[发明专利]一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法

权利要求书

1.一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用染色实验方法将研究区域土壤剖面纵向划分为优先流区域p与基质流区域m，两区域面积比例为a:(1-a)，其中a为优先流区域面积比例，在此基础上采用双环入渗实验方法确定区域p与m的饱和水力传导度Kon_p与Kon_m；

(2)确定区域p与m饱和水力传导度随深度衰减系数f_p与f_m之间的关系为f_p＝α·f_m，其中，α为小于0.5的参数，f_m是经验系数，取值范围为0.0001/m–0.01/m；

(3)假定实际蒸发量E发生在土壤表层，净雨量为R＝P-E，其中P为水文站观测降雨量；

(4)将运动波下渗理论分别应用于区域p与m，根据水量平衡原理，求得p区域上湿润锋位置下湿润锋位置m区域上湿润锋位置下湿润锋位置以及初始地下水面位置

当湿润锋下界时，其中为初始地下水深，通过钻探获得，计算区域p与m的上、下湿润锋位置均使用如下公式：

式中：T为当前时刻，Δt为计算时间步长，为T时刻湿润锋上界位置，为T–1时刻湿润锋上界位置，湿润锋下界，为T–1时刻湿润锋下界，为在T时刻的下移速度，为在T时刻的下移速度；

其中

式中：N_t湿润锋上界，N_f湿润锋下界，V_t为N_t的下移速度，V_f为N_f的下移速度，K_eq()等价饱和水力传导度的函数，Kon为饱和水力传导度，f为饱和水力传导度随深度衰减系数，N^*为湿润锋的临界值，α为表面坡度，R为净雨量，R_i为初始土壤含水量，取0.05，θ()为土壤含水量的函数，θ_s为饱和土壤含水量，θ_s通过实验室测得，其他参数均与上述相同；

当且时，根据水量平衡原理，计算公式如下：

式中：为T时刻的地下水面位置，为p区域T时刻的等价雨强，Kon_p为p区域的饱和水力传导度，f_p为p区域饱和水力传导度随深度衰减系数，f1与f2为过程量见式(1–8)与(1–9)；

其中

其中：Mu()为累积入渗量，θ_r为凋萎系数，为T–1时刻的地下水面位置，为T时刻的累积入渗量，为T时刻等价雨强；

又有如下关系

式中：为p区域T时刻湿润锋上界的位置，为初始时刻的地下水水位，为p区域T时刻的湿润锋下界的位置；

方程组(1–7)为非线性方程组，方程组中与为未知解，用牛顿迭代法求数值解，其中与的求解用式(1–1)与(1–2)求解；

当且时，根据水量平衡公式计算如下：

其中

其中：f_m为m区域的饱和水力传导度随深度衰减系数，为m区域T时刻的等价雨强，为m区域T时刻湿润锋上界的位置，为m区域T时刻湿润锋下界的位置；

又有如下关系

式中：方程组(1–13)为非线性方程组，方程组中为未知变量，用牛顿迭代法求数值解，其余参数与前述相同。

2.根据权利要求1所述的一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：

在研究区域放置双环入渗仪，在两个马克杯中放入亮蓝色染色示踪剂，每隔一分钟读取马克杯染色剂变化，根据达西定律计算得到Kon_p；

待染色剂完全渗入后，平衡15分钟，开挖土壤剖面，拍照记录染色剂染色范围，求得平均染色比例，即得优先流面积比例a；

用环刀切取染色区域土壤，在实验室做浸润实验，获得饱和水力传导度Kon_m。

3.根据权利要求1所述的一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，其特征在于，所述步骤(3)所述净雨量由以下方式确定：

使用单层蒸发模型计算实际蒸发量，E＝k·E_p，其中k为蒸散发折算系数，E_p为蒸发皿观测值，因此净雨量为R＝P-E，其中：E为实际蒸发量，P为水文站观测降雨量。