[发明专利]一种包气带水汽热传输的模拟方法、装置及设备

说明书

本发明提供一种包气带水汽热传输的模拟方法、装置及设备，所述方法包括：获取预设时间段内包气带的土壤信息；所述土壤信息包括土壤温度信息、土壤内空气信息以及土壤内水分信息；根据所述土壤信息，确定所述预设时间段内的水汽运动方程、热量平衡方程以及土壤空气运动方程；根据所述水汽运动方程、热量平衡方程以及土壤空气运动方程，确定目标水分热量传输参数；通过所述传输参数，模拟所述预设时间段内包气带的水汽热传输过程；本发明的方案可以模拟分析荒漠或干燥条件下包气带中水、汽和热的传输与分配过程，准确量化水汽传输对区域水文过程和水热平衡的影响。

技术领域

本发明涉及水文地质技术领域，特别是一种包气带水汽热传输的模拟方法、装置及设备。

背景技术

陆地表层的水主要由包气带水、地下水、植物水、地表水和大气降水(“五水”)构成并不断地循环转化。包气带是指地面以下、地下水位以上的岩土孔隙未被水饱和的地带，又称非饱和带、通气带；大气降水和地表水通过包气带渗透补给地下水，而浅层地下水通过包气带排泄以土壤水分蒸发和植被蒸腾的形式转化为大气水；因此，包气带是连接“五水”转换的重要纽带。

由于包气带水-汽-热耦合运移是一个多相态、非线性、复杂的物理过程，因此研究包气带水-汽-热传输过程主要是通过模型模拟的方法。目前运用最广泛的方法就是运用土壤水势理论，通过构建包气带土壤水流运动方程，来数值模拟包气带水分运移过程。如果考虑土壤水(汽)运移过程中伴随的热量传输，就再增加一个土壤热运动方程，得到包气带水-汽-热耦合运移模型，这是目前使用最广泛的模型框架。

但是这类模型的前提假设条件是大气与土壤是连通的，土壤空气对气态水及热量转化传输的影响忽略不考虑，这些假设条件比较适用于湿润区；但是在干旱荒漠区或干燥条件下，土壤孔隙中的空气不仅与大气具有连通性，也具有滞后性。当土壤厚度越大、土壤分层越多，土壤空气与大气之间的压差越大，对包气带中气态水传输影响越大。而土壤温度不仅影响土壤水势，也会通过影响土壤质地、含水量、导水率、扩散率和比水容量等参数进而影响包气带中液态水和气态水的运移。并且，土壤温度和土壤空气也会相互叠加影响。因此，传统包气带水分运移模型(Richard方程)在荒漠区或干燥条件下并不适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种包气带水汽热传输的模拟方法、装置及设备，可以模拟分析荒漠或干燥条件下包气带中水、汽和热的传输与分配过程，准确量化水汽传输对区域水文过程和水热平衡的影响。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种包气带水汽热传输的模拟方法、装置及设备，包括：

获取预设时间段内包气带的土壤信息；所述土壤信息包括土壤温度信息、土壤内空气信息以及土壤内水分信息；

根据所述土壤信息，确定所述预设时间段内的水汽运动方程、热量平衡方程以及土壤空气运动方程；

根据所述水汽运动方程、热量平衡方程以及土壤空气运动方程，确定目标水分热量传输参数；

通过所述传输参数，模拟所述预设时间段内包气带的水汽热传输过程。

可选的，所述水汽运动方程是根据土壤液态水通量和土壤气态水通量得到的；

所述水汽运动方程为：

其中，ρ_l为液态水密度，ρ_v为水汽密度，θ为土壤体积含水率，θ_a为土壤空气体积含量，t为时间，q_l为土壤液态水通量，q_v为土壤气态水通量，S为植物根系吸收土壤水的源汇项，z为垂直坐标轴。

可选的，所述土壤液态水通量为：