CN106909731A - 一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法,包括:建立土壤膨胀特征曲线和土壤应力—应变关系曲线;建立膨胀性土壤饱和水分运动参数模型,包括膨胀性土壤饱和含水量、饱和比容积和饱和含水量;非稳定降雨过程模拟;入渗产流情景分析;膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟。本发明考虑土壤膨胀变形主要与初始含水量和上覆荷载等有关,采用考虑土壤膨胀性的土壤饱和水分运动参数计算模型,基于Green‑Ampt模型(格林‑安普特模型)提出了考虑土壤膨胀变形的降雨入渗产流模型方法,有助于完善土壤水分运动理论,对膨胀性土壤水分管理与调控具有指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法,是一种水文模拟方法。
背景技术
分析流域降雨-入渗-产流间的内在关系,实现流域入渗产汇流过程的模拟,在水资源管理、评价、防洪减灾等领域具有重要意义。当前,非膨胀性土壤入水分运动过程研究方面,已经开展了大量室内外试验,并建立相关数学模型。然而,这些针对刚性土壤的研究成果不适用于描述膨胀性土壤水分运动过程。膨胀性土壤吸水膨胀,失水收缩,湿胀干缩过程极大地影响着土壤水分运动过程。世界上膨胀性土壤分布广泛,膨胀性土壤变形不仅影响着土壤水文过程,也会给工程建设带来一系列问题,已成为工程地质学、水文学和土力学等学界关注的重点。然而,当前针对膨胀性土壤变形对土壤产汇流过程的影响研究尚未见报道。
发明内容
为了克服现有技术的问题,本发明提出了一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法。所述的方法首先给出了考虑土壤膨胀性的土壤饱和水分运动参数计算方法,进而提出了考虑土壤膨胀变形的降雨入渗产流模型方法。
本发明的目的是这样实现的:一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法,所述方法包括两个部分:考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算和膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟;
考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算包括如下步骤:
建立土壤膨胀特征曲线的步骤:不考虑自重应力条件下,土壤吸水后在膨胀力的作用下土壤自由变形,土壤膨胀变形量是土壤含水量的函数,可以采用三直线模型计算:
(1)
式中:v为土壤饱和比容积;U为质量含水量;α 1、α 2、α 3为土壤膨胀特征曲线斜率;U A 、U B 、U S 分别为拐点处质量含水量;a、b、c为参数。
建立土壤应力—应变关系曲线的步骤:在建立土壤膨胀特征曲线的同时,考虑自重应力作用下,土壤变形过程可以用对数函数描述:
(2)
式中:ρ s 为土壤容重;p为应力;γ为土壤湿比重;z为土壤深度;A和B为参数;本步骤完成后进入“计算土壤膨胀力和自重应力综合作用导致的土壤变形量步骤”;
计算土壤膨胀力和自重应力综合作用导致的土壤变形量步骤:膨胀性土壤在土壤膨胀力和自重应力的共同影响下,土壤膨胀变形后的土壤孔隙度变化量可以表示为:
(3)
, (4)
式中:e为土壤孔隙度;de w 为由土壤吸水膨胀导致的孔隙度变化量;de p 为由土壤自重应力导致的孔隙度变化量;U为土壤质量含水量;α为土壤膨胀特征曲线的斜率;β为土壤应力—应变关系曲线斜率;σ为自重应力,本步骤完成后进入“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”;
建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤:假设土壤膨胀变形是由土壤孔隙度的变化引起的,则当土壤饱和时,根据公式(1),土壤膨胀力引起的孔隙度变化量可以表示为:
(5)
同理,根据公式(2),土壤自重应力引起的孔隙度变化量可以表示为:
(6)
式中:ρ d 为土粒密度;e 0为土壤初始孔隙度;
当土壤饱和时,土壤孔隙被水分充满,即土壤饱和含水量等于孔隙度,则土壤剖面饱和含水量总量可以表示为:
(7)
式中:θ T 为土壤深度z以上区域的饱和含水量;
建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤:通过孔隙度计算饱和导水系数:
(8)
式中:K s (e)为孔隙度为e时的土壤饱和导水系数;K 0为孔隙度为e 0时的土壤饱和导水系数;m为与土壤孔隙度性质有关的参数;
建立土壤饱和比容积计算模型的步骤:土壤容重在土壤膨胀力和自重应力的共同作用下随土壤深度的变化量计算:
(9)
则在某一土壤深度下:
(10)
式中:dρ sw 为由土壤吸水膨胀导致的容重变化量;dρ sp 为由土壤自重应力导致的容重变化量;ρ s0为初始土壤容重;
“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”三个步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”;
膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟包括如下步骤:
降雨过程模拟的步骤:由于自然降雨的雨强随着降雨历时的变化而变化,为了模拟雨强随时间的变化关系,将降雨过程分为连续x个时段,每个时段内的降雨强度恒定;
其中:x(x∈0,1,……,n),n为时段数。
入渗产流情景分析的步骤:用于在“降雨过程模拟”的同时,根据时段内降雨强度、时段初积水深和潜在入渗强度,时段内入渗过程分为以下四种情景进行分析:
情景a:h 0= 0,I > f pt ≥ K s (e);I为x时段降雨强度;h 0为时段初积水深度;f pt 为积水入渗率;
在情景a下,随着降雨的持续,地表开始积水,土壤入渗过程可以分为非积水入渗过程和积水入渗过程;
情景b:h 0 > 0,P’+ I < K s (e)≤ f pt ;P’为对应深度的雨强;
在情景b下,随着入渗过程的进行,土壤积水全部渗入土壤,土壤开始进行非积水入渗过程,土壤入渗过程分为积水入渗过程和非积水入渗过程;
情景c:h 0 >0,P’+ I ≥f pt ≥K s (e);
在情景c下,土壤继续进行积水入渗过程;
情景d:h 0= 0,I < K s (e)≤ f pt ;
在情景d下,土壤持续进行非积水入渗过程。
入渗产流过程模拟的步骤:取地面为参照面,向下为正,膨胀性土壤吸水膨胀变形,土壤变形受土壤膨胀力和自重应力影响,导致土壤湿润区剖面饱和导水系数、饱和含水量和饱和比容积均随深度变化而变化;
根据达西定理有:
积水前:
(11)
积水后:
(12)
忽略地表积水:
(13)
式中:f npt 为积水前入渗强度;I为雨强;f p 为积水后土壤入渗率;SW为湿润锋土壤水吸力;Z为湿润锋距离;
由水量平衡原理,得出某一时刻t的累计入渗量F表示为:
(14)
令: (15)
则:
(16)
式中:θ T 为湿润锋以上土壤饱和含水量;
(17)
积分得:
(18)
(19)
积水时刻t p 确定:
(20)
(21)
式中:F p 积水发生时刻土壤累计入渗量;t p 为土壤表层积水发生时间;I p 为土壤表层积水发生时的时段降雨强度;t为时间;q 0为土壤初始含水量;A为参数。
本发明产生的有益效果是:本发明考虑土壤膨胀变形主要与初始含水量和上覆荷载等有关,膨胀变形量随土壤深度增加而增加。土壤吸水膨胀变形主要受膨胀力和自重应力的作用,其中膨胀力随土壤含水量变化而变化,自重应力随土壤深度变化而变化。随土壤深度的增加,土壤受力变形特征发生改变,进而引起土壤饱和含水量、饱和导水系数、饱和比容积等参数变化,变化的土壤水分运动参数改变了土壤剖面水分入渗过程。通过以上分析,考虑土壤膨胀性的土壤饱和水分运动参数计算,提出了考虑土壤膨胀变形的降雨入渗产流模型方法,有助于完善土壤水分运动理论,对膨胀性土壤水分管理与调控具有指导作用。
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是本发明的实施例一所述方法的积水过程和非积水过程转换情景a示意图;
图3是本发明的实施例一所述方法的积水过程和非积水过程转换情景b示意图;
图4是本发明的实施例一所述方法的积水过程和非积水过程转换情景c示意图;
图5是本发明的实施例一所述方法的积水过程和非积水过程转换情景d示意图;
图6是本发明的实施例一所述方法的土壤入渗过程示意图。
具体实施方式
实施例一:
本实施例是一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法,以模拟膨胀性土壤分布地区的降雨产汇流过程。所述方法包括两个部分:考虑土壤膨胀性的饱和水分运动参数计算和膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟,如图1所示。
考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算包括如下步骤:
1)建立土壤膨胀特征曲线的步骤:不考虑自重应力条件下,土壤吸水后在膨胀力的作用下土壤自由变形,土壤膨胀变形量是土壤含水量的函数,可以采用三直线模型计算:
(1)
式中:v为比容积,是土壤容重的倒数,cm 3 /g;U为质量含水量,g/g;α 1、α 2、α 3为土壤膨胀特征曲线斜率;U A 、U B 、U S 分别为拐点处质量含水量,g/g;a、b、c为参数。
2)建立土壤应力—应变关系曲线的步骤:在建立土壤膨胀特征曲线的同时,在自重应力作用下,土壤变形过程可以用对数函数描述:
(2)
式中:ρ s 为土壤容重,g / cm 3;p为应力,N/cm 2;γ为土壤湿比重,N/cm 3;z为土壤深度;A和B为参数。本步骤完成后进入“计算土壤膨胀力和自重应力综合作用导致的土壤变形量步骤”。
3)建立土壤膨胀和自重应力综合作用导致的土壤变形步骤:在土壤膨胀力和自重应力的共同影响下,土壤膨胀变形后的土壤孔隙度变化量可以表示为:
(3)
, (4)
式中:e为土壤孔隙度,cm 3/cm 3;de w 为由土壤吸水膨胀导致的孔隙度变化量;de p 为由土壤自重应力导致的孔隙度变化量;U为土壤质量含水量,g/g;α为土壤膨胀特征曲线斜率;β为土壤应力——应变关系曲线斜率;σ为自重应力,N/cm 2;γ为土壤湿比重,N/cm 3;z为土壤深度,cm。本步骤完成后同时进入“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”。
4)建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤:用于假设土壤膨胀变形是由土壤孔隙度的变化引起的,则当土壤饱和时,根据公式(1),土壤膨胀力对孔隙度变化的影响可以表示为:
(5)
同理,根据公式(2),土壤自重应力对孔隙度变化的影响可以表示为:
(6)
式中:ρ d 为土粒密度,g/cm 3;e 0为土壤初始孔隙度,cm 3/cm 3;其它符号含义同前。
当土壤饱和时,土壤孔隙被水分充满,即土壤饱和含水量等于孔隙度,则土壤剖面深度z处饱和含水量总量可以表示为:
(7)
式中:θ T 为土壤深度z以上区域的饱和含水量,cm 3/cm 3;z为土壤深度,cm;其它符号含义同前。
5)建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤:受土壤孔隙度随土壤深度的变化,导致土壤饱和导水系数随深度的变化而变化。针对土壤饱和导水系数,Lambe给出了饱和导水系数与孔隙度的关系:
(8)
式中:K s (e)为孔隙度为e时土壤饱和导水系数,cm/min;K 0为孔隙度为e 0时土壤饱和导水系数,cm/min;m为与土壤孔隙度性质有关的参数。
6)建立土壤饱和比容积计算模型的步骤:土壤容重在土壤膨胀力和自重应力的共同作用下随土壤深度的不同有所不同,其变化量可以表示为:
(9)
则在某一土壤深度下:
(10)
式中:v为土壤饱和比容积,cm 3 /g;ρ s 为土壤容重,g /cm 3;dρ sw 为由土壤吸水膨胀导致的容重变化量;dρ sp 为由土壤自重应力导致的容重变化量;ρ s0为初始土壤容重。
“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”三个步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”。
膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟包括如下步骤:
(1)降雨过程模拟:由于自然降雨的雨强随着降雨历时的变化而变化,为了模拟雨强随时间的变化关系,将降雨过程分为连续x个时段,每个时段内降雨强度恒定。
其中:x(x∈0,1,……,n),n为时段数。
(2)入渗产流情景分析的步骤:用于在“降雨过程模拟”的同时,根据时段内降雨强度、时段初积水深和潜在入渗强度,时段内入渗过程可以分为以下情景:
情景a:h 0 = 0,I > f pt ≥ K s (e),其中K s (e)为膨胀性土壤湿润区导水系数;I为雨强;h 0 为时段初积水深度;f pt 为积水入渗率。这种情况下,随着降雨的持续,地表开始积水,土壤入渗过程可以分为非积水入渗过程和积水入渗过程,如图2所示。
情景b:h 0 > 0,P’+ I < K s (e)≤ f pt ;P’为对应深度的雨强。这种情况下,随着入渗过程的进行,土壤积水全部渗入土壤,土壤开始进行非积水入渗过程。土壤入渗过程分为积水入渗过程和非积水入渗过程,如图3所示。
情景c:h 0 >0,P’+ I ≥f pt ≥K s (e)。这种情况下,土壤继续进行积水入渗过程,如图4所示。
情景d:h 0= 0,I < K s (e)≤ f pt 。这种情况下,土壤持续进行非积水入渗过程。如图5所示。
由于降雨过程中,雨强非恒定,因此,将降雨过程划分为x个时段,每个时段内降雨强度恒定,x(x∈0,1,……,n),n为时段数。同一降雨时段(t x-1 ~ t x )内,降雨入渗特性由本时段的降雨强度I、时段初的积水深度h 0 和潜在入渗强度f pt 决定。由于积水深度h 0 与雨强单位不同,模型计算时,将h 0 除以相应时段,转换为雨强P’。本步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”。
(3)入渗产流过程模拟的步骤:用于取地面为参照面,向下为正如图6所示。膨胀性土壤吸水膨胀变形,土壤变形受土壤膨胀力和自重应力影响,导致土壤湿润区剖面饱和导水系数、饱和含水量和饱和比容积均随深度变化而变化。
为了便于分析,做如下假设:
①变形前土壤为均质土壤;
②土壤变形为弹性,即变形无滞后性;
③土壤变形只引起土壤孔隙度变化;
④入渗过程中存在明确的湿润锋面,湿润锋面将湿润区和未湿润区截然分开,湿润区土壤达到饱和,未湿润区土壤含水量为初始含水量。采用膨胀性土壤饱和导水系数K s (e)描述湿润区导水系数,膨胀性土壤饱和含水量θ T 描述湿润锋以上饱和含水量。
根据达西定理有:
积水前: (11)
积水后: (12)
忽略地表积水: (13)
式中:f npt 为积水前入渗强度,cm/min;I为雨强,cm/min;f p 为积水后土壤入渗率,cm/min;SW为湿润锋土壤水吸力,cm;h 0 为积水深度,cm;Z为湿润锋距离,cm;其它符号同前。
由水量平衡原理,可以得出某一时刻t的累计入渗量F可以表示为:
(14)
令: (15)
则: (16)
式中:θ T 为湿润锋以上土壤饱和含水量,cm3/cm3;F为土壤累计入渗量,cm。
(17)
积分得: (18)
(19)
积水时刻t p 确定:
(20)
(21)
式中:f npt 为非积水时段入渗强度,cm/min;F p 积水发生时刻土壤累计入渗量,cm;F为土壤累计入渗量,cm;t p 为土壤表层积水发生时间,min;I p 为土壤表层积水发生时的时段降雨强度,cm/min;I为x时段降雨强度,cm/min;f pt 为积水时段土壤入渗率,cm/min;t为时间min;q 0 为土壤初始含水量,cm3/cm3;q T 为湿润锋以上土壤饱和含水量,cm3/cm3;SW为湿润锋平均吸力,cm;A为参数;K s (e)为土壤饱和导水系数,cm/min。
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(比如各种公式的运用、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 (1)
1.一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法,其特征在于,所述方法包括两个部分:考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算和膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟;
考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算包括如下步骤:
建立土壤膨胀特征曲线的步骤:不考虑自重应力条件下,土壤吸水后在膨胀力的作用下土壤自由变形,土壤膨胀变形量是土壤含水量的函数,可以采用三直线模型计算:
(1)
式中:v为土壤饱和比容积;U为质量含水量;α 1、α 2、α 3为土壤膨胀特征曲线斜率;U A 、U B 、U S 分别为拐点处质量含水量;a、b、c为参数;
建立土壤应力—应变关系曲线的步骤:在建立土壤膨胀特征曲线的同时,考虑自重应力作用下,土壤变形过程可以用对数函数描述:
(2)
式中:ρ s 为土壤容重;p为应力;γ为土壤湿比重;z为土壤深度;A和B为参数;本步骤完成后进入“计算土壤膨胀力和自重应力综合作用导致的土壤变形量步骤”;
建立土壤膨胀和自重应力综合作用导致的土壤变形步骤:膨胀性土壤在土壤膨胀力和自重应力的共同影响下,土壤膨胀变形后的土壤孔隙度变化量可以表示为:
(3)
, (4)
式中:e为土壤孔隙度;de w 为由土壤吸水膨胀导致的孔隙度变化量;de p 为由土壤自重应力导致的孔隙度变化量;U为土壤质量含水量;α为土壤膨胀特征曲线斜率;β为土壤应力—应变关系曲线斜率;σ为自重应力,本步骤完成后同时进入“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”;
建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤:假设土壤膨胀变形是由土壤孔隙度的变化引起的,则当土壤饱和时,根据公式(1),土壤膨胀力引起的孔隙度变化量可以表示为:
(5)
同理,根据公式(2),土壤自重应力引起的孔隙度变化量可以表示为:
(6)
式中:ρ d 为土粒密度;e 0为土壤初始孔隙度;
当土壤饱和时,土壤孔隙被水分充满,即土壤饱和含水量于孔隙度,则土壤剖面饱和含水量总量可以表示为:
(7)
式中:θ T 为土壤深度z以上区域的饱和含水量;
建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤:通过孔隙度计算饱和导水系数:
(8)
式中:K s (e)为孔隙度为e时的土壤饱和导水系数;K 0为孔隙度为e 0时的土壤饱和导水系数;m为与土壤孔隙度性质有关的参数;
建立土壤饱和比容积计算模型的步骤:在土壤容重在土壤膨胀力和自重应力的共同作用下随土壤深度的变化量计算:
(9)
则在某一土壤深度下:
(10)
式中:dρ sw 为由土壤吸水膨胀导致的容重变化量;dρ sp 为由土壤自重应力导致的容重变化量;ρ s0为初始土壤容重;
“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”三个步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”;
膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟包括如下步骤:
降雨过程模拟的步骤:由于自然降雨的雨强随着降雨历时的变化而变化,为了模拟雨强随时间的变化关系,用于将降雨过程分为连续x个时段,每个时段内降雨强度恒定;
其中:x(x∈0,1,……,n),n为时段数,本步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”;
入渗产流情景分析的步骤:用于在“降雨过程模拟”的同时,根据时段内降雨强度、时段初积水深和潜在入渗强度,时段内入渗过程分为以下四种情景进行分析:
情景a:h 0= 0, I > f pt ≥ K s (e);I为x时段降雨强度;h 0为时段初积水深度;f pt 为积水入渗率;
在情景a下,随着降雨的持续,地表开始积水,土壤入渗过程可以分为非积水入渗过程和积水入渗过程;
情景b:h 0 > 0,P’+ I < K s (e)≤ f pt ;P’为对应深度的雨强;
在情景b下,随着入渗过程的进行,土壤积水全部渗入土壤,土壤开始进行非积水入渗过程,土壤入渗过程分为积水入渗过程和非积水入渗过程;
情景c:h 0 >0,P’+ I ≥f pt ≥K s (e);
在情景c下,土壤继续进行积水入渗过程;
情景d:h 0= 0,I < K s (e)≤ f pt ;
在情景d下,土壤持续进行非积水入渗过程;
入渗产流过程模拟的步骤:用于取地面为参照面,向下为正,膨胀性土壤吸水膨胀变形,土壤变形受土壤膨胀力和自重应力影响,导致土壤湿润区剖面饱和导水系数、饱和含水量和饱和比容积均随深度变化而变化;
根据达西定理有:
积水前:
(11)
积水后:
(12)
忽略地表积水:
(13)
式中:f npt 为积水前入渗强度;I为雨强;f p 为积水后土壤入渗率;SW为湿润锋土壤水吸力;Z为湿润锋距离;
由水量平衡原理,得出某一时刻t的累计入渗量F表示为:
(14)
令:
(15)
则:
(16)
式中:θ T 为湿润锋以上土壤饱和含水量;
(17)
积分得: (18)
(19)
积水时刻t p 确定:
(20)
(21)
式中:F p 为积水发生时刻土壤累计入渗量;t p 为土壤表层积水发生时间;I p 为土壤表层积水发生时的时段降雨强度;t为时间;q 0为土壤初始含水量;A为参数。
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