CN108956948A - 一种多孔材料对平原区产流影响的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多孔材料对平原区产流影响的识别方法，包括步骤：确定研究区土壤有效深度，并确定多孔材料掩埋总量；布设实验小区，将各实验小区分别设置为未掩埋多孔材料的对照组和掩埋多孔材料的实验组，以进行对照实验；设定降雨强度，连续降雨至各实验小区均开始产流，结束降雨，记录产流开始时间和结束时间；设定时间间隔，记录各时段产流量，绘制流量过程曲线；计算各实验小区产流开始时间、结束时间和产流总历时的相对差异值，量化多孔材料对产流时间的影响；计算各实验小区产流总量相对差异值，量化多孔材料对产流量的影响；计算各实验小区流量过程曲线变差系数相对差异值，量化多孔材料对产流过程的影响。

Description

一种多孔材料对平原区产流影响的识别方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料对平原区产流的影响识别方法。

背景技术

降雨产流是水文循环的关键环节，也是流域洪水预报的核心任务。近年来，受气候变化和人类活动的影响，流域原有的水文节律发生了变化。城市化的加快，原有的透水地面不断被硬化地面和硬化屋顶所替代，流域自身的雨水滞留能力减弱，径流系数增大，使得洪涝灾害频发。为缓解城镇化带来的洪涝灾害风险，我国于2012年提出了“海绵城市”的概念，倡导低影响开发。

纯天然生态多孔材料，基于自身巨大的孔隙结构，均匀排列的纤维组成，相对较小的毛细作用，使其能够自然、就地和连续地对雨水进行渗透、缓冲和排放；安装在土壤中，通过与四周土体建立水力联系，可有效提高土壤水分的入渗性能，增加土壤持水能力，减少地表径流损失量，增加有效降雨。目前已广泛应用于海绵城市建设中。

然而，截止到目前，多孔材料对产流影响的研究还处于探索阶段，量化多孔材料对产流影响大小的方法鲜有报道。基于此，探寻多孔材料对产流影响的评价指标，并给出评价指标的详细计算方法，成为本发明拟解决的问题。

发明内容

为量化多孔材料对产流的影响，探寻多孔材料对产流影响的评价指标，本发明提供了一种多孔材料对平原区产流的影响识别方法。

本发明的技术方案如下：

一种多孔材料对平原区产流影响的识别方法，其特征在于，包括步骤：

S1：确定研究区土壤有效深度，并确定多孔材料掩埋总量；

S2：布设实验小区，将实验小区分别设置为未掩埋多孔材料的对照组和掩埋多孔材料的实验组，以进行对照实验；

S3：设定降雨强度，连续降雨至各实验小区均开始产流，结束降雨，记录产流开始时间和结束时间；

S4：设定时间间隔，记录各时段产流量，绘制流量过程曲线；

S5：计算各实验小区产流开始时间、结束时间和产流总历时的相对差异值，量化多孔材料对产流时间的影响；

S6：计算各实验小区产流总量相对差异值，量化多孔材料对产流量的影响；

S7：计算各实验小区流量过程曲线变差系数相对差异值，量化多孔材料对产流过程的影响。

其中，所述S1的详细步骤为：

S11：基于研究区当地土肥站监测数据，结合《中国土种志》土壤特性记载，确定研究区土壤有效深度；

S12：根据实验小区土壤孔隙度提升目标，结合研究区土壤有效深度和小区规格，确定多孔材料掩埋总量，具体计算公式为：

式中，V表示多孔材料掩埋量，m³；V₀表示实验小区土壤有效体积，m³；表示实验小区初始土壤孔隙度，％；表示实验小区土壤孔隙度提升目标，％；表示多孔材料孔隙度，％；h₀表示研究区土壤有效深度，m；L表示实验小区长度，m；D表示实验小区宽度，m；

其中，所述S2的详细步骤为：

设定实验小区长度和宽度，对实验小区四周进行围挡，形成多个半封闭实验小区，于各实验小区一侧安装三角堰集水槽，并于集水槽一侧安装集水量筒，集水槽与集水量筒通过橡胶管联通，监测产水量。

优选地，所述实验小区为四个，分别将四个实验小区设置成三个对照组和一个实验组，实验组按照正方形布局均匀掩埋多孔材料，对照组未掩埋多孔材料。

其中，所述S4的详细步骤为：各实验小区开始产流后，设定时间间隔，连续记录各时段产流量，根据各时段产流量和产流时间，计算时段平均流量，绘制流量过程曲线，计算公式如下：

Q_i＝W_i/T

式中，Q_i表示i时段平均流量，m³/s；W_i表示i时段产流量，m³；T表示产流时间， s。

其中，所述S5的详细步骤为：

S51：根据产流开始和结束时间，计算各实验小区产流总历时；

S52：计算三个对照组和实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时的相对差异值，确定多孔材料对产流时间的影响，计算公式如下：

式中，C_始、C_末、C_总分别表示多孔材料对产流开始、产流结束和产流总历时的影响，s；分别表示实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时， s；分别表示三个对照组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时。

其中，所述S6的详细步骤为：对实验小区各时段产流量进行统计加和，获得产流总量；计算对照组和实验组产流总量相对差异值，确定多孔材料对产流量的影响大小，计算公式如下：

式中，△W表示多孔材料对产流量的影响大小，m³；表示实验组产流总量， m³；表示三个对照组产流总量，m³。

其中，所述S7的详细步骤为：

S71：基于S4步骤获得的流量过程曲线，计算各实验小区产流过程变差系数，计算公式为：

式中，C_V表示实验小区产流过程变差系数；Q_i表示i时段平均流量，m³/s；表示流量均值，m³/s；N表示记录时段个数；

S72：计算对照组和实验组产流过程变差系数相对差异量，确定多孔材料对产流过程的影响，计算公式如下：

式中，D表示多孔材料对产流过程的影响大小，％；C_V-0表示实验组产流过程变差系数；C_V-1、C_V-2、C_V-3表示三个对照组产流过程变差系数。

附图说明

在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。

在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。

图1示意性示出根据本发明的一种多孔材料对平原区产流的影响识别方法的流程图；

图2示意性示出用于实现根据本发明方法的实验小区的布设图；

图3示意性示出用于实现根据本发明方法的一个实验小区的结构图；

图4示意性的给出了确定多孔材料对产流时间和产流量大小影响的原理图；

图5示意性的给出了确定多孔材料对产流过程影响的原理图；

其中：D1：对照组一；D2：对照组二；D3：对照组三；S：实验组；M：多孔材料；1：实验小区；2：隔水挡板；3：三角堰集水槽；4：集水量筒。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。

如图1所示，本发明提供了一种多孔材料对平原区产流的影响识别方法，具体包括以下步骤：

S1：确定研究区土壤有效深度，并确定多孔材料掩埋总量V。具体而言，

S11：利用研究区当地土肥站监测数据，结合《中国土种志》土壤特性记载，确定研究区土壤的有效深度h₀。

S12：根据实验小区土壤孔隙度的提升目标、多孔材料自身孔隙度特征，结合研究区土壤有效深度和小区规格，确定多孔材料掩埋量，完成实验小区布设。多孔材料掩埋量计算公式为：

式中，V表示多孔材料掩埋量，m3；V0表示实验小区土壤有效体积，m3；表示实验小区初始土壤孔隙度，％；表示实验小区土壤孔隙度提升目标，％；表示多孔材料孔隙度，％；h0表示研究区土壤有效深度，m；L表示实验小区长度，m；D 表示实验小区宽度，m。

S2：布设实验小区，将各实验小区分别设置为未掩埋多孔材料的对照组和掩埋多孔材料的实验组，以进行对照实验。

具体地，根据实验需要，设定实验小区的规格大小(长×宽)，采用2mm钢板对小区四周进行围挡，形成半封闭空间；与小区一侧安装三角堰集水槽，集水槽利用2mm 钢板焊接而成，并于集水槽一侧安装集水量筒，并通过橡胶管将集水槽与集水量筒联通以监测产流量，集水量筒为5mm无色有机玻璃材质，一侧含刻度。所述各实验小区出现产流的判定标准为集水量筒内开始积水。

优选地，所述实验小区为四个，分别将四个实验小区设置成三个对照组和一个实验组，实验组按正方形布局布设多孔材料，对照组与实验组的唯一区别是未掩埋多孔材料。

S3：进行对照实验，设定降雨强度，连续降雨至各实验小区开始产流，记录产流开始时间和结束时间。

具体地，各实验小区顶部利用圆形喷头，进行人工降雨，设定降雨雨强，连续降雨至各实验小区集水量筒内均开始积水时停止，记录各实验小区集水量筒开始积水时间。

S4：设定时间间隔，记录各时段产流量，绘制流量过程曲线(Q-t)。

其具体表现为，各实验小区开始产流后，设定时间间隔T，连续记录各时段产流量Wi；根据各时段产流量和产流时间，计算时段平均流量，绘制流量过程曲线，计算公式如下：

Qi＝Wi/T

式中，Qi表示i时段平均流量，m3/s；Wi表示i时段产流量，m3；T表示产流时间，s。

S5：计算各实验小区产流开始时间、结束时间和产流总历时的相对差异值，以此为评价指标，量化多孔材料对产流时间的影响。

具体而言，

S51：根据各实验小区产流开始时间和结束时间，计算各实验小区产流总历时；

S52：以对照组为参考，计算对照组和实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时的相对差异量，以此为评价指标，确定多孔材料对产流时间的影响，计算公式如下：

式中，C_始、C_末、C_总分别表示多孔材料对产流开始、产流结束和产流总历时的影响，s；分别表示实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时，s；分别表示三个对照组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时。

S6：计算各实验小区产流总量相对差异值，以此为评价指标，量化多孔材料对产流量的影响大小。

具体地，将对照组和实验组各时段产流量分别进行统计加和，获得各实验小区产流总量；计算对照组和实验组产流总量相对差异值，以此为评价指标，确定多孔材料对产流量的影响大小，计算公式如下：

式中，△W表示多孔材料对产流量的影响大小，m³；W_总0表示实验组产流总量， m³；表示三个对照组产流总量，m³。

S7：计算各实验小区流量过程曲线变差系数相对差异值，以此为评价指标，量化多孔材料对产流过程的影响。

具体地，

S71：根据对照组和实验组流量过程曲线，计算各实验区产流过程的变差系数，计算公式如下：

式中，C_V表示实验小区产流过程变差系数；Q_i表示i时段平均流量，m³/s；表示流量均值，m³/s；N表示记录时段个数；

S72：计算对照组和实验组产流过程变差系数相对差异量，以此为评价指标，确定多孔材料对产流过程的影响，计算公式如下：

式中，D表示多孔材料对产流过程的影响大小，％；C_V-0表示实验组产流过程变差系数；C_V-1、C_V-2、C_V-3表示三个对照组产流过程变差系数。

以五道沟水文实验站为研究区，于站内选取实验小区，开展控制实验，探究多孔材料对平原区产流的影响。实验站位于淮河流域安徽省蚌埠市，站内土壤为砂姜黑土。选取多孔材料为一种以天然岩棉为材料的纯天然生态纤维棉，孔隙度为96.0％。

S1：根据站内提供的监测数据，结合《中国土种志》土壤特性记载，站内砂姜黑土有效深度约1.5m，孔隙度为49.4％。根据实验需要，设定实验小区1规格为4×5m，小区顶部4m高出装有阳光棚，棚上安装圆形喷头，作为人工降雨装置；小区四周采用2mm钢板(隔水挡板)2围挡，于小区一侧安装三角堰集水槽3，集水槽利用2mm 钢板焊接而成，并通过橡胶管与集水量筒联通，集水量筒4为5mm无色有机玻璃材质，一侧含刻度。设定小区土壤孔隙度提升目标为在现有孔隙度基础上提升5％，即小区土壤孔隙度增长为51.9％，则多孔材料掩埋量为：

S2：设立三个对照组(对照组一D1、对照组二D2、对照组三D3)和一个实验组 S，实验组S按正方形布局均匀布设多孔材料M，对照组与实验组的唯一区别是未掩埋多孔材料，如图2所示。

S3：利用人工降雨装置，按照20年一遇降雨，设定降雨强度，连续降雨至各实验小区集水量筒内均开始积水，停止降雨，并记录各实验小区产流开始时间。

S4：实验小区1开始产流后，设定时间间隔为3min，连续记录各时段产流量Wi；根据各时段产流量和产流时间，计算时段平均流量，绘制流量过程曲线，计算公式如下：

Qi＝Wi/T

式中，Qi表示i时段平均流量，m3/s；Wi表示i时段产流量，m³；T表示产流时间，s。

S5：根据各实验小区产流开始时间和结束时间，计算各实验小区产流总历时，以对照组为参考，计算对照组和实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时的差异量(如图3所示)，以此为评价指标，确定多孔材料对产流时间的影响，计算公式如下：

式中，C_始、C_末、C_总分别表示多孔材料对产流开始、产流结束和产流总历时的影响，s；分别表示实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时， s；分别表示三个对照组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时。

S6：将对照组和实验组各时段产流量分别进行统计加和，获得各实验小区产流总量W总i；计算对照组和实验组产流总量相对差异值(详见图3)，以此为评价指标，确定多孔材料对产流量的影响大小，计算公式如下：

式中，△W表示多孔材料对产流量的影响大小，m³；表示实验组产流总量，m³；表示三个对照组产流总量，m³。

S7：根据对照组和实验组流量过程曲线，计算各实验区产流过程的变差系数(CV)值，计算公式如下：

式中，C_V表示实验小区产流过程变差系数；Q_i表示i时段平均流量，m³/s；表示流量均值，m³/s；N表示记录时段个数。

计算对照组和实验组产流过程变差系数相对差异量(如图4所示)，以此为评价指标，确定多孔材料对产流过程的影响，计算公式如下：

式中，D表示多孔材料对产流过程的影响大小，％；C_V-0表示实验组产流过程变差系数；C_V-1、C_V-2、C_V-3表示三个对照组产流过程变差系数。

Claims (8)

1.一种多孔材料对平原区产流影响的识别方法，其特征在于，包括步骤：

S1：确定研究区土壤有效深度，并确定多孔材料掩埋总量；

S2：布设实验小区，将各实验小区分别设置为未掩埋多孔材料的对照组和掩埋多孔材料的实验组，以进行对照实验；

S3：设定降雨强度，连续降雨至各实验小区均开始产流，结束降雨，记录产流开始时间和结束时间；

S4：设定时间间隔，记录各时段产流量，绘制流量过程曲线；

S5：计算各实验小区产流开始时间、结束时间和产流总历时的相对差异值，量化多孔材料对产流时间的影响；

S6：计算各实验小区产流总量相对差异值，量化多孔材料对产流量的影响；

S7：计算各实验小区流量过程曲线变差系数相对差异值，量化多孔材料对产流过程的影响。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1的详细步骤为：

S11：基于研究区当地土肥站监测数据，结合《中国土种志》土壤特性记载，确定研究区土壤有效深度；

S12：根据实验小区土壤孔隙度提升目标，结合研究区土壤有效深度和小区规格，确定多孔材料掩埋总量，具体计算公式为：

式中，V表示多孔材料掩埋量，m³；V₀表示实验小区土壤有效体积，m³；φ₀表示实验小区初始土壤孔隙度，％；φ₁表示实验小区土壤孔隙度提升目标，％；φ₂表示多孔材料孔隙度，％；h₀表示研究区土壤有效深度，m；L表示实验小区长度，m；D表示实验小区宽度，m。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2的详细步骤为：

设定实验小区长度和宽度，对实验小区四周进行围挡，形成多个半封闭实验小区，于各实验小区一侧安装三角堰集水槽，并于集水槽一侧安装集水量筒，集水槽与集水量筒通过橡胶管联通，监测产流量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述实验小区为四个，分别将四个实验小区设置成三个对照组和一个实验组，实验组按照正方形布局均匀掩埋多孔材料，对照组未掩埋多孔材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4的详细步骤为：各实验小区开始产流后，设定时间间隔，连续记录各时段产流量，根据各时段产流量和产流时间，计算时段平均流量，绘制流量过程曲线，计算公式如下：

Q_i＝W_i/T

式中，Q_i表示i时段平均流量，m³/s；W_i表示i时段产流量，m³；T表示产流时间，s。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S5的详细步骤为：

S51：根据产流开始和结束时间，计算各实验小区产流总历时；

S52：计算三个对照组和实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时的相对差异值，确定多孔材料对产流时间的影响，计算公式如下：

式中，C_始、C_末、C_总分别表示多孔材料对产流开始、产流结束和产流总历时的影响，s；t_始0、t_末0、t_总0分别表示实验组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时，s；t_始1、t_末1、t_总1；t_始2、t_末2、t_总2；t_始3、t_末3、t_总3分别表示三个对照组产流开始时间、产流结束时间和产流总历时。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S6的详细步骤为：对实验小区各时段产流量进行统计加和，获得产流总量；计算对照组和实验组产流总量相对差异值，确定多孔材料对产流量的影响大小，计算公式如下：

式中，△W表示多孔材料对产流量的影响大小，m³；W_总0表示实验组产流总量，m³；W_总1、W_总2、W_总3表示三个对照组产流总量，m³。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S7的详细步骤为：

S71：基于S4步骤获得的流量过程曲线，计算各实验小区产流过程变差系数，计算公式为：

式中，C_V表示实验小区产流过程变差系数；Q_i表示i时段平均流量，m³/s；表示流量均值，m³/s；N表示记录时段个数；

S72：计算对照组和实验组产流过程变差系数相对差异量，确定多孔材料对产流过程的影响，计算公式如下：

式中，D表示多孔材料对产流过程的影响大小，％；C_V-0表示实验组产流过程变差系数；C_V-1、C_V-2、C_V-3表示三个对照组产流过程变差系数。