[发明专利]一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法

权利要求书

1.一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据Green-Ampt模型和Philip入渗模型建立降雨条件下的入渗模型，所述入渗模型包括土壤入渗率i和累积入渗量I_rf；

步骤1.1、根据Green-Ampt模型可得到降雨条件下的入渗模型中土壤入渗率i为：

上式中，p为降雨强度，θ_s为土壤饱和含水量，θ₀为土壤初始含水量，t为入渗时间，t_p为降雨开始到开始产流所经历的时间，S_f为湿润峰处基质吸力；

步骤1.2、结合Green-Ampt模型和Philip入渗模型得到积水条件下的累积入渗量I_r为：

上式中，S为吸渗率，H为积水深度；

借助于宏观毛管长度参数，Green-Ampt模型和Philip入渗模型特征参数之间的转化关系可以表示为：

上式中，λ_c为土壤宏观毛管长度，b是常数，k_s为饱和导水率；

将公式(12)代入公式(11)中，得到累积入渗量I_rf；

所述累积入渗量I_r包括：

当地表积水很浅或者入渗历时较长时，积水深度H可以略去，累积入渗量I_rf：

当降雨强度p较大时，假设降雨条件下产流开始后的入渗过程线向右平移t₀个单位，累积入渗量I_rf：

公式(14)中所述t₀可根据如下过程得到：

当地表产生径流之前，土壤入渗率i等于降雨强度p，根据Green-Ampt模型得到：

当t＝t_p时，开始产流时的实际累积入渗量I_p为：

对方程(7)中t≤t_p时的土壤入渗率i进行积分：

由公式(9)、公式(10)得到实际开始积水的时间为

根据Green-Ampt模型可得积水条件下的累积入渗量达到I_p所用时间t₁为：

则实际降雨入渗过程和假设积水入渗过程的时间差t₀为：

t₀＝t_p-t₁ (10)；

步骤2、根据降雨条件下的坡面水流流动过程建立运动波方程，借助近似解析法求解所述运动波方程，再结合水量平衡关系得到坡面糙率n和坡面水深h(x,t)的变化过程；

步骤2.1、根据降雨条件下的坡面水流流动过程建立运动波方程：

上式中，h为径流深，q为单宽流量；

假设坡面水深变化率与入渗率之间呈线性关系，则

上式中，c为入渗率参数；

将公式(16)代入公式(15)，得到：

对公式(17)积分得到

q(x,t)＝(1-c)(p-i)x (18)；

将公式(4)中t＞t_p部分带入公式(18)中，单宽流量表示为：

将实测单宽流量带入公式(19)，得到入渗率参数c；

步骤2.2、根据公式(19)和水力学中的单宽流量得到任意时间段、位置处的坡面水深的变化过程为：

上式中，n为坡面糙率，S₀为水力梯度；

根据质量守恒原理，开始产流后任意时段内水量平衡关系为：

p(t-t_p)l＝Q_l+I_l+H_l (22)；

上式中，Q_l为累积径流量，I_l为累积入渗量，H_l为坡面累积积水量，l为坡长，其中Q_l，I_l，H_l可以分别表示为：

将入渗率参数c、实测数据、结合公式(21-25)，即可得到坡面糙率n和坡面水深h(x,t)；

步骤3、建立坡面泥沙运输方程，结合实测数据、坡面水深h(x,t)得到泥沙侵蚀率，所述泥沙侵蚀率包括雨滴动能侵蚀率D_i、径流侵蚀率D_r；

降雨条件下，假设产沙过程为恒定的，坡面泥沙运输方程为：

其中：

上式中，s为水流体积含沙率，D_i为雨滴动能侵蚀率，D_r为径流侵蚀率，ρ为土壤密度，a为径流侵蚀系数，b为雨滴动能侵蚀系数，γ为土壤容重；

对公式(29)积分得到出流口处的水流体积含沙率为：

出流口处的坡面产沙率为：

将实测数据、坡面水深h(x,t)结合公式(26-31)得到雨滴动能侵蚀率D_i、径流侵蚀率D_r。