CN108491604A - 一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法 - Google Patents

一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法 Download PDF

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袁少雄
张豫
蔡德所
尹小玲
赵玲玲
熊海仙
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Abstract

本发明公开了一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，包括以下步骤，水土保持研究中的侵蚀问题受坡面水流流态、水流流速、平均水深、阻力大小和坡度等影响，对于研究对象的亚热带地区的水土流失项目，需要对每一项指标进行单独研究，找出土壤侵蚀的规律性，加强对水土流失治理的反映，坡面汇流沿程变化且不稳定，属三维运动，但是坡面水流具有范围广、水深浅等典型的浅水波特征。本发明通过将二维浅水波方程、非平衡的二维输沙方程和地面标高变化方程有机耦合，建立数值模拟模型，通过亚热带地区的水土保持试验中应用，验证数值模型，通过实践结果得出土壤侵蚀规律，能够准确的模拟出坡面流水深的变化规律和空间分布特征。

Description

一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法
技术领域
本发明涉及水土流失技术领域，尤其涉及一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法。
背景技术
水土流失（也被称为侵蚀作用或土壤侵蚀），是自然界的一种现象，是指地球的表面不断受到风、水、冰融等外力的磨损，地表土壤及母质、岩石受到各种破坏和移动、堆积过程以及水本身的损失现象，包括土壤侵蚀及水的流失，狭义的“水土流失”是特指水力侵蚀地表土壤的现象，使水土资源和土地生产力受到破坏和损失，影响到人类和其他动植物的生存，亚热带是地球上的一种气候地带，一般亚热带位于温带靠近热带的地区（大致23.5°N-40°N、23.5°S-40°S附近），亚热带的气候特点是其夏季与热带相似，但冬季明显比热带冷，最冷月均温在0摄氏度以上，亚热带有明显的雨季，水土流失严重，现有水土流失问题不能通过模型进行及时的模拟反映，没法准确的推测和概括区域水土流失的发展现状和发展趋向。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法。
本发明提出的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，包括以下步骤：
S1：水土保持研究中的侵蚀问题受坡面水流流态、水流流速、平均水深、阻力大小和坡度等影响，对于研究对象的亚热带地区的水土流失项目，需要对每一项指标进行单独研究，找出土壤侵蚀的规律性，加强对水土流失治理的反映；
S2：坡面汇流沿程变化且不稳定，属三维运动，但是坡面水流具有范围广、水深浅等典型的浅水波特征，可用二维浅水波方程进行描述，综合上研究区域的高程变化、土地利用情况；
S3：利用二维浅水波方程研究复杂的地形地貌、坡面流的流态、水深、流速、下垫面与阻力大小以及降雨大小与强度的时空分布特征，再讲不平衡输沙方程，地面变形方程与浅水波方程有机结合可以模拟出坡面水流及冲淤变化情况；
S4：假定xy为水平面，z为铅方向，忽略水平面上的黏性，铅垂方向受到重力和压力的作用显著，通过此时的二维浅水波方程：
∂h/∂t+∂M/∂x+∂N/∂y=0（1）
∂M/∂t+∂（u，M）/∂x+∂（v，M）/∂y= -g*h∂η/∂x-1/ρ*τhx（2）
∂N/∂t+∂（u，N）/∂x+∂（v，N）/∂y= -g*h∂η/∂y-1/ρ*τhy（3）
得出x方向和y方向的流量通量；
S5：因悬沙速度浓度不等于坡面流的挟沙能力，所以用平面非平衡泥沙浓度方程作为悬沙运动方程，即：
∂（hS）/∂t+∂（hmS）/∂x+∂（hvS）/∂y=∑s[∂2（hs）/∂x2+∂2（hs）/∂y2]+αω（SM-S）
水流挟沙能力为：
SM=KC（（√u2+v2）3/hω）
考虑到手气地面变化影响后的水流挟沙能力公式可表示为：
Γ，∂Z/∂t=αω（S-SM）
在每一段时间步长Δt内由于泥沙运动而引起的地面变化量ΔZ就可以根据下式进行计算，即：
ΔZ=1/Γ，αω（S-SM）Δt；
S6：通过悬沙运动方程结合亚热带地区的水土流失的边界条件及初始条件，得出模拟的结果，通过模拟结果对应出水土流失的耦合模型。
优选的，所述二维浅水波方程中的M（uh）、N（vh）分别为x方向和y方向的流量通量，u和v分别为x和y方向的流速，g为重力加速度，H表示水位，通常写为H=η=zb+h，其中h为水深，zb为淹没区的地形标高。
优选的，所述二维浅水波方程中的水体和地表之间的剪切应力箱，通过曼宁阻力公式得出。
优选的，所述水流挟沙能力中KC为挟沙能力系数，m为挟沙能力指数。
优选的，所述水流挟沙能力公式中Γ，为淤积物的干容量，Z为地面高程，t为时间。
优选的，所述边界条件为降雨径流观测数据，初始条件为初始区域内积水深度的初始值。
本发明中，通过将二维浅水波方程、非平衡的二维输沙方程和地面标高变化方程有机耦合，建立起了研究水土流失规律的数值模拟模型，通过亚热带地区的水土保持试验中应用，验证数值模型，通过实践结果，可以得出区域的下垫面特征、区域地形、坡度和降雨特征共同作用下的土壤侵蚀规律，能够准确的模拟出坡面流水深的变化规律和空间分布特征，研究对象的多样性和区域性不会局限模型的构建过程，适用性好。
附图说明
图1为本发明提出的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法的流程图；
图2为本发明提出的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法的求解二维浅水方程的数值结构模拟图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-2，一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，包括以下步骤：
S1：水土保持研究中的侵蚀问题受坡面水流流态、水流流速、平均水深、阻力大小和坡度等影响，对于研究对象的亚热带地区的水土流失项目，需要对每一项指标进行单独研究，找出土壤侵蚀的规律性，加强对水土流失治理的反映；
S2：坡面汇流沿程变化且不稳定，属三维运动，但是坡面水流具有范围广、水深浅等典型的浅水波特征，可用二维浅水波方程进行描述，综合上研究区域的高程变化、土地利用情况；
S3：利用二维浅水波方程研究复杂的地形地貌、坡面流的流态、水深、流速、下垫面与阻力大小以及降雨大小与强度的时空分布特征，再讲不平衡输沙方程，地面变形方程与浅水波方程有机结合可以模拟出坡面水流及冲淤变化情况；
S4：假定xy为水平面，z为铅方向，忽略水平面上的黏性，铅垂方向受到重力和压力的作用显著，通过此时的二维浅水波方程：
∂h/∂t+∂M/∂x+∂N/∂y=0（1）
∂M/∂t+∂（u，M）/∂x+∂（v，M）/∂y= -g*h∂η/∂x-1/ρ*τhx（2）
∂N/∂t+∂（u，N）/∂x+∂（v，N）/∂y= -g*h∂η/∂y-1/ρ*τhy（3）
得出x方向和y方向的流量通量；
S5：因悬沙速度浓度不等于坡面流的挟沙能力，所以用平面非平衡泥沙浓度方程作为悬沙运动方程，即：
∂（hS）/∂t+∂（hmS）/∂x+∂（hvS）/∂y=∑s[∂2（hs）/∂x2+∂2（hs）/∂y2]+αω（SM-S）
水流挟沙能力为：
SM=KC（（√u2+v2）3/hω）
考虑到手气地面变化影响后的水流挟沙能力公式可表示为：
Γ，∂Z/∂t=αω（S-SM）
在每一段时间步长Δt内由于泥沙运动而引起的地面变化量ΔZ就可以根据下式进行计算，即：
ΔZ=1/Γ，αω（S-SM）Δt；
S6：通过悬沙运动方程结合亚热带地区的水土流失的边界条件及初始条件，得出模拟的结果，通过模拟结果对应出水土流失的耦合模型。
本发明中，二维浅水波方程中的M（uh）、N（vh）分别为x方向和y方向的流量通量，u和v分别为x和y方向的流速，g为重力加速度，H表示水位，通常写为H=η=zb+h，其中h为水深，zb为淹没区的地形标高，二维浅水波方程中的水体和地表之间的剪切应力箱，通过曼宁阻力公式得出，水流挟沙能力中KC为挟沙能力系数，m为挟沙能力指数，水流挟沙能力公式中Γ，为淤积物的干容量，Z为地面高程，t为时间，边界条件为降雨径流观测数据，初始条件为初始区域内积水深度的初始值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：水土保持研究中的侵蚀问题受坡面水流流态、水流流速、平均水深、阻力大小和坡度等影响，对于研究对象的亚热带地区的水土流失项目，需要对每一项指标进行单独研究，找出土壤侵蚀的规律性，加强对水土流失治理的反映；
S2：坡面汇流沿程变化且不稳定，属三维运动，但是坡面水流具有范围广、水深浅等典型的浅水波特征，可用二维浅水波方程进行描述，综合上研究区域的高程变化、土地利用情况；
S3：利用二维浅水波方程研究复杂的地形地貌、坡面流的流态、水深、流速、下垫面与阻力大小以及降雨大小与强度的时空分布特征，再讲不平衡输沙方程，地面变形方程与浅水波方程有机结合可以模拟出坡面水流及冲淤变化情况；
S4：假定xy为水平面，z为铅方向，忽略水平面上的黏性，铅垂方向受到重力和压力的作用显著，通过此时的二维浅水波方程：
∂h/∂t+∂M/∂x+∂N/∂y=0（1）
∂M/∂t+∂（u，M）/∂x+∂（v，M）/∂y= -g*h∂η/∂x-1/ρ*τhx（2）
∂N/∂t+∂（u，N）/∂x+∂（v，N）/∂y= -g*h∂η/∂y-1/ρ*τhy（3）
得出x方向和y方向的流量通量；
S5：因悬沙速度浓度不等于坡面流的挟沙能力，所以用平面非平衡泥沙浓度方程作为悬沙运动方程，即：
∂（hS）/∂t+∂（hmS）/∂x+∂（hvS）/∂y=∑s[∂2（hs）/∂x2+∂2（hs）/∂y2]+αω（SM-S）
水流挟沙能力为：
SM=KC（（√u2+v2）3/hω）
考虑到手气地面变化影响后的水流挟沙能力公式可表示为：
Γ，∂Z/∂t=αω（S-SM）
在每一段时间步长Δt内由于泥沙运动而引起的地面变化量ΔZ就可以根据下式进行计算，即：
ΔZ=1/Γ，αω（S-SM）Δt；
S6：通过悬沙运动方程结合亚热带地区的水土流失的边界条件及初始条件，得出模拟的结果，通过模拟结果对应出水土流失的耦合模型。
2.根据权利要求1所述的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，其特征在于，所述二维浅水波方程中的M（uh）、N（vh）分别为x方向和y方向的流量通量，u和v分别为x和y方向的流速，g为重力加速度，H表示水位，通常写为H=η=zb+h，其中h为水深，zb为淹没区的地形标高。
3.根据权利要求1所述的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，其特征在于，所述二维浅水波方程中的水体和地表之间的剪切应力箱，通过曼宁阻力公式得出。
4.根据权利要求1所述的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，其特征在于，所述水流挟沙能力中KC为挟沙能力系数，m为挟沙能力指数。
5.根据权利要求1所述的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，其特征在于，所述水流挟沙能力公式中Γ，为淤积物的干容量，Z为地面高程，t为时间。
6.根据权利要求1所述的一种亚热带地区水土流失耦合模型构建方法，其特征在于，所述边界条件为降雨径流观测数据，初始条件为初始区域内积水深度的初始值。
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