CN109709015A - 一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，属于土壤水文学领域。本方法通过将土壤水分剖面划分为优先流区域与基质流区域，根据运动波下渗理论提出一种优先流区域与基质流区域通过自由水面双向耦合的下渗模型。本发明提供的下渗方法能够反映湿润锋变化以及优先流与基质流的土壤水分互馈，解决了当前下渗方法中难以定量描述优先流现象的难题，具有较强的工程意义。

Description

一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法

技术领域

本发明涉及一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，属于土壤水文学领域。

背景技术

优先流是指通过空隙、虫洞、植物根系等通道，绕过土壤基质在土壤中快速通过的现象。优先流在自然界中广泛存在，且对土壤水文过程以及生态环境产生重要影响。但因其运动规律复杂，不遵循达西定律描述下的土壤水运动规律，因此难以对优先流进行模拟。

目前，对优先流现象的认识主要停留在概念描述上，如下渗速度快，受到的阻力较小等，但缺乏对其下渗过程的模拟。一般下渗理论如运动波下渗理论将土壤水运动看成一个整体，难以区分土壤分中的“快速流”与“慢速流”，因此无法对优先流现象进行有效刻画，不能反映实际的土壤水运动规律。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出了一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，解决现有技术中土壤水模拟过于概化、不能有效描述优先流现象的技术问题。

本发明为解决其技术问题采用如下的技术方案：

一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，包括如下步骤：

(1)采用染色实验方法将研究区域土壤剖面纵向划分为优先流区域p与基质流区域m，两区域面积比例为a∶(1-a)，其中a为优先流区域面积比例，在此基础上采用双环入渗实验方法确定区域p与m的饱和水力传导度Kon_p与Kon_m；

(2)确定区域p与m饱和传导度随深度衰减系数f_p与f_m；

(3)假定蒸发E发生在土壤表层，净雨量为R＝P-E，其中P为水文站观测降雨量；

(4)将运动波下渗理论分别应用于区域p与m，根据水量平衡原理，求得p区域上湿润锋位置下湿润锋位置m区域上湿润锋位置下湿润锋位置以及初始地下水面位置

所述步骤(1)具体包括以下步骤：

在研究区域放置双环入渗仪，在两个马克杯中放入亮蓝色染色示踪剂，每隔一分钟读取马克杯染色剂变化，根据达西定律计算得到Kon_p；

待染色剂完全渗入后，平衡15分钟，开挖土壤剖面，拍照记录染色剂染色范围，求得平均染色比例，即得优先流面积比例a；

用环刀切取染色区域土壤，在实验室做浸润实验，获得饱和水力传导度Kon_m。

所述步骤(2)中所述区域p与m饱和传导度随深度衰减系数f_p与f_m之间的关系为f_p＝α·f_m，其中，α为小于0.5的参数，f_m是经验系数，取值范围为0.0001/m–0.01/m。

所述步骤(3)所述净雨量由以下方式确定：

使用单层蒸发模型计算实际蒸发量，E＝k·E_p，其中k为蒸散发折算系数，E_p为蒸发皿观测值，因此净雨量为R＝P-E，其中：E为实际蒸发量，P为水文站观测降雨量。

所述步骤(4)包含以下步骤：

当湿润锋下界时，其中为初始地下水深，通过钻探获得，计算区域p与m的上、下湿润锋位置均使用如下公式：

式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，为T时刻湿润锋上界位置，为T–1时刻湿润锋上界位置，湿润锋下界，为T–1时刻湿润锋下界，为在T时刻的下移速度，为在T时刻的下移速度；

其中

式中：N_t湿润锋上界，N_f湿润锋下界，V_t为N_t的下移速度，V_f为N_f的下移速度，K_eq()等价饱和水力传导度的函数，Kon为饱和水力传导度，f为饱和水力传导度随深度衰减系数，N^*为湿润锋的临界值，α为表面坡度，ε为土壤空隙排列指数，一般取4，R为净雨量，R_i为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θ_s为饱和土壤含水量，θ_s通过实验室测得，其他参数均与上述相同；

当且时，根据水量平衡原理，计算公式如下：

式中：为T时刻的地下水面位置，为p区域T时刻的等价雨强，Kon_p为p区域的饱和水力传导度，f_p为p区域饱和水力传导度随深度衰减系数，f1与f2为过程量见式(1–8)与(1–9)，其余参数均与上述相同

其中

其中：Mu()为累积入渗量，θ_r为凋萎系数，为T–1时刻的地下水面位置，为T时刻的累积入渗量，为T时刻等价雨强，ε为土壤孔隙指数；

又有如下关系

式中：为p区域T时刻湿润锋上界的位置，为初始时刻的地下水水位，为p区域T时刻的湿润锋下界的位置，

方程组(1–7)为非线性方程组，方程组中与为未知解，用牛顿迭代法求数值解，其中与的求解用式(1–1)与(1–2)求解；

当且时，根据水量平衡公式计算如下：

其中

其中：f_m为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，为m区域T时刻的等价雨强，为m区域T时刻湿润锋上界的位置，为m区域T时刻湿润锋下界的位置；

又有如下关系

式中：方程组(1–13)为非线性方程组，方程组中为未知变量，用牛顿迭代法求数值解，其余参数与前述相同。

本发明的有益效果如下：

本发明公开了一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，通过将土壤水分剖面划分为优先流区域与基质流区域，根据运动波下渗理论提出一种优先流区域与基质流区域通过自由水面双向耦合的下渗模型。本发明提供的下渗方法能够反映湿润锋变化以及优先流与基质流的土壤水分互馈，解决了当前下渗方法中无法定量描述优先流现象的难题，具有较强的工程意义。

附图说明

图1为时优先流区域与基质流区域下渗过程示意图。

图2为且时优先流区域与基质流区域下渗过程示意图。

图3为且时优先流区域与基质流区域下渗过程示意图。

图4为根据南方某山坡区域一场降雨所模拟的优先流与基质流湿润锋随深度方向的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下面结合实例对本发明作更进一步的说明。

现有南方某一植被覆盖较好的山坡，根据本发明方法，该下渗方法的计算方法如下：

(1)在研究区域放置双环入渗仪，在两个马克杯中放入亮蓝色染色示踪剂，保证内外环水位稳定，每隔一分钟读取马克杯染色剂变化，根据达西定律计算得到Kon_p＝230mm/h；

(2)待染色剂完全渗入后，平衡15分钟，开挖土壤剖面，拍照记录染色剂染色范围，求得平均染色比例，即得优先流面积比例a＝32％；

(3)用环刀切取染色区域土壤，在实验室做浸润实验，获得饱和水力传导度Kon_m＝70mm/h。

(4)根据经验取f_m＝0.01/m，α＝0.1，则f_p＝0.001/m。

(5)取其中一场降雨过程的降雨资料P与蒸发皿观测资料E_p，

根据R＝P-k·E_p,蒸散发折算系数k可取1，可得净雨量过程。

(6)根据电钻获得土壤厚度，可将土壤底层深度近似认为地下水深度，即得

(7)根据以下公式即可计算得到优先流湿润锋以及基质流湿润锋随时间变化，最终模拟结果如图4所示，

当下湿润锋时，模拟结果如图1所示，其中为初始地下水深，可通过钻探获得，计算区域p与m的上、下湿润锋位置 均可使用如下公式：

式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，为T时刻湿润锋上界位置，为T–1时刻湿润锋上界位置，湿润锋下界，为T–1时刻湿润锋下界，为在T时刻的下移速度，为在T时刻的下移速度。

其中

式中：N_t湿润锋上界，N_f湿润锋下界，V_t为N_t的下移速度，V_f为N_f的下移速度，K_eq()等价饱和水力传导度的函数·，Kon为饱和水力传导度，f为饱和水力传导度随深度衰减系数，N^*为湿润锋的临界值，α为表面坡度，ε为土壤空隙排列指数，一般可取4，R为净雨量，R_i为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θ_s为饱和土壤含水量，θ_s可通过实验室测得，其他参数均与上述相同。

当且时，模拟结果如图2所示，根据水量平衡原理，计算公式如下：

式中：为T时刻的地下水面位置，为p区域T时刻的等价雨强，Kon_p为p区域的饱和水力传导度，f_p为p区域饱和水力传导度随深度衰减系数，f1与f2为过程量见式(1–8)与(1–9)，其余参数均与上述相同。

其中

其中：Mu()为累积入渗量，θ_r为凋萎系数，为T–1时刻的地下水面位置，为T时刻的累积入渗量，为T时刻等价雨强，ε为土壤孔隙指数。

又有如下关系

式中：为p区域T时刻湿润锋上界的位置，为初始时刻的地下水水位，为p区域T时刻的湿润锋下界的位置，其余参数与前述相同。

方程组(1–7)为非线性方程组，方程组中与为未知解，可用牛顿迭代法求数值解，其中与的求解可用式(1–1)与(1–2)求解。

当且时，模拟结果如图3所示，根据水量平衡公式计算如下：

其中

其中：f_m为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，为m区域T时刻的等价雨强，为m区域T时刻湿润锋上界的位置，为m区域T时刻湿润锋下界的位置。

又有如下关系

式中：方程组(1–13)为非线性方程组，方程组中为未知变量，可用牛顿迭代法求数值解，其余参数与前述相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用染色实验方法将研究区域土壤剖面纵向划分为优先流区域p与基质流区域m，两区域面积比例为a∶(1-a)，其中a为优先流区域面积比例，在此基础上采用双环入渗实验方法确定区域p与m的饱和水力传导度Kon_p与Kon_m；

(2)确定区域p与m饱和传导度随深度衰减系数f_p与f_m；

(3)假定蒸发E发生在土壤表层，净雨量为R＝P-E，其中P为水文站观测降雨量；

(4)将运动波下渗理论分别应用于区域p与m，根据水量平衡原理，求得p区域上湿润锋位置下湿润锋位置m区域上湿润锋位置下湿润锋位置以及初始地下水面位置

2.根据权利要求1所述的一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：

在研究区域放置双环入渗仪，在两个马克杯中放入亮蓝色染色示踪剂，每隔一分钟读取马克杯染色剂变化，根据达西定律计算得到Kon_p；

待染色剂完全渗入后，平衡15分钟，开挖土壤剖面，拍照记录染色剂染色范围，求得平均染色比例，即得优先流面积比例a；

用环刀切取染色区域土壤，在实验室做浸润实验，获得饱和水力传导度Kon_m。

3.根据权利要求1所述的一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述区域p与m饱和传导度随深度衰减系数f_p与f_m之间的关系为f_p＝α·f_m，其中，α为小于0.5的参数，f_m是经验系数，取值范围为0.0001/m-0.01/m。

4.根据权利要求1所述的一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，所述步骤(3)所述净雨量由以下方式确定：

使用单层蒸发模型计算实际蒸发量，E＝k·E_p，其中k为蒸散发折算系数，E_p为蒸发皿观测值，因此净雨量为R＝P-E，其中：E为实际蒸发量，P为水文站观测降雨量。

5.根据权利要求1所述的一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，所述步骤(4)包含以下步骤：

当湿润锋下界时，其中为初始地下水深，通过钻探获得，计算区域p与m的上、下湿润锋位置均使用如下公式：

式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，为T时刻湿润锋上界位置，为T-1时刻湿润锋上界位置，湿润锋下界，为T-1时刻湿润锋下界，为在T时刻的下移速度，为在T时刻的下移速度；

其中

式中：N_t湿润锋上界，N_f湿润锋下界，V_t为N_t的下移速度，V_f为N_f的下移速度，K_eq()等价饱和水力传导度的函数，K_on为饱和水力传导度，f为饱和水力传导度随深度衰减系数，N^*为湿润锋的临界值，α为表面坡度，ε为土壤空隙排列指数，取4，R为净雨量，R_i为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θ_s为饱和土壤含水量，θ_s通过实验室测得，其他参数均与上述相同；

当且时，根据水量平衡原理，计算公式如下：

式中：为T时刻的地下水面位置，为p区域T时刻的等价雨强，Kon_p为p区域的饱和水力传导度，f_p为p区域饱和水力传导度随深度衰减系数，f1与f2为过程量见式(1-8)与(1-9)；

其中

其中：Mu()为累积入渗量，θ_r为凋萎系数，为T-1时刻的地下水面位置，为T时刻的累积入渗量，为T时刻等价雨强，ε为土壤孔隙指数；

又有如下关系

式中：为p区域T时刻湿润锋上界的位置，为初始时刻的地下水水位，为p区域T时刻的湿润锋下界的位置；

方程组(1-7)为非线性方程组，方程组中与为未知解，用牛顿迭代法求数值解，其中与的求解用式(1-1)与(1-2)求解；

当且时，根据水量平衡公式计算如下：

其中

其中：f_m为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，为m区域T时刻的等价雨强，为m区域T时刻湿润锋上界的位置，为m区域T时刻湿润锋下界的位置；

又有如下关系

式中：方程组(1-13)为非线性方程组，方程组中为未知变量，用牛顿迭代法求数值解，其余参数与前述相同。