降雨條件下坡面地表糙率及土壤吸濕率的估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水文過程分析降雨條件下坡面地表特征研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種 降雨條件下坡面地表糙率及土壤吸濕率的估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地表糙率及土壤吸濕率是描述水文過程及確定水力特征重要的參數(shù)。降雨條件 下，由于雨滴的擊濺及水流的沖刷作用，導(dǎo)致土壤表面糙率以及土壤入滲特性發(fā)生變化。降 雨特性的變化直接影響地表徑流、土壤入滲、坡面水流以及土壤侵蝕和養(yǎng)分迀移過程。通常 借助運(yùn)動波方程描述坡面水流運(yùn)動過程，而求解運(yùn)動波方程的方法大致分為兩種：數(shù)值方 法和解析方法。目前上述兩種解法均存在求解過程復(fù)雜，或者所求參數(shù)不唯一等問題。通常 情況下，依據(jù)水力學(xué)知識，地表糙率可通過水流流速確定，因此國內(nèi)外學(xué)者提出了多種獲得 流速的方法，可以歸納為利用示蹤方法測量坡面水流流速，主要包括染色劑、鹽分、化肥、氣 體、放射性同位素以及漂流物等。之后，為了進(jìn)一步改進(jìn)測量流速的精確性，雷廷武等提出 電解質(zhì)脈沖示蹤法測量坡面水流流速，研究表明該方法操作簡單，結(jié)果易行，但是只能測定 淺層水流流速以及有砂礫的坡面水流流速，并且需要特殊的儀器，成本較高，比較費(fèi)時。而 測定土壤吸濕率的方法通常有模擬降雨、雙環(huán)入滲、盤式入滲以及修正模型，然而很少有借 助解析法確定土壤吸濕率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種降雨條件下坡面地表糙率及土壤吸濕率的估算方法，解 決了現(xiàn)有技術(shù)難以快速準(zhǔn)確地確定降雨條件下地表糙率及土壤吸濕率的問題。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，降雨條件下坡面地表糙率及土壤吸濕率的估算方 法，具體按照以下步驟實施：
[0005] 步驟1，建立運(yùn)動波方程；
[0006] 步驟2,解析法近似求解運(yùn)動波方程，得到坡面不同位置的流量、水深隨時間的變 化過程；
[0007] 步驟3,結(jié)合降雨條件下的實測資料（產(chǎn)流時間、出口處單寬徑流量）確定地表糙 率及土壤吸濕率。
[0008] 本發(fā)明的特點還在于，
[0009] 步驟1運(yùn)動波方程的建立過程是根據(jù)降雨條件下的水量平衡關(guān)系而建立，其方程 為：
[0010] (1)
[0011] 式（1)中，h為坡面水流深度/m，t為供水時間/s，X為坡面水流距離入口處的距 離/m，r為雨強(qiáng)/m/s，i為入滲率/m/s，q為單寬徑流量/m 3/ (ms)。
[0012] 步驟2通過解析法近似求解運(yùn)動波方程，首先基于水力學(xué)線性水庫原理，假設(shè)坡 面水深隨時間的變化率與入滲率呈線性關(guān)系，如式（2)所示：
[0013]
(2)
[0014] 式⑵中，c為比例系數(shù)；
[0015] 將式（2)代入式（1)中，則單寬徑流量隨距離的變化率為：
[0016]
(3)
[0017] 用Philip入滲公式描述土壤入滲率，由于降雨條件下的入滲過程不同于積水入 滲過程，兩者存在時間差，用t。表示，那么降雨條件下的土壤入滲率為：
[0018] ,、 (4)
[0019] 式（4)中，i為土壤入滲率/m/s，t。為降雨入滲與積水入滲的時間差/s，S為土壤 吸濕率/m s 1/2;t p為產(chǎn)流時間/s ;
[0020] 將式（4)代入式（3)中，積分得單寬徑流量的表達(dá)式：
[0021]
t、tp (5)
[0022] 根據(jù)水力學(xué)知識，單寬徑流量還可表示為：
[0023]
(6)
[0024] 式（6)中，η為地表糙率/m 1/3s，J為水力梯度；
[0025] 那么，單寬坡面水深可表示為：
[0026]
(7)
[0027] 借助解析法近似求解運(yùn)動波方程，單寬徑流量及單寬坡面水深如式（5)和式（7) 所示，式中包含四個參數(shù)t。，c，S，η ;基于上述方程，下面提出確定參數(shù)需要的公式，
[0028] 當(dāng)t = t。時，土壤入滲率與降雨強(qiáng)度相等，則有：
[0029]
(8)
[0030] 對于積水入滲而言，達(dá)到降雨條件下的累計入滲量所需要的時間可表示為：
[0031]
(θ)
[0032] 式（9)中，積水入滲時間/s。
[0033] 結(jié)合式⑶和式（9)，
[0034] (10)
[0035] CU )
[0036] 所以，
[0037]
(12)
[0038] 出口處單寬徑流量表示為：
[0039]
( 13 )
[0040] 式（13)中，1為坡長/m ;
[0041] 整個降雨過程結(jié)束后的水量平衡關(guān)系為：
[0042] r (t_tp) I = Wm+Im+Hm (14)
[0043] 式（14)中，Wn為累計出流量/m3/m，1"為產(chǎn)流后的累計入滲量/m 2, Hn為坡面積水 量/m2,其中，Wni, 1"，Hni分別表示為：
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明降雨條件下坡面地表糙率及土壤吸濕率的估算方 法，不同于以往的測量方法（誤差較大，有局限性），只需要一場降雨資料，測定出口處單寬 徑流量，結(jié)合提出的計算坡面流量、水深隨時間的變化關(guān)系，建立水量平衡關(guān)系式便可確 定坡面地表糙率及土壤吸濕率。
【附圖說明】
[0048] 圖1是人工降雨試驗裝置圖；
[0049] 圖2是雨強(qiáng)為1. 12X 10 5m/s時單寬徑流量與時間的線性關(guān)系圖；
[0050] 圖3是雨強(qiáng)為1. 67X 10 5m/s時單寬徑流量與時間的線性關(guān)系圖；
[0051] 圖4是雨強(qiáng)為2. 22X 10 5m/s時單寬徑流量與時間的線性關(guān)系圖；
[0052] 圖5是雨強(qiáng)為2. 78X 10 5m/s時單寬徑流量與時間的線性關(guān)系圖；
[0053] 圖6是雨強(qiáng)為3. 33X 10 5m/s時單寬徑流量與時間的線性關(guān)系圖；
[0054] 圖7是雨強(qiáng)為1. 12 X 10 5m/s時實測的單寬徑流量與數(shù)值計算值之間的對照圖；
[0055] 圖8是雨強(qiáng)為1. 67 X 10 5m/s時實測的單寬徑流量與數(shù)值計算值之間的對照圖；
[0056] 圖9是雨強(qiáng)為2. 22 X 10 5m/s時實測的單寬徑流量與數(shù)值計算值之間的對照圖；
[0057] 圖10是雨強(qiáng)為2. 78 X 10 5m/s時實測的單寬徑流量與數(shù)值計算值之間的對照圖；
[0058] 圖11是雨強(qiáng)為3. 33X 10 5m/s時實測的單寬徑流量與數(shù)值計算值之間的對照圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0060] 本發(fā)明降雨條件下坡面地表糙率及土壤吸濕率的估算方法，具體按照以下步驟實 施：
[0061 ] 步驟1，建立運(yùn)動波方程
[0062] 根據(jù)降雨條件下的水量平衡關(guān)系而建立運(yùn)動波方程，其方程為：
[0063]
(1 )
[0064] 式（1)中，h為坡面水流深度/m，t為供水時間/s，X為坡面水流距離入口處的距 離/m，r為雨強(qiáng)/m/s，i為入滲率/m/s，q為單寬徑流量/m 3/ (ms)。
[0065] 步驟2,解析法近似求解運(yùn)動波方程，得到坡面不同位置的流量、水深隨時間的變 化過程
[0066] 首先基于水力學(xué)線性水庫原理，假設(shè)坡面水深隨時間的變化率與入滲率呈線性關(guān) 系，如式（2)所示：
[0067]
(2：)
[0068] 式⑵中，c為比例系數(shù)；
[0069] 將式⑵代入式⑴中，則單寬徑流量隨距離的變化率為：
[0070]
(3)
[0071] 用Philip入滲公式描述土壤