[发明专利]一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法

说明书

本发明公开了一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，属于土壤水文学领域。本方法通过将土壤水分剖面划分为优先流区域与基质流区域，根据运动波下渗理论提出一种优先流区域与基质流区域通过自由水面双向耦合的下渗模型。本发明提供的下渗方法能够反映湿润锋变化以及优先流与基质流的土壤水分互馈，解决了当前下渗方法中难以定量描述优先流现象的难题，具有较强的工程意义。

技术领域

本发明涉及一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，属于土壤水文学领域。

背景技术

优先流是指通过空隙、虫洞、植物根系等通道，绕过土壤基质在土壤中快速通过的现象。优先流在自然界中广泛存在，且对土壤水文过程以及生态环境产生重要影响。但因其运动规律复杂，不遵循达西定律描述下的土壤水运动规律，因此难以对优先流进行模拟。

目前，对优先流现象的认识主要停留在概念描述上，如下渗速度快，受到的阻力较小等，但缺乏对其下渗过程的模拟。一般下渗理论如运动波下渗理论将土壤水运动看成一个整体，难以区分土壤分中的“快速流”与“慢速流”，因此无法对优先流现象进行有效刻画，不能反映实际的土壤水运动规律。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出了一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，解决现有技术中土壤水模拟过于概化、不能有效描述优先流现象的技术问题。

本发明为解决其技术问题采用如下的技术方案：

一种可定量描述优先流现象的运动波下渗方法，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饱和传导度随深度衰减系数f_p与f_m；

(3)假定蒸发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

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。

所述步骤(2)中所述区域p与m饱和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。

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。

所述步骤(4)包含以下步骤：

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：