地表水的介电常数，R为内圆柱半径，a为外方柱边长，H为地表水位高，C为外方柱截面边点与中心点的连线与横轴线之间的夹角。
6. 如权利要求1所述的土壤水和地表水统一定量表达的方法，其特征在于，所述S4的 详细步骤为： 541、 计算所有单点位土壤各层的土壤含水量加权平均值0d，权重按照第i层壤层高度 hj武值，i为正整数； 542、 取所有点位土壤含水量加权平均值，并与该区域土壤饱和含水量经验值0m比较， 取含水量最大值9 vast; 9vasjP为模型电容饱和时对应的含水量值，其公式为： 0 vast= max[ 0 d, 0 m]； 543、 计算0vast对应的模型介电常数值ek，即为模型电容饱和时的介电常数值，其计 算公式为： ￡ k= (P * 0 vast+Q)2； 其中，P、Q为标准土壤类型系数； 544、 计算模型介电常数为ek时的各点位的地表层电容和土壤层电容，即为模型电容 的饱和阈值； 土壤层模型饱和阈值Cvt计算公式为：
其中，ek为0vast对应的模型介电常数值，R为内圆柱半径，a为外方柱边长，H为地表 水位高，N为土壤层数，C为外方柱截面边点与中心点的连线与横轴线之间的夹角。
7. 如权利要求1所述的土壤水和地表水统一定量表达的方法，其特征在于：步骤S5所 述计算模型整体电容饱和差的具体步骤包括： 551、 计算土壤水部分电容饱和差，其计算公式为： 土壤水部分电容饱和差Ct=当前土壤水部分电容量Ctu-模型土壤层饱和电容量Cvt，即
其中，eTi表示校正后的第i层土壤的介电常数值，hi为第i层壤层高度，i为正整数，ek为模型电容饱和时的介电常数值，R为内圆柱半径，a为外方柱边长，N为土壤层数，(6:为 外方柱截面边点与中心点的连线与横轴线之间的夹角； 552、 计算地表水部分电容饱和差，其计算公式为： 地表水部分电容饱和差Cd =当前地表水部分电容量Cdi-模型地表层饱和电容量Cvd，即
其中，e^表示地表水介电常数值，H为地表水位高； 553、 将土壤水电容饱和差和地表水电容饱和差相加，得到模型整体电容饱和差，其计 算公式为： 模型整体电容饱和差Cz = 土壤水部分电容饱和差CT+地表水部分电容饱和差CD，即
当计算得到的模型整体电容饱和差大于〇时，说明土壤含水量达到饱和状态，地表开 始积水；当计算得到的模型整体电容饱和差小于〇时，说明土壤含水量未达到饱和状态，地 表无积水。
8. 如权利要求1所述的土壤水和地表水统一定量表达的方法，其特征在于，所述S6的 详细步骤为： S61、定义模型基准电容为模型在全部充满标准空气条件下的电容量为基准电容，标准 空气的介电常数为lF/m，并计算基准电容Ck，其计算公式为：
其中，％表示空气的介电常数，L是模型高度，R为内圆柱半径，a为外方柱边长，为 外方柱截面边点与中心点的连线与横轴线之间的夹角； S62、计算模型整体的基准电容Ckz，其计算公式为：
其中，h为第i层壤层高度，i为正整数，H为地表水位高，N为土壤层数。
9. 如权利要求1所述的土壤水和地表水统一定量表达的方法，其特征在于，所述S7的 详细步骤为： 571、 定义生境湿度指数：它是基于介质水分和介质电容之间定量的函数关系，利用标 准化和归一化的电容饱和差，来描述水分满缺度，用此种满缺度来表达生境湿度的一种表 示方法； 572、 利用模型基准电容对模型整体电容饱和差进行标准化和无量纲化处理，标准化和 无量纲化采用单位法，即以基准电容为单位，衡量模型整体电容饱和差，计算得到生境湿度 指数8， 其数学模型为：
其中，eTi表示校正后的第i层土壤的介电常数值，i为正整数，e^为地表水的介电常 数，ek为模型电容饱和时的介电常数值，eq为空气介电常数值，H为地表水位高Ai为第i 层壤层高度，N为土壤层数，R为内圆柱半径，a为外方柱边长为外方柱截面边点与中心 点的连线与横轴线之间的夹角。
10. -种土壤水和地表水统一定量表达的系统，其特征在于，包括： 模型构建单元，用于将近地表生境分成栅格结构，并运用介质的电容原理构建单点位 栅格电容模型； 模型土壤水部分电容量计算单元，用于将土壤层数据通过经验方程计算、土壤因素改 正得到壤层介电常数；再通过模型电容计算公式，计算得到模型土壤水部分电容量； 模型地表水部分电容量计算单元，用于根据地表水位和地表水常态介电系数，通过模 型电容计算公式，计算得到模型地表水部分电容量； 模型电容的饱和阈值计算单元，用于计算区域内土壤层加权平均含水量，通过函数计 算，得到最大加权平均含水量；计算此含水量下模型整体对应的模型介电常数，并带入模型 电容计算公式，计算并设置模型电容的饱和阈值； 模型整体电容饱和差计算单元，用于根据模型电容的饱和阈值，计算模型整体电容饱 和差； 模型基准电容计算单元，用于定义模型基准电容，并计算模型基准电容； 生境湿度指数处理单元，用于以模型基准电容为单位，对模型的电容饱和差进行标准 化和无量纲化处理，得到生境湿度指数。
【专利摘要】本发明公开了一种土壤水和地表水统一定量表达的方法及系统，涉及过湿地表环境测量技术领域，该方法包括以下步骤：运用介质的电容原理构建单点位栅格电容模型；根据土壤层数据得到壤层介电常数，并计算得到模型土壤水部分电容量；根据地表水位和地表水常态介电系数，计算得到模型地表水部分电容量；通过函数计算，得到模型电容的饱和阈值；根据模型电容的饱和阈值，计算模型整体电容饱和差；定义模型基准电容，并计算模型基准电容；对模型的电容饱和差进行标准化和无量纲化处理，得到生境湿度指数。本发明能够定量地连续描述和表达水分在土壤和地表两个介质中的连续变化情况，提高了水情测量的准确性，利于数据的获取和整理。
【IPC分类】G01N27-22
【公开号】CN104713920
【申请号】CN201510155765
【发明人】步飞, 周德民, 柳成亮, 赵丽娜, 王乐
【申请人】周德民
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年4月3日