[发明专利]一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法，是一种水文模拟方法。

背景技术

分析流域降雨-入渗-产流间的内在关系，实现流域入渗产汇流过程的模拟，在水资源管理、评价、防洪减灾等领域具有重要意义。当前，非膨胀性土壤入水分运动过程研究方面，已经开展了大量室内外试验，并建立相关数学模型。然而，这些针对刚性土壤的研究成果不适用于描述膨胀性土壤水分运动过程。膨胀性土壤吸水膨胀，失水收缩，湿胀干缩过程极大地影响着土壤水分运动过程。世界上膨胀性土壤分布广泛，膨胀性土壤变形不仅影响着土壤水文过程，也会给工程建设带来一系列问题，已成为工程地质学、水文学和土力学等学界关注的重点。然而，当前针对膨胀性土壤变形对土壤产汇流过程的影响研究尚未见报道。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法。所述的方法首先给出了考虑土壤膨胀性的土壤饱和水分运动参数计算方法，进而提出了考虑土壤膨胀变形的降雨入渗产流模型方法。

本发明的目的是这样实现的：一种膨胀性土壤产汇流过程模拟方法，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”；

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：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的斜率；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，即土壤饱和含水量等于孔隙度，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）