CN105005687B - 一种潜水蒸发条件下地下水临界深度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种潜水蒸发条件下地下水临界深度的计算方法，属于地下水临界深度的计算方法。计算方法基于Mualem‑Van Genuchten土壤水分特征曲线方程和Gardner的一维均质土潜水稳定蒸发模型的计算方法。步骤：1、确定研究区域的面积和计算时段；2、确定研究区域的Mualem‑Van Genuchten土壤水分特征曲线方程的参数；3、确定研究区域的计算表土蒸发强度和地表处的土壤负压绝对值；4、计算研究区域的潜水蒸发条件下地下水临界深度。优点：该地下水临界深度计算方法，可以快速有效的计算地下水临界深度，计算结果具有很好的参考价值，有利于工程和科研人员使用，解决地下水临界深度计算方法的空白和取值不确定性的技术问题，可应用于不同地区和不同土壤类型。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下水临界深度的计算方法，特别是一种潜水蒸发条件下地下水临界深度的计算方法。
背景技术
潜水蒸发问题对于防治土壤盐渍化等具有重要的研究意义，目前的裸地潜水蒸发模型，可以分为经验性模型和机理性模型。经验性模型通常假设潜水蒸发强度与水面蒸发强度和地下水埋深等因素有关，通过不同型式的数学公式来拟合实验数据，包括叶水庭等的指数型公式、沈立昌的双曲型经验公式、雷志栋等的半经验－半机理性模型、对数型公式和阿维里扬诺夫公式等。机理性模型主要基于达西定律，如Gardner的一维均质土潜水稳定蒸发模型。
地下水临界深度是土壤盐碱化(指土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，使盐分积累在表层土壤中的过程，又称土壤盐渍化)领域一个重要概念，是控制地下水深度，防治土壤盐碱化的一个重要指标。为了防治土壤盐碱化，一般在干旱季节将地下水位控制在临界深度以下。地下水临界深度的概念最早由原苏联土壤学家波勒诺夫提出来的。在我国，有多种定义，包括“在一定的自然条件和农业技术措施条件下,为了保证土壤不产生盐渍化和作物不受盐害所要求保持的地下水最小埋藏深度”(郭元裕.农田水利学.北京:中国水利水电出版社，1997，65-67.)；“保证作物根层土壤不发生盐渍化所要求的地下水最小埋藏深度”(张明炷.土壤学与农作学.北京:中国水利水电出版社，1994，45-50.)；“在干旱季节，根层土壤积盐不致危害作物生长的最浅的地下水埋藏深度”(方生，陈秀玲.防治灌区土壤盐碱化与水资源开发利用.水利规划与设计，1997，(4):23-27.)；“不引起土壤严重积盐、且不危害作物生长的最小地下水埋深”(赵锁志，孔凡吉，王喜宽，李世宝，蒙奎文.地下水临界深度的确定及其意义探讨－以河套灌区为例.内蒙古农业大学学报，2008，29(4)：164－167.)。
地下水临界深度确定的方法主要包括田间调查法和公式法。田间调查法通过调查不同地下水埋深时的土壤积盐情况，确定不致引起土壤积盐的地下水埋藏深度。公式法多采用“临界深度＝最大毛管上升高度+耕作层厚度”计算。由于地形、土壤异质性和实验条件的不稳定性等因素，最大毛管上升高度这一参数较难测定，且存在很强的时空变异性。
影响地下水临界深度的主要因素有气候、土壤特性、水文地质条件和地下水状况等，从而导致地下水临界深度处于一个动态变化过程中，而上述因素的相对稳定性又使得地下水临界深度处于一个相对稳定的区间。
田间调查法和公式法，很难避免土壤时空异质性、地形和实验条件对地下水临界深度的确定造成的影响，目前的计算方法没有考虑土壤特性、水文地质条件和地下水状况等变量。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算方便，精度较高，有利于工程和科研人员使用的潜水蒸发条件下地下水临界深度的计算方法，解决地下水临界深度计算方法的空白和取值不确定性的技术问题。
本发明的目的是这样实现的：该计算方法基于Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程和Gardner的一维均质土潜水稳定蒸发模型的计算方法，包括以下步骤：
步骤1、确定研究区域的面积和计算时段；
所述研究区域的面积大于10000m2，土壤特性、水文地质条件、地下水状况和人为措施均有不同，进行分区研究，最终地下水临界深度以各区计算值的面积加权平均值确定；
所述计算时段指的是所要研究临界深度为年均临界深度或某月临界深度；当为年均临界深度，则蒸发量Ey应为(3－5)年气象资料的年均蒸发量的日平均值；当为某月临界深度，则蒸发量Em应为(3－5)年气象资料的某月均蒸发量的日平均值；
步骤2、确定研究区域的Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程的参数；
带有参数l的Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程如式(1)和(2)，
K(h)＝KsΘl[1-(1-Θ1/m)m]2. (1)
式中：θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；θr为枯萎点含水率，cm3/cm3；K(h)为土壤非饱和水力导水率，cm/d；Θ为土壤饱和度；α为进气值的倒数，cm-1；Ks为土壤饱和水力导水率，cm/d；h为土壤负压水头，cm；n，m和l为土壤水分特征曲线方程参数，无量纲；
所述参数(θs，θr，α，Ks，n，m和l)的确定采用现场试验法、实验室测试法、土壤转换函数方法和文献调研法；四种方法的优先次序依次为现场试验法、实验室测试法、土壤转换函数方法、文献调研法；
所述的现场试验法，采用水平土柱法确定Ks；采用现场土壤负压水头和体积含水率实测值，通过最小二乘法或RETC软件拟核θs，θr，α，n，m和l；
所述的实验室测试法，使用土壤水分特征曲线测定仪，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
所述的土壤转换函数方法，根据现场土壤基本物理参数，通过文献上已有的当地的土壤转换函数，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
所述的文献调研法，通过文献上已有的土壤水分特征曲线方程的参数，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
步骤3、确定研究区域的计算表土蒸发强度和地表处的土壤负压绝对值；
所述计算表土蒸发强度为0.1Ey或Em；
所述当有现场测试数据时，获得地表处的土壤负压绝对值；当没有现场测试数据时，地表处的土壤负压绝对值可以取15000cm；
步骤4、计算研究区域的潜水蒸发条件下地下水临界深度，如式(3)
式中：E为计算表土蒸发强度，cm/d；K(h)为土壤非饱和水力导水率，cm/d；z为潜水蒸发条件下的地下水临界深度，cm；h为土壤负压水头，cm；ha为地表处的土壤负压绝对值，cm；
所述步骤4，通过联立公式(1)、(2)和(3)来实现，或基于Matlab或Fortran语言编译实现；
所述步骤4，土壤负压绝对值在0－1cm变化区间内，△h小于等于0.1cm；土壤负压绝对值在1－100cm变化区间内，△h小于等于1cm；土壤负压绝对值在大于100变化区间内，△h大于等于1cm，不大于10cm。
有益效果，由于采用了上述方案，该计算方法，通过考虑多个影响因素，提供了一种计算方便，精度较高，有利于工程和科研人员使用的地下水临界深度计算方法，解决地下水临界深度计算方法的空白和取值不确定性的技术问题。
优点：该地下水临界深度计算方法，可以快速有效的计算地下水临界深度，计算结果具有很好的参考价值，有利于工程和科研人员使用，解决地下水临界深度计算方法的空白和取值不确定性的技术问题。
附图说明
图1是本发明的潜水蒸发条件下地下水临界深度的计算方法流程图。
图2是本发明潜水蒸发时土壤含水率和土壤负压(绝对值)与深度的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，来说明本发明的具体实施步骤和效果。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
该计算方法基于Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程和Gardner的一维均质土潜水稳定蒸发模型的计算方法，包括以下步骤：
步骤1、确定研究区域的面积和计算时段；
所述研究区域的面积大于10000m2，土壤特性、水文地质条件、地下水状况和人为措施均有不同，进行分区研究，最终地下水临界深度以各区计算值的面积加权平均值确定；
所述计算时段指的是所要研究临界深度为年均临界深度或某月临界深度；当为年均临界深度，则蒸发量Ey应为(3－5)年气象资料的年均蒸发量的日平均值；当为某月临界深度，则蒸发量Em应为(3－5)年气象资料的某月均蒸发量的日平均值；
步骤2、确定研究区域的Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程的参数；
带有参数l的Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程如式(1)和(2)，
K(h)＝KsΘl[1-(1-Θ1/m)m]2. (1)
式中：θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；θr为枯萎点含水率，cm3/cm3；K(h)为土壤非饱和水力导水率，cm/d；Θ为土壤饱和度；α为进气值的倒数，cm-1；Ks为土壤饱和水力导水率，cm/d；h为土壤负压水头，cm；n，m和l为土壤水分特征曲线方程参数，无量纲；
所述参数(θs，θr，α，Ks，n，m和l)的确定采用现场试验法、实验室测试法、土壤转换函数方法和文献调研法；四种方法的优先次序依次为现场试验法、实验室测试法、土壤转换函数方法、文献调研法；
所述的现场试验法，采用水平土柱法确定Ks；采用现场土壤负压水头和体积含水率实测值，通过最小二乘法或RETC软件拟核θs，θr，α，n，m和l；
所述的实验室测试法，使用土壤水分特征曲线测定仪，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
所述的土壤转换函数方法，根据现场土壤基本物理参数，通过文献上已有的当地的土壤转换函数，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
所述的文献调研法，通过文献上已有的土壤水分特征曲线方程的参数，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
步骤3、确定研究区域的计算表土蒸发强度和地表处的土壤负压绝对值；
所述计算表土蒸发强度为0.1Ey或Em；
所述当有现场测试数据时，获得地表处的土壤负压绝对值；当没有现场测试数据时，地表处的土壤负压绝对值可以取15000cm；
步骤4、计算研究区域的潜水蒸发条件下地下水临界深度，如式(3)
式中：E为计算表土蒸发强度，cm/d；K(h)为土壤非饱和水力导水率，cm/d；z为潜水蒸发条件下的地下水临界深度，cm；h为土壤负压水头，cm；ha为地表处的土壤负压绝对值，cm；
所述步骤4，通过联立公式(1)、(2)和(3)来实现，或基于Matlab或Fortran语言编译实现；
所述步骤4，土壤负压绝对值在0－1cm变化区间内，△h小于等于0.1cm；土壤负压绝对值在1－100cm变化区间内，△h小于等于1cm；土壤负压绝对值在大于100变化区间内，△h大于等于1cm，不大于10cm。
实施例1：采用本发明提出的计算方法对河北省石家庄市某区域的潜水蒸发条件下地下水临界深度进行计算。
计算土壤选自河北省石家庄市某区域，与蒸发作用密切相关的上层土为研究对象，该土壤容重为1.387g/cm3，θs，θr，α，n，Ks，m和l分别为0.4243cm3/cm3，0.0598cm3/cm3，0.00827cm-1，4.25243，1.08864cm/d，0.76484和0.5。
研究区域的面积较小(小于10000m2)，计算时段为年均临界深度。多年平均蒸发量为1677.8mm，Ey应0.45967cm/d，计算表土蒸发强度为0.045967cm/d，地表处的土壤负压绝对值取15000cm。联立公式(1)、(2)和(3)，基于Fortran语言编译，计算得到该区域地下水临界深度为138.44cm。图2为潜水蒸发条件下土壤含水率和土壤负压(绝对值)与深度的关系图，从图中可以得到潜水蒸发土壤不同深度的土壤含水率和土壤负压。
从上述实施例可以看出，基于本发明的潜水蒸发条件下地下水临界深度计算方法，可以快速有效的计算地下水临界深度，有利于工程和科研人员使用，解决地下水临界深度计算方法的空白和取值不确定性的问题，可应用于不同地区和不同土壤类型。
应当指出，对于工程和科研人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种潜水蒸发条件下地下水临界深度的计算方法，其特征是：该计算方法基于Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程和Gardner的一维均质土潜水稳定蒸发模型的计算方法，包括以下步骤：
步骤1、确定研究区域的面积和计算时段；
步骤2、确定研究区域的Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程的参数；
带有参数l的Mualem-Van Genuchten土壤水分特征曲线方程如式(1)和(2)，
K(h)＝KsΘl[1-(1-Θ1/m)m]2. (1)
式中：θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；θr为枯萎点含水率，cm3/cm3；K(h)为土壤非饱和水力导水率，cm/d；Θ为土壤饱和度；α为进气值的倒数，cm-1；Ks为土壤饱和水力导水率，cm/d；h为土壤负压水头，cm；n，m和l为土壤水分特征曲线方程参数，无量纲；不同土壤的取值有一定的范围；
步骤3、确定研究区域的计算表土蒸发强度和地表处的土壤负压绝对值；
步骤4、计算研究区域的潜水蒸发条件下地下水临界深度，如式(3)
式中：E为计算表土蒸发强度，cm/d；z为潜水蒸发条件下的地下水临界深度，cm；ha为地表处的土壤负压绝对值，cm；
步骤1中，所述的研究区域的面积大于10000m2，土壤特性、水文地质条件、地下水状况和人为措施均有不同，进行分区研究，最终地下水临界深度以各区计算值的面积加权平均值确定；
所述计算时段指的是所要研究临界深度为年均临界深度或某月临界深度；当为年均临界深度，则蒸发量Ey应为3－5年气象资料的年均蒸发量的日平均值；当为某月临界深度，则蒸发量Em应为3－5年气象资料的某月均蒸发量的日平均值；
步骤2中，所述参数θs，θr，α，Ks，n，m和l的确定采用现场试验法、实验室测试法、土壤转换函数方法和文献调研法；四种方法的优先次序依次为现场试验法、实验室测试法、土壤转换函数方法、文献调研法；
所述的现场试验法，采用水平土柱法确定Ks；采用现场土壤负压水头和体积含水率实测值，通过最小二乘法或RETC软件拟合θs，θr，α，n，m和l；
所述的实验室测试法，使用土壤水分特征曲线测定仪，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
所述的土壤转换函数方法，根据现场土壤基本物理参数，通过文献上已有的当地的土壤转换函数，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
所述的文献调研法，通过文献上已有的土壤水分特征曲线方程的参数，确定θs，θr，α，Ks，n，m和l；
步骤3中，所述计算表土蒸发强度为0.1Ey或Em；
当有现场测试数据时，获得地表处的土壤负压绝对值；当没有现场测试数据时，地表处的土壤负压绝对值取15000cm；
步骤4中，通过联立公式(1)、(2)和(3)来实现，基于Matlab或Fortran语言编译实现；
土壤负压绝对值在0－1cm变化区间内，△h小于等于0.1cm；土壤负压绝对值在1－100cm变化区间内，△h小于等于1cm；土壤负压绝对值在大于100变化区间内，△h大于等于1cm，不大于10cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |