[发明专利]一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法

说明书

本发明公开了一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，涉及土壤水动力学领域，具体包括：1）采用质量守恒定理，提出了膨胀性土壤水分运动过程模拟方法。2）提出了膨胀性土壤水分运动参数计算方法，其中膨胀性土壤水分运动参数计算包括膨胀性土壤非饱和导水系数、比容积等。本发明有助于完善土壤水分运动理论，对膨胀性土壤分布地区的水分管理与调控具有一定的指导价值。

技术领域

本发明涉及一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，属于膨胀性土壤水分运动模拟技术领域。

背景技术

当前，在非膨胀性土壤水分运动过程研究方面，国内外学者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膨胀性土壤水分运动过程描述。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，我国也是世界膨胀性土壤分布最为广泛的国家之一。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。土壤膨胀变形主要与初始含水量和上覆荷载等有关，膨胀力和膨胀变形随土壤增湿程度增加而增加。土壤吸水膨胀变形主要受膨胀力和自重应力的作用，其中膨胀力随土壤含水量变化而变化，自重应力随土壤深度变化而变化。随土壤深度的增加，土壤受力变形特征发生改变，进而引起土壤饱和含水量、饱和导水系数、饱和比容积等参数变化，变化的土壤水分运动参数改变了土壤剖面水分运动过程。然而，当前针对膨胀性土壤变形对土壤水分运动过程的影响研究仍处于探索阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，模拟膨胀性土壤水分运动过程，有助于完善土壤水分运动理论。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，基于土壤变形受力分析，得到土壤变形过程，采用质量守恒定理，模拟膨胀性土壤水分运动过程，得到：

基质区水分运动过程方程为：

上边界：

下边界：

裂隙优先流区水分运动过程方程为：

上边界：

下边界：

其中，θ为土壤体积含水量，cm³/cm³；θ₁为时段初的土壤含水量，cm³/cm³；e为孔隙度，cm³/cm³；e₁为时段初的孔隙度，cm³/cm³；K_e(ψ)为膨胀性土壤非饱和导水系数，cm/min；ψ为土壤水吸力，cm；W_r为植物根系吸水量，cm³；W_e为两流区水量交换量，cm³；Φ为土壤水势，cm；q为水分通量，cm/min；上述字母的下标f、j分别表示裂隙优先流区、基质区；t为时间，min；z表示坐标轴z轴方向；w_f为裂隙优先流区面积比例，w_j为基质区面积比例；

步骤2，采用改进的van Genuchten模型计算膨胀性土壤裂隙优先流区、基质区非饱和导水系数，非饱和导水系数计算公式为：

其中，K_e(ψ)为膨胀性土壤非饱和导水系数，cm/min；K_sh(e)为深度为h时膨胀性土壤饱和导水系数，cm/min；S_e为饱和度；m和n为参数，m＝1-1/n；