CN109709015B - 一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法 - Google Patents

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CN109709015B CN201811586866.XA CN201811586866A CN109709015B CN 109709015 B CN109709015 B CN 109709015B CN 201811586866 A CN201811586866 A CN 201811586866A CN 109709015 B CN109709015 B CN 109709015B
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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Konp与Konm；
(2)确定区域p与m饱和传导度随深度衰减系数fp与fm；
(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
Figure BDA0001919269640000021
下湿润锋位置
Figure BDA0001919269640000022
m区域上湿润锋位置
Figure BDA0001919269640000023
下湿润锋位置
Figure BDA0001919269640000024
以及初始地下水面位置
Figure BDA0001919269640000025
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Konp；
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Konm。
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fp与fm之间的关系为fp＝α·fm，其中，α为小于0.5的参数，fm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·Ep，其中k为蒸散发折算系数，Ep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
Figure BDA0001919269640000031
时，其中
Figure BDA0001919269640000032
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
Figure BDA0001919269640000033
均使用如下公式：
Figure BDA0001919269640000034
Figure BDA0001919269640000035
式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，
Figure BDA0001919269640000036
为T时刻湿润锋上界位置，
Figure BDA0001919269640000037
为T–1时刻湿润锋上界位置，
Figure BDA0001919269640000038
湿润锋下界，
Figure BDA0001919269640000039
为T–1时刻湿润锋下界，
Figure BDA00019192696400000310
为
Figure BDA00019192696400000311
在T时刻的下移速度，
Figure BDA00019192696400000312
为
Figure BDA00019192696400000313
在T时刻的下移速度；
其中
Figure BDA00019192696400000314
Figure BDA0001919269640000041
Figure BDA0001919269640000042
Figure BDA0001919269640000043
式中：Nt湿润锋上界，Nf湿润锋下界，Vt为Nt的下移速度，Vf为Nf的下移速度，Keq()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，Ri为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θs为饱和土壤含水量，θs通过实验室测得，其他参数均与上述相同；
当
Figure BDA0001919269640000044
且
Figure BDA0001919269640000045
时，根据水量平衡原理，计算公式如下：
Figure BDA0001919269640000046
式中：
Figure BDA0001919269640000047
为T时刻的地下水面位置，
Figure BDA0001919269640000048
为p区域T时刻的等价雨强，Konp为p区域的饱和水力传导度，fp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
Figure BDA0001919269640000049
Figure BDA0001919269640000051
Figure BDA0001919269640000052
Figure BDA0001919269640000053
其中：Mu()为累积入渗量，θr为凋萎系数，
Figure BDA0001919269640000054
为T–1时刻的地下水面位置，
Figure BDA0001919269640000055
为T时刻的累积入渗量，
Figure BDA0001919269640000056
为T时刻等价雨强，ε为土壤孔隙指数；
又有如下关系
Figure BDA0001919269640000057
式中：
Figure BDA0001919269640000058
为p区域T时刻湿润锋上界的位置，
Figure BDA0001919269640000059
为初始时刻的地下水水位，
Figure BDA00019192696400000510
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
Figure BDA00019192696400000511
与
Figure BDA00019192696400000512
为未知解，用牛顿迭代法求数值解，其中
Figure BDA00019192696400000513
与
Figure BDA00019192696400000514
的求解用式(1–1)与(1–2)求解；
当
Figure BDA00019192696400000515
且
Figure BDA00019192696400000516
时，根据水量平衡公式计算如下：
Figure BDA00019192696400000517
其中
Figure BDA0001919269640000061
Figure BDA0001919269640000062
Figure BDA0001919269640000063
Figure BDA0001919269640000064
其中：fm为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，
Figure BDA0001919269640000065
为m区域T时刻的等价雨强，
Figure BDA0001919269640000066
为m区域T时刻湿润锋上界的位置，
Figure BDA0001919269640000067
为m区域T时刻湿润锋下界的位置；
又有如下关系
Figure BDA0001919269640000068
Figure BDA0001919269640000069
式中：方程组(1–13)为非线性方程组，方程组中
Figure BDA00019192696400000610
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
Figure BDA0001919269640000071
时优先流区域与基质流区域下渗过程示意图。
图2为
Figure BDA0001919269640000072
且
Figure BDA0001919269640000073
时优先流区域与基质流区域下渗过程示意图。
图3为
Figure BDA0001919269640000074
且
Figure BDA0001919269640000075
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Konp＝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Konm＝70mm/h。
(4)根据经验取fm＝0.01/m，α＝0.1，则fp＝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Ep，
根据R＝P-k·Ep,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
Figure BDA0001919269640000081
(7)根据以下公式即可计算得到优先流湿润锋
Figure BDA0001919269640000082
以及基质流湿润锋
Figure BDA0001919269640000083
随时间变化，最终模拟结果如图4所示，
当下湿润锋
Figure BDA0001919269640000084
时，模拟结果如图1所示，其中
Figure BDA0001919269640000085
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
Figure BDA0001919269640000086
Figure BDA0001919269640000087
均可使用如下公式：
Figure BDA0001919269640000088
Figure BDA0001919269640000089
式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，
Figure BDA00019192696400000810
为T时刻湿润锋上界位置，
Figure BDA00019192696400000811
为T–1时刻湿润锋上界位置，
Figure BDA00019192696400000812
湿润锋下界，
Figure BDA00019192696400000813
为T–1时刻湿润锋下界，
Figure BDA00019192696400000814
为
Figure BDA00019192696400000815
在T时刻的下移速度，
Figure BDA00019192696400000816
为
Figure BDA00019192696400000817
在T时刻的下移速度。
其中
Figure BDA0001919269640000091
Figure BDA0001919269640000092
Figure BDA0001919269640000093
Figure BDA0001919269640000094
式中：Nt湿润锋上界，Nf湿润锋下界，Vt为Nt的下移速度，Vf为Nf的下移速度，Keq()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，Ri为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θs为饱和土壤含水量，θs可通过实验室测得，其他参数均与上述相同。
当
Figure BDA0001919269640000095
且
Figure BDA0001919269640000096
时，模拟结果如图2所示，根据水量平衡原理，计算公式如下：
Figure BDA0001919269640000097
式中：
Figure BDA0001919269640000101
为T时刻的地下水面位置，
Figure BDA0001919269640000102
为p区域T时刻的等价雨强，Konp为p区域的饱和水力传导度，fp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
Figure BDA0001919269640000103
Figure BDA0001919269640000104
Figure BDA0001919269640000105
Figure BDA0001919269640000106
其中：Mu()为累积入渗量，θr为凋萎系数，
Figure BDA0001919269640000107
为T–1时刻的地下水面位置，
Figure BDA0001919269640000108
为T时刻的累积入渗量，
Figure BDA0001919269640000109
为T时刻等价雨强，ε为土壤孔隙指数。
又有如下关系
Figure BDA00019192696400001010
式中：
Figure BDA00019192696400001011
为p区域T时刻湿润锋上界的位置，
Figure BDA00019192696400001012
为初始时刻的地下水水位，
Figure BDA00019192696400001013
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
Figure BDA00019192696400001014
与
Figure BDA00019192696400001015
为未知解，可用牛顿迭代法求数值解，其中
Figure BDA0001919269640000111
与
Figure BDA0001919269640000112
的求解可用式(1–1)与(1–2)求解。
当
Figure BDA0001919269640000113
且
Figure BDA0001919269640000114
时，模拟结果如图3所示，根据水量平衡公式计算如下：
Figure BDA0001919269640000115
其中
Figure BDA0001919269640000116
Figure BDA0001919269640000117
Figure BDA0001919269640000118
Figure BDA0001919269640000119
其中：fm为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，
Figure BDA00019192696400001110
为m区域T时刻的等价雨强，
Figure BDA00019192696400001111
为m区域T时刻湿润锋上界的位置，
Figure BDA00019192696400001112
为m区域T时刻湿润锋下界的位置。
又有如下关系
Figure BDA00019192696400001113
Figure BDA0001919269640000121
式中：方程组(1–13)为非线性方程组，方程组中
Figure BDA0001919269640000122
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 (3)

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Konp与Konm；
(2)确定区域p与m饱和水力传导度随深度衰减系数fp与fm之间的关系为fp＝α·fm，其中，α为小于0.5的参数，fm是经验系数，取值范围为0.0001/m–0.01/m；
(3)假定实际蒸发量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
Figure FDA0002884298360000011
下湿润锋位置
Figure FDA0002884298360000012
m区域上湿润锋位置
Figure FDA0002884298360000013
下湿润锋位置
Figure FDA0002884298360000014
以及初始地下水面位置
Figure FDA0002884298360000015
当湿润锋下界
Figure FDA0002884298360000016
时，其中
Figure FDA0002884298360000017
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
Figure FDA0002884298360000018
均使用如下公式：
Figure FDA0002884298360000019
Figure FDA00028842983600000110
式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，
Figure FDA00028842983600000111
为T时刻湿润锋上界位置，
Figure FDA0002884298360000021
为T–1时刻湿润锋上界位置，
Figure FDA0002884298360000022
湿润锋下界，
Figure FDA0002884298360000023
为T–1时刻湿润锋下界，
Figure FDA0002884298360000024
为
Figure FDA0002884298360000025
在T时刻的下移速度，
Figure FDA0002884298360000026
为
Figure FDA0002884298360000027
在T时刻的下移速度；
其中
Figure FDA0002884298360000028
Figure FDA0002884298360000029
Figure FDA00028842983600000210
Figure FDA00028842983600000211
式中：Nt湿润锋上界，Nf湿润锋下界，Vt为Nt的下移速度，Vf为Nf的下移速度，Keq()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，R为净雨量，Ri为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θs为饱和土壤含水量，θs通过实验室测得，其他参数均与上述相同；
当
Figure FDA00028842983600000212
且
Figure FDA00028842983600000213
时，根据水量平衡原理，计算公式如下：
Figure FDA00028842983600000214
式中：
Figure FDA0002884298360000031
为T时刻的地下水面位置，
Figure FDA0002884298360000032
为p区域T时刻的等价雨强，Konp为p区域的饱和水力传导度，fp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
Figure FDA0002884298360000033
Figure FDA0002884298360000034
Figure FDA0002884298360000035
Figure FDA0002884298360000036
其中：Mu()为累积入渗量，θr为凋萎系数，
Figure FDA0002884298360000037
为T–1时刻的地下水面位置，
Figure FDA0002884298360000038
为T时刻的累积入渗量，
Figure FDA0002884298360000039
为T时刻等价雨强；
又有如下关系
Figure FDA00028842983600000310
式中：
Figure FDA00028842983600000311
为p区域T时刻湿润锋上界的位置，
Figure FDA00028842983600000312
为初始时刻的地下水水位，
Figure FDA00028842983600000313
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
Figure FDA00028842983600000314
与
Figure FDA00028842983600000315
为未知解，用牛顿迭代法求数值解，其中
Figure FDA00028842983600000316
与
Figure FDA00028842983600000317
的求解用式(1–1)与(1–2)求解；
当
Figure FDA00028842983600000318
且
Figure FDA00028842983600000319
时，根据水量平衡公式计算如下：
Figure FDA0002884298360000041
其中
Figure FDA0002884298360000042
Figure FDA0002884298360000043
Figure FDA0002884298360000044
Figure FDA0002884298360000045
其中：fm为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，
Figure FDA0002884298360000046
为m区域T时刻的等价雨强，
Figure FDA0002884298360000047
为m区域T时刻湿润锋上界的位置，
Figure FDA0002884298360000048
为m区域T时刻湿润锋下界的位置；
又有如下关系
Figure FDA0002884298360000049
Figure FDA00028842983600000410
式中：方程组(1–13)为非线性方程组，方程组中
Figure FDA00028842983600000411
为未知变量，用牛顿迭代法求数值解，其余参数与前述相同。
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Konp；
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Konm。
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(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·Ep，其中k为蒸散发折算系数，Ep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。
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