土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损量计算方法

摘要

一种土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损量计算方法，包括以下步骤：通过双环入渗实验，测量并记录供水水量随入渗时间的变化，计算实时累积入渗量；基于入渗时间和实时累积入渗量，拟合必要参数；基于拟合参数和固定入渗水头高度，计算湿润峰吸力；基于拟合参数、土壤初期含水量和土壤孔隙度，计算土壤饱和导水率；基于湿润峰吸力、土壤饱和导水率、降雨强度、土壤初期含水量和土壤孔隙度，计算降雨初损量。

说明书

技术领域

本公开涉及水文学降雨产流模型的土壤参数确定，特别涉及一种基于双环 入渗的土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损量计算方法。

背景技术

我国是暴雨洪水最频发的国家之一，对洪水灾害进行及时准确的预报预警 对于降低灾害损失十分重要。洪水灾害预报预警的关键问题之一是准确模拟场 次降雨产流过程。Green-Ampt模型是物理机制清晰的产流模型，然而其湿润峰 固定吸力参数难以确定，严重限制了该模型的应用。传统的双环入渗实验仅仅 能够测试土壤饱和导水率，也不能确定Green-Ampt模型中的湿润峰固定吸力参 数，难以满足Green-Ampt模型应用于流域水文学对土壤参数的需求。因此，亟 需一种可靠实用的方法，能够快速计算Green-Ampt模型中的湿润峰固定吸力参 数和降雨初损量。

发明内容

为了弥补现有技术的缺失，本公开提供一种土壤下渗湿润峰吸力和降雨初 损量计算方法。

本公开采用以下解决方案：

一种土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损量计算方法，包括以下步骤：

步骤1：通过双环入渗实验，测量并记录供水水量Q随入渗时间t的变化， 根据公式(1)计算实时累积入渗量h：

$h=\frac{Q}{S}---\left(1\right)$

其中，S表示采用的双环入渗仪的内环面积；

步骤2：基于所述入渗时间t和实时累积入渗量h，根据公式(2)拟合参数 A和参数B：

$\frac{t}{A}=h-B*LN(1+\frac{h}{B})---\left(2\right)$

步骤3：根据公式(3)计算湿润峰吸力h_f：

h_f＝B-h₀(3)

其中，h₀表示固定入渗水头高度；

步骤4：根据公式(4)计算土壤饱和导水率K：

$K=\frac{{\theta }_s-{\theta }_0}{A}---\left(4\right)$

其中，θ₀表示土壤初期含水量，θ_s表示土壤孔隙度；

步骤5：根据公式(5)计算降雨初损量I_a：

$I_a=h_f({\theta }_s-{\theta }_0)\frac{K}{P-K}---\left(5\right)$

其中，P表示降雨强度。

优选地，通过环刀取样测量所述土壤孔隙度θ_s。

优选地，通过土壤含水量测试测定所述土壤初期含水量θ₀。

优选地，通过最小二乘法拟合所述参数A和参数B。

优选地，所述供水水量Q是供水马氏瓶的水量。

本公开的有益效果是基于双环入渗计算土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损 量，能够快速准确地确定Green-Ampt模型所涉及的土壤参数，进而进行洪水灾 害预报预警。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以 及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式 中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据示例性实施例的土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损量计算方 法的流程图；

图2示出了根据示例性实施例的入渗量与入渗时间的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本 公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里 阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整， 并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据示例性实施例的土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损量计算方 法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1，通过双环入渗实验，测量并记录供水水量Q随入渗时间t的变化， 根据以下公式(1)计算实时累积入渗量h：

$h=\frac{Q}{S}---\left(1\right)$

其中，S表示采用的双环入渗仪的内环面积。

在实际操作中，优选采用双环入渗仪进行双环入渗实验。双环入渗仪是本 领域中常用的测量水渗入土壤的渗透速度的设备。标准的双环入渗仪包括直径 不同的外环和内环。垂直渗透水流向边缘时，外环可以起到隔离的作用。由于 内环中的水是垂直流动的，因而测量仅限于在内环中进行。

作为一种优选方案，采用马氏瓶作为供水设备，因此供水水量Q是指供水 马氏瓶的水量，当采用其他供水设备时，供水水量Q是指所采用的供水设备的 水量。

步骤2，基于步骤1中的入渗时间t和实时累积入渗量h，根据以下公式(2)， 拟合参数A和参数B：

$\frac{t}{A}=h-B*LN(1+\frac{h}{B})---\left(2\right)$

在实际实施过程中，可以通过最小二乘法编制计算机程序或者利用通用数 据处理软件(例如TableCurve2D)，拟合参数A和参数B。

步骤3，根据以下公式(3)计算湿润峰吸力h_f：

h_f＝B-h₀(3)

其中，h₀表示固定入渗水头高度。

步骤4，根据以下公式(4)计算土壤饱和导水率K：

$K=\frac{{\theta }_s-{\theta }_0}{A}---\left(4\right)$

其中，θ₀表示土壤初期含水量，可通过土壤含水量测试来测定，θ_s表示土壤 孔隙度，可通过环刀取样来测定。

步骤5，根据以下公式(5)计算降雨初损量I_a：

$I_a=h_f({\theta }_s-{\theta }_0)\frac{K}{P-K}---\left(5\right)$

其中，P表示降雨强度。根据实际应用，P可以通过雨量计测量，也可以是 设计的降雨强度。

应用示例

本示例提供一种基于野外双环入渗实验的土壤下渗湿润峰吸力和降雨初损 量计算方法，包括以下步骤：

步骤1：进行双环入渗实验，以1秒为采样周期，利用挂式电子秤连接电脑 串口测量并记录供水马氏瓶的水量随入渗时间t的变化，根据公式(1)计算实 时累积入渗量h，得到的实时累积入渗量h和入渗时间t的曲线图如图2所示。

步骤2：基于步骤1中的实时累积入渗量h和入渗时间t的数据，根据公式 (2)，通过最小二乘法拟合公式(2)中的参数A和参数B，得到A＝32.45s/cm， B＝25.91cm，R²＝0.9997，其中R²表示拟合确定系数。

步骤3：测量得到固定入渗水头高度h₀＝10cm，根据公式(3)计算湿润峰 吸力h_f＝15.91cm。

步骤4：通过土壤含水量测试测量得到土壤初期含水量θ₀＝0，通过环刀取样 测得的土壤孔隙度θ_s＝36％，根据公式(4)计算土壤饱和导水率K＝399.22 mm/hr。

步骤5：根据公式(5)计算降雨初损量：

$I_a=15.91*(0.36-0)\frac{399.22}{P-399.22}.$

上述技术方案只是本发明的一种实施例，对于本领域内的技术人员而言， 在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优 选的，而并不具有限制性的意义。