[发明专利]一种暗管系统淋洗效果的计算方法

说明书

本发明公开了一种暗管系统淋洗效果的计算方法，包括以下步骤：(1)建立二维暗管排盐系统地下水渗流模型；(2)推导地下水渗流复势函数；(3)利用复势函数计算地下水渗流量；(4)引入双重孔隙介质模型，计算流动区内盐分淋洗时间；(5)建立双重孔隙介质传质模型；(6)根据双重孔隙介质传质模型，推导非流动区脱盐过程；(7)推导盐分在暗管系统内受动力学传质过程影响的淋洗时间，总需水量。本发明可以计算受动力学传质过程影响下暗管系统淋洗的时间和总水量，能够评估脱盐地块是否适合使用淋洗方式进行改良，为盐碱地开发及规划提供指导。

技术领域

本发明涉及一种暗管系统的计算方法，尤其涉及一种暗管系统淋洗效果的计算方法。

背景技术

土壤盐碱化是一种在全世界范围内普遍产生的土壤退化现象。一方面由于岩石、土壤受到风化、降雨侵蚀作用，产生大量无机盐离子从而富集在表层土壤，造成原生盐碱化。另一方面，由于地下咸水水位上升和灌溉水将盐分带入表层土壤，经过蒸发过程，大量盐分来不及向深层土壤运动便富集在表层土壤，造成次生盐碱化。土壤盐碱化严重威胁土壤生物圈生态平衡，减少作物产量和减少土壤微生物多样性，造成土壤进一步退化。据统计，全球盐碱地总面积约为955万 km²，约占据全球陆地总面积的10％。值得指出的是，我国耕地盐碱化问题尤为严重，据不完全统计我国盐碱地总面积约有3.6亿亩，占据我国可耕地面积的1/5。

目前，暗管排水系统被广泛应用于淋洗土壤中盐分，改善土壤质地。然而，水力淋洗的效率往往受到非流动域的动力学传质过程的影响。众所周知，土壤渗透性具有空间非均质性，包括高渗透性的大孔隙和低渗透性的聚合小孔隙土体。当淋洗效果发生在有结构的土壤时，聚合小孔隙土体通常作为非流动区，而大孔隙可以作为优先流通道，快速传递水量和溶质。研究表明，70％-85％的水流通过大孔隙从表层土壤传导到深层土壤。这意味着聚合小孔隙土壤内水流流速较慢且流量较小，从而造成对此区域盐分淋洗的严重滞后，影响脱盐地块的淋洗效率。

尽管不能完全刻画表层土壤的非均质性，然而双重孔隙介质模型能够合理地描述大孔隙优先流作用和流动域与非流动域之间的传质作用，能够显示盐分淋洗效果中受到动力学传质过程影响。描述受到传质限制过程中对盐分运动的影响能够合理地反应淋洗策略的效果，能够为盐碱地开发规划提供指导。然而，目前尚未有耦合暗管系统地下水流动和双重孔隙介质传质模型的解析解，而水文地质参数变化(如土壤饱和渗透系数，非流动区孔隙率，传质速率等)对暗管排盐系统脱盐效果的影响更不得而知。

发明内容

发明目的：上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种暗管系统盐分淋洗效果受动力学传质过程影响的解析计算方法。

技术方案：本发明的一种暗管系统淋洗效果的计算方法，包括如下步骤：

(1)建立二维暗管排盐系统地下水渗流模型；假设饱和稳态的地下水流动，各向同性均质的渗透介质，土壤表面入渗过程忽略横向流动；渗流模型的下边界和左右边界设置为无流动边界，暗管外壁设置为等势面，上边界设置为定水头边界，水头为0。

(2)利用保角变换将渗流平面进行保角映射，同时根据渗流平面绘制势能平面，建立保角映射后平面与势能平面之间的关系，推导出地下水渗流复势函数为：

式中，为势函数；ψ为流函数；q单位时间单位长度的暗管的渗流量，L²/T；sn(u)和dn(u)为雅克比椭圆函数；z为复函数，即z＝x+iy，x为直角坐标系x轴方向，y为直角坐标系y轴方向，i²＝-1；S为暗管间距的一半长度，L；d为暗管埋设深度，L；r为圆柱形排水暗管直径，L；H为不透水层距离土壤表面的距离， L；K为模数为m的第一类完全椭圆积分；K'为模数为m'＝1-m的第一类完全椭圆积分。

(3)利用复势函数计算地下水渗流量；根据地下水渗流复势函数w推导入渗量q的计算公式为