的平均值，作为实测土壤总孔隙度。

土壤总孔隙度的计算公式为：

其中：n——为土壤总孔隙度，W_r为土壤容重，W_d为土壤比重。

建立已知土壤的规则模型的步骤：用于建立多个土壤颗粒规则排列模型，将土壤实测总孔隙度与各个土壤颗粒规则排列模型的土壤总孔隙度进行比较，找到与已知土壤最接近的土壤颗粒规则排列模型，并以与已知土壤最接近的土壤颗粒规则排列模型作为已知土壤的规则模型。

为计算毛管水最大上升高度首先需建立已知土壤的规则模型，因此，本步骤是本实施例十分关键的步骤。在通常情况下，已知土壤的孔隙度与有效粒径是比较容易测量与获取的两个参数，这两个参数间接反映了土壤有效孔径的信息。如何将其合理转化成有效孔径是难点。

本实施例提出建立多个土壤颗粒规则排列模型，模拟自然土壤的颗粒结构，并计算出各个模型的孔隙度。之后以自然土壤的实测孔隙度计算出总孔隙度（毛孔隙度），并与各个土壤颗粒规则排列模型的总孔隙度进行比较，找到与已知土壤的总孔隙度一致或接近土壤颗粒规则模型，则以该土壤规则模型作为已知土壤的规则模型，为计算已知土壤的有效孔径打下基础，以此种方式解决了自然土壤难于计算有效孔径的问题。

为了方便计算，需要假设模型中的土壤颗粒大小一致且分布均匀。虽然这是假设，但实际中同一区域同类土壤的孔径十分接近，可以看成相同，这样的孔径实际上是平均水平，可以看成是当量孔径。对于一个大范围天然的土壤分布，这样的假定符合平均情况，精度是可靠的。

土壤颗粒一般呈球状晶体结构。建立土壤颗粒规则排列模型首先，对土壤颗粒进行概化：将土壤结构概化为形状规则、排列规则的球形颗粒。规则排列可以有多种选择的排列方式，即：可以垂直方向上对齐分布、水平方向上均匀分布。或者垂直方向上交错排列，水平方向上均匀排列。或者垂直方向上均匀分布，水平方向上交错排列等。当然还可以环绕交错排列等方式，这些方式还需进一步研究。总之可以通过这些排列获得各种总孔隙度，并与自然土壤的总孔隙度进行比较，寻找最接近的总孔隙度模型。

本步骤的目的是为找到大规模计算毛管上升高度的理论计算依据。迄今为止，鲜见有利用理论公式用于大规模计算毛管上升高度，尚未见对天然土壤进行大规模理论公式计算。理论公式利用受到限制的原因有如下几点：1）上述分析表明，理论公式计算毛管水上升高度的难点在于对土壤有效孔径的分析计算，很难获得直接观测资料；2）毛管水的作用常见于灌溉土壤水动力学，而田间土壤由于被人工耕耘破坏了天然晶体结构，有效孔径不一，难以获得；3）理论公式应用范围也受限制，当土壤颗粒过细，孔径过小时，毛管上升高度计算失效。基于上述原因，还没有一种具有规律性的、有效的、较能推广应用的方法。目前数量有限的文献较多见经验参数法和实测法。

在诸多毛管水上升高度计算的方法中，理论公式方法是计算的基本方法，获取有效孔径是计算的基础。有效孔径推求是一个比较麻烦的问题，因为考虑土壤颗粒间的孔隙大小、形状和连通情况非常复杂，很难找到有规则的孔隙管道来测量其直径，进行大小分级比较困难。因此，要采用理论公式法计算毛管水上升高度，关键在于有效孔径的计算。

本实施例采用实测和理论结合的方式，即：通过土壤实测总孔隙度，与规则模型的总孔隙度进行比较，得到相近的土壤颗粒规则模型，这些规则模型是已知，可以通过理论计算得到比较精确的结果，这样就相当于得到了比较接近实测土壤的情况了。土壤实测总孔隙度这个参数是比较能够反映土壤毛管水上升高度的参数，而且比较容易获取，因此，使用这个参数作为比较参数十分适当。

计算有效孔径的步骤：用于利用已知土壤的规则模型的颗粒结构和土壤实测有效粒径计算出有效孔径。根据土壤实测有效粒径的大小和土壤颗粒结构的规则排列，利用几何原理将颗粒之间的缝隙计算出来，作为有效孔径。

毛管水最大上升高度计算的步骤：用于利用公式：

计算毛管水最大上升高度，其中：

γ—表面张力系数、ρ—液体密度、g—重力加速度、R—有效孔径。

由于地下水补给植被临界埋深等于根系作用层厚度与潜水活动层厚度之和。在一定的气候与土壤条件下，根系层厚度与植被类型有关，可根据实地调查和已有植被生态学研究成果获取。潜水活动层的形成是毛细管力作用的结果，可将毛管水最大上升高度作为潜水活动层厚度指标。因此，毛管水最大上升高度的计算是确定地下水补给植被临界埋深的关键。

根据毛细现象的理论分析，将毛细管（管径很细的管子）插入液体中，受液体表面张力的影响，液体界面内侧的压力低于或高于大气压，从而导致液体在管内上升或下降，对于可浸润管壁，液体上升，对于不可浸润管壁，液体下降。在液体界面内外压力差与界面处液体的表面张力相平衡时，管内外产生高度差，即毛细现象。

借助于毛管力，由地下水潜水面上升进入土壤中的水称为毛管水，从地下水潜水面到毛管水所能到达的相对高度的上缘叫毛管水最大上升高度，也即潜水活动层厚度。根据毛细现象的理论分析，影响毛管水最大上升高度的主要因素是土壤孔径和水体的表面张力。

基于毛细理论，毛管水上升高度的计算公式为：

（1）

其中：

h——毛管水上升高度；

a——参数，，γ为表面张力系数，ρ为液体密度，g为重力加速度；

r——管径；

θ——液体与管壁之间的接触角。

对于土壤水而言，表面张力与气温有关，土壤物理学有制成的表格可查；水的密度、重力加速度为已知；当毛管水上升最高时，由于表面张力作用毛管水与空气接触的表面成球形，因此水气接触角为零度；土壤毛管孔径应为土壤当量孔径R，这与土壤颗粒的晶体结构有关，即为上述步骤中的有效孔径，这在“计算有效孔径的步骤”中已经解决。因此，毛管水最大上升高度H计算公式如下：

（2）

计算地下水补给植被临界埋深的步骤：将根系作用层厚度3与毛管水最大上升高度5相加，得到地下水补给植被临界埋深，如图2所示。

根据地下水补给植被的原理，在植被根系层与潜水活动层相切时，对应的地下水水位4为地下水补给植被的临界埋深。实际发生的可以补给地表植被的地下水水位应该在临界埋深之上。经过根系作用层与潜水活动层交叉点的地下水埋深为临界埋深，大型植物1可以获得地下水的补给，但小型的植物2则难于获得地下水的补给。临界埋深等于植被根系层厚度与潜水活动层厚度之和。因此，确定临界埋深的最重要的两个物理量是潜水活动层厚度和植被根系层厚度。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于“土壤颗粒规则排列模型”的细化。本实施例所述的“土壤颗粒规则排列模型”的土壤颗粒为三角形排列结构。

本实施例所述的土壤颗粒规则排列模型是规则的三角形排列结构，其平面俯视图如图3所示。规则三角形排列的土壤结构可看作高度为d₁、上下面边长为d₁的规则三棱柱内嵌3个1/6的球体7，其余部分（图3中的网格部分）为孔隙6，而三个球之间的部分8（图3中的涂黑部分）可以认为是有效孔隙。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于三角形排列结构的土壤颗粒的细化。本实施例所述的三角形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度为39.5%。

三角形排列的土壤颗粒的总孔隙度n为：

。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于三角形排列结构的有效孔径的细化。本实施例所述的三角形排列结构的有效孔径计算公式为：R=0.1547D,

其中：R—有效孔径、D—土壤实测有效粒径。

根据土壤粒径的大小和土壤结构，采用勾股定理，可计算不同土壤结构下的有效孔径。对规则三角形排列：

。

实施例五：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于“土壤颗粒规则排列模型”的细化。本实施例所述的“土壤颗粒规则排列模型”的土壤颗粒为四边形排列结构。

规则四边形排列的土壤结构可看作边长为d₂的正方体内镶嵌4个1/4的球体10，其余部分（图4中的网格部分）为孔隙9，而四个球之间的部分11（图4中的涂黑部分），是有效孔隙，其平面俯视图如图4所示。土壤结构内部包含着球形颗粒和孔隙，其中，颗粒之间孔隙中内切的圆柱形孔隙可看作土壤中的有效孔隙。

实施例六：

本实施例是实施例五改进，是实施例五关于四边形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度的细化。本实施例所述的四边形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度为47.6%。

四边形排列的土壤，总孔隙度为：

。

实施例七：

本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于四边形排列结构的有效孔径的细化。本实施例所述的四边形排列结构的有效孔径计算公式为：R=0.2071D,

其中：R—土壤颗粒的有效孔径、D—土壤实测有效粒径。

规则四边形排列：

。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如土壤颗粒规则排列模型的形式、比较方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种地下水补给植被的临界埋深计算方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

采集数据的步骤：用于采集已知土壤与植被群落的各个参数，包括土壤植被生理数据：根系作用层厚度，土壤物理数据：土壤实测有效粒径、土壤实测总孔隙度；

建立已知土壤的规则模型的步骤：用于建立多个土壤颗粒规则排列模型，将土壤实测总孔隙度与各个土壤颗粒规则排列模型的土壤总孔隙度进行比较，找到与已知土壤最接近的土壤颗粒规则排列模型，并以与已知土壤最接近的土壤颗粒规则排列模型作为已知土壤的规则模型；

计算有效孔径的步骤：用于利用已知土壤的规则模型的颗粒结构和土壤实测有效粒径计算出有效孔径；

毛管水最大上升高度计算的步骤：用于利用公式：

计算毛管水最大上升高度，其中：

γ—表面张力系数、ρ—液体密度、g—重力加速度、R—有效孔径；

计算地下水补给植被临界埋深的步骤：将根系作用层厚度与毛管水最大上升高度相加，得到地下水补给植被临界埋深。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“土壤颗粒规则排列模型”的土壤颗粒为三角形排列结构。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的三角形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度为39.5%。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的三角形排列结构的有效孔径计算公式为：R=0.1547D,

其中：R—有效孔径、D—土壤实测有效粒径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“土壤颗粒规则排列模型”的土壤颗粒为四边形排列结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的四边形排列结构的土壤颗粒的总孔隙度为47.6%。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的四边形排列结构的有效孔径计算公式为：R=0.2071D

其中：R—有效孔径、D—土壤实测有效粒径。