[发明专利]一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法

权利要求书

1.一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法，其特征在于，所述方法包括两个部分：考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算和膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟；

考虑土壤膨胀性饱和水分运动参数计算包括如下步骤：

建立土壤膨胀特征曲线的步骤：不考虑自重应力条件下，土壤吸水后在膨胀力的作用下土壤自由变形，土壤膨胀变形量是土壤含水量的函数，可以采用三直线模型计算：

（1）

式中：v为土壤饱和比容积；U为质量含水量；α₁、α₂、α₃为土壤膨胀特征曲线斜率；U_A、U_B、U_S分别为拐点处质量含水量；a、b、c为参数；

建立土壤应力—应变关系曲线的步骤：在建立土壤膨胀特征曲线的同时，考虑自重应力作用下，土壤变形过程可以用对数函数描述：

（2）

式中：ρ_s为土壤容重；p为应力；γ为土壤湿比重；z为土壤深度；A和B为参数；本步骤完成后进入“计算土壤膨胀力和自重应力综合作用导致的土壤变形量步骤”；

建立土壤膨胀和自重应力综合作用导致的土壤变形步骤：膨胀性土壤在土壤膨胀力和自重应力的共同影响下，土壤膨胀变形后的土壤孔隙度变化量可以表示为：

（3）

，（4）

式中：e为土壤孔隙度；de_w为由土壤吸水膨胀导致的孔隙度变化量；de_p为由土壤自重应力导致的孔隙度变化量；U为土壤质量含水量；α为土壤膨胀特征曲线斜率；β为土壤应力—应变关系曲线斜率；σ为自重应力，本步骤完成后同时进入“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”；

建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤：假设土壤膨胀变形是由土壤孔隙度的变化引起的，则当土壤饱和时，根据公式（1），土壤膨胀力引起的孔隙度变化量可以表示为：

（5）

同理，根据公式（2），土壤自重应力引起的孔隙度变化量可以表示为：

（6）

式中：ρ_d为土粒密度；e₀为土壤初始孔隙度；

当土壤饱和时，土壤孔隙被水分充满，即土壤饱和含水量于孔隙度，则土壤剖面饱和含水量总量可以表示为：

（7）

式中：θ_T为土壤深度z以上区域的饱和含水量；

建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤：通过孔隙度计算饱和导水系数：

（8）

式中：K_s(e)为孔隙度为e时的土壤饱和导水系数；K₀为孔隙度为e₀时的土壤饱和导水系数；m为与土壤孔隙度性质有关的参数；

建立土壤饱和比容积计算模型的步骤：在土壤容重在土壤膨胀力和自重应力的共同作用下随土壤深度的变化量计算：

（9）

则在某一土壤深度下：

（10）

式中：dρ_sw为由土壤吸水膨胀导致的容重变化量；dρ_sp为由土壤自重应力导致的容重变化量；ρ_s0为初始土壤容重；

“建立膨胀性土壤饱和含水量计算模型的步骤”、“建立土壤饱和比容积计算模型的步骤”、“建立土壤饱和导水系数计算模型的步骤”三个步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”；

膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟包括如下步骤：

降雨过程模拟的步骤：由于自然降雨的雨强随着降雨历时的变化而变化，为了模拟雨强随时间的变化关系，用于将降雨过程分为连续x个时段，每个时段内降雨强度恒定；

其中：x（x∈0，1,……，n），n为时段数，本步骤完成后进入“膨胀性土壤非稳定降雨入渗产流过程模拟的步骤”；

入渗产流情景分析的步骤：用于在“降雨过程模拟”的同时，根据时段内降雨强度、时段初积水深和潜在入渗强度，时段内入渗过程分为以下四种情景进行分析：

情景a：h₀= 0， I > f_pt ≥ K_s(e)；I为x时段降雨强度；h₀为时段初积水深度；f_pt为积水入渗率；

在情景a下，随着降雨的持续，地表开始积水，土壤入渗过程可以分为非积水入渗过程和积水入渗过程；

情景b：h₀ > 0，P’+ I < K_s(e)≤ f_pt ；P’为对应深度的雨强；

在情景b下，随着入渗过程的进行，土壤积水全部渗入土壤，土壤开始进行非积水入渗过程，土壤入渗过程分为积水入渗过程和非积水入渗过程；

情景c：h₀ >0，P’+ I ≥f_pt ≥K_s(e)；

在情景c下，土壤继续进行积水入渗过程；

情景d：h₀= 0，I < K_s(e)≤ f_pt；

在情景d下，土壤持续进行非积水入渗过程；

入渗产流过程模拟的步骤：用于取地面为参照面，向下为正，膨胀性土壤吸水膨胀变形，土壤变形受土壤膨胀力和自重应力影响，导致土壤湿润区剖面饱和导水系数、饱和含水量和饱和比容积均随深度变化而变化；

根据达西定理有：

积水前：

（11）

积水后：

（12）

忽略地表积水：

（13）

式中：f_npt为积水前入渗强度；I为雨强；f_p为积水后土壤入渗率；SW为湿润锋土壤水吸力；Z为湿润锋距离；

由水量平衡原理，得出某一时刻t的累计入渗量F表示为：

（14）

令：

（15）

则：

（16）

式中：θ_T为湿润锋以上土壤饱和含水量；

（17）

积分得：（18）

（19）

积水时刻t_p确定：

（20）

（21）

式中：F_p为积水发生时刻土壤累计入渗量；t_p为土壤表层积水发生时间；I_p为土壤表层积水发生时的时段降雨强度；t为时间；q₀为土壤初始含水量；A为参数。