[发明专利]水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法有效

专利信息
申请号: 201510508668.1 申请日: 2015-08-18
公开(公告)号: CN105095669B 公开(公告)日: 2018-05-29
发明(设计)人: 王全九;杨婷 申请(专利权)人: 西安理工大学
主分类号: G06F19/00 分类号: G06F19/00
代理公司: 西安弘理专利事务所 61214 代理人: 李娜
地址: 710048*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 水流冲刷 地表 下坡面 估算 运动波 变化关系 实测资料 出流量 解析法 示踪法 求解 坡面 水深 近似
【权利要求书】:

1.水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:

步骤1,建立运动波方程,其方程为:

∂ h ∂ t + ∂ q ∂ x = - i - - - ( 1 ) ]]>

式(1)中,h为坡面水流深度/m,t为供水时间/s,q为单宽径流量/m3/(ms),x为坡面水流距离入口处的距离/m,i为土壤入渗率/m/s;

步骤2,解析法近似求解运动波方程,得坡面流量、水深随时间的变化关系,具体为:

首先,基于水力学线性水库原理,假设坡面水深随时间的变化率与入渗率呈线性关系,如式(2)所示:

∂ h ∂ t = c i - - - ( 2 ) ]]>

式(2)中,c为比例系数,

将式(2)代入式(1),则单宽径流量表示为:

∂ q ∂ x = - i - c i = - ( c + 1 ) i - - - ( 3 ) ]]>

用Kostiakov经验公式描述水流冲刷条件下的入渗率,从整个流域考虑,整个坡面看作一个单元体,入渗率一致,水流从坡顶到达出口处的平均入渗时间为产流时间的一半,则水流冲刷条件下的土壤入渗率表示为:

i = a ( t - t 0 2 ) - b - - - ( 4 ) ]]>

式(4)中,t0为水流从入口处到出口处的时间/s,a,b为入渗参数;

将式(4)代入式(3),积分得单宽径流量随时间的关系式:

q ( x , t ) = q i - a ( c + 1 ) x ( t - t 0 2 ) - b - - - ( 5 ) ]]>

式(5)中,qi为入流量/m3/(ms);

根据水力学原理,单宽径流量还可表示为:

q = 1 n j 1 / 2 h 5 / 3 - - - ( 6 ) ]]>

式(6)中,n为地表糙率/m-1/3s,j为水力梯度;

则单宽坡面水深表示为:

h ( x , t ) = ( 1 n j 1 / 2 ) - 3 / 5 ( q i - a ( c + 1 ) x ( t - t 0 2 ) - b ) 3 / 5 - - - ( 7 ) ]]>

坡面平均流速表示为:

v ( x , t ) = 1 n j 1 / 2 h ( x , t ) 2 / 3 = ( 1 n j 1 / 2 ) 3 / 5 ( q i - a ( c + 1 ) x ( t - t 0 2 ) - b ) 2 / 5 - - - ( 8 ) ]]>

解析法求解运动波方程,获得坡面流量、水深、流速随时间的变化关系,式中包含四个参数,分别是n,c,a,b,具体确定以上参数所需公式如下:

出口处单宽径流量的表达式表示为:

q ( l , t ) = q i - a ( c + 1 ) l ( t - t 0 2 ) - b - - - ( 9 ) ]]>

式(9)中,l为坡长/m;

水流冲刷过程结束后,整个坡面的水量平衡关系为:

Is=wi-wo (10)

式(10)中,Is为累计入渗量/m3/m,wi为总入流量/m3/m,wo为总出流量/m3/m;

根据以上公式,整个坡面的累计入渗量表示为:

I s = ∫ t 0 / 2 t m a l ( t - t 0 2 ) - b d t = a l 1 - b ( t m - t 0 2 ) 1 - b - - - ( 11 ) ]]>

式(11)中,tm为水流停止时间/s;

总入流量可表示为:

w i = ∫ 0 t i q i d t = q i t i - - - ( 12 ) ]]>

式(12)中,ti为总供水时间/s;

总出流量可表示为:

w 0 = ∫ t 0 / 2 t m q l d t = ∫ t 0 / 2 t m q i - a ( c + 1 ) l ( t - t 0 2 ) - b d t = q i ( t m - t 0 2 ) - a ( c + 1 ) l 1 - b ( t m - t 0 2 ) 1 - b - - - ( 13 ) ]]>

结合式(10-13),可得:

q i ( t i - t m + t 0 2 ) = a l ( 1 - ( c + 1 ) ) 1 - b ( t m - t 0 2 ) 1 - b - - - ( 14 ) ]]>

坡面平均流速表示为:

v a = 1 l ∫ 0 l v ( x , t ) d x = 5 7 a d l ( 1 n j 1 / 2 ) 3 / 5 ( t - t 0 2 ) b ( q i 7 / 5 - ( q i - a d l ( t - t 0 2 ) - b ) 7 / 5 ) - - - ( 15 ) ]]>

当t=t0时,坡面平均流速表示为:

v a = l t 0 - - - ( 16 ) ; ]]>

步骤3,结合水流冲刷条件下的实测资料,确定地表糙率及入渗参数。

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