水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水文过程分析水流冲刷条件下坡面地表特征研究技术领域，具体涉及 一种水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法。
【背景技术】
[0002] 地表糙率及入渗率是描述水文过程及确定水力特征重要的参数。坡面水流冲刷条 件下，土壤表面糙率以及土壤入渗特性发生变化。对于坡耕地，不同的土地利用方式导致土 壤下垫面条件发生变化，直接影响地表填洼量、地表径流、土壤入渗、坡面水流特性，以及土 壤侵蚀和养分迀移过程。水流冲刷过程中，地表糙率直接影响地表径流的产生以及坡面水 流的入渗特性，它是分析水流运动特征的重要参数。水流入渗参数通常采用拟合入渗过程， 反推数值获得。依据水力学知识可知，地表糙率与水流流速、水深及径流量之间的关系密 切，大部分国内外学者通过测量流速，从而计算得到地表糙率。目前获得流速的方法很多， 可以归纳为利用示踪方法测量坡面水流流速，主要包括染色剂、盐分、化肥、气体、放射性同 位素以及漂流物等。由于各种示踪剂本身的差异以及测量时的人为误差，使得各种示踪剂 测量的流速存在偏差。之后，为了进一步改进测量流速的精确性，雷廷武等提出电解质脉冲 示踪法测量坡面水流流速，研究表明该方法操作简单，结果易行，但是只能测定浅层水流流 速以及有砂砾的坡面水流流速，并且需要特殊的仪器，不太适合野外大面积操作，而且上述 提出的测量流速的方法均比较费时。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法， 解决了现有技术中存在的难以快速准确地确定坡面地表糙率及入渗参数的问题。
[0004] 本发明所采用的技术方案是，水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方 法，具体按照以下步骤实施：
[0005] 步骤1，建立运动波方程；
[0006] 步骤2,解析法近似求解运动波方程，得坡面流量、水深随时间的变化关系；
[0007] 步骤3,结合水流冲刷条件下的实测资料，确定地表糙率及入渗参数。
[0008] 本发明的特点还在于，
[0009] 步骤1运动波方程的建立基于水流冲刷条件下的水量平衡关系，其方程为：
[0010] - + - = ~i ⑴ at cx
[0011] 式（1)中，h为坡面水流深度/m，t为供水时间/s，q为单宽径流量/WV (ms)，X为 坡面水流距离入口处的距离/m，i为土壤入渗率/m/s。
[0012] 步骤2解析法近似求解运动波方程，首先，基于水力学线性水库原理，假设坡面水 深随时间的变化率与入渗率呈线性关系，如式（2)所示： Luujj」 八 T，丄 /m ;
[0034] 水流冲刷过程结束后，整个坡面的水量平衡关系为：
[0035] Is= w J-W0 (10)
[0036] 式（10)中，Is为累计入渗量/m3/m，Wi为总入流量/m 3/m，w。为总出流量/m3/m ;
[0037] 根据以上公式，整个坡面的累计入渗量表示为：
[0051] 本发明的有益效果在于，本发明水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算 方法，提出一种简单的估算地表糙率及入渗参数（a，b)的方法，相对于现有的示踪法测流 速，缩短了测定时间，提升了估算的准确性，在已知入流量和出流量条件下，可同时确定地 表糙率及入渗参数（a，b)，操作简单易行。
【附图说明】
[0052] 图1是水流冲刷试验装置图；
[0053] 图2是下垫面为裸地时单宽径流量与时间的线性关系图；
[0054] 图3是下垫面为小碎石覆盖度为2. 5%时单宽径流量与时间的线性关系图；
[0055] 图4是下垫面为小碎石覆盖度为10%时单宽径流量与时间的线性关系图；
[0056] 图5是下垫面为小碎石覆盖度为20%时单宽径流量与时间的线性关系图；
[0057] 图6是下垫面为大碎石覆盖度为2. 5%时单宽径流量与时间的线性关系图；
[0058] 图7是下垫面为大碎石覆盖度为10%时单宽径流量与时间的线性关系图；
[0059] 图8是下垫面为裸地时实测的单宽径流量与数值计算值之间的对照图；
[0060] 图9是下垫面为小碎石覆盖度为2. 5%时实测的单宽径流量与数值计算值之间的 对照图；
[0061] 图10是下垫面为小碎石覆盖度为10%时实测的单宽径流量与数值计算值之间的 对照图；
[0062] 图11是下垫面为小碎石覆盖度为20%时实测的单宽径流量与数值计算值之间的 对照图；
[0063] 图12是下垫面为大碎石覆盖度为2. 5%时实测的单宽径流量与数值计算值之间 的对照图；
[0064] 图13是下垫面为大碎石覆盖度为10%时实测的单宽径流量与数值计算值之间的 对照图。
【具体实施方式】
[0065] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0066] 本发明水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法，具体按照以下步骤 实施：
[0067] 步骤1建立运动波方程
[0068] 根据水流冲刷条件下的水量平衡关系建立运动波方程，其方程为：
[0082] 式（5)中，入流量 /m V(ms);
[0083] 根据水力学原理，单宽径流量还可表示为： CN 105095669 A 说明书 5/7 页
%
[0111] 步骤3结合水流冲刷条件下的实测资料，确定地表糙率及入渗参数（a，b)
[0112] 通常一次水流冲刷资料中，可获得实测资料为入流量和出流量，将实测资料与式 (9-16)结合，计算得到地表糙率及入渗参数。
[0113] 为了验证本发明方法的可行性，在野外进行一组水流冲刷试验。试验装置如 图1所示，试验点选取神木试验站长达七年的撂荒地，其坡长为16m，坡宽为I. 25m，坡度 为10. 8°，下垫面条件用不同类型的碎石处理：裸地作为对照处理，小碎石（覆盖度分别为 2. 5%、10%、20% )，大碎石（覆盖度分别为2. 5%和10% )。试验采用定水头供水模拟上 方来水条件下的坡面水流的冲刷作用，流量计控制入流量，入流量为3. 58X 10 4m3(ms) \秒 表记录产流时间。产流后，每隔一分钟承接径流水样，持续径流时间为40min，收集径流水 样，处理数据。
[0114] 将实测的单宽径流量值代入式（9)中，获得参数值b，以及a(c+l)的乘积，如图 2-7所示。借助式（10-14)可确定参数值c，结合式（9)获得的a(c+l)的乘积可得参数值 a。将获得的参数a，b，c代入式（15)，结合式（16)计算的坡面平均流速，可确定地表糙率 值n，不同下垫面条件下的参数值如表1所示：
[0115] 表1不同下垫面条件的参数值
[0116]
[0117] 为了进一步验证获得参数的准确性，借助MATLAB数值法求解运动波方程，结合式 (1)、（4)、（6)，并将获得的参数代入求解，得到坡面出口处的单宽径流量，数值法求解运动 波方程所需的初始边界条件为：
[0118] h(x, 0) = 0
[0119] q(x, 0) = 0
[0120] q(0, t) = C (17)
[0121] 将计算的单宽径流量与实测的单宽径流量进行比较，如图8~13所示，结果显示 拟合效果较好，说明本发明提出的运动波方程的近似解析解能够用于估算地表糙率及入渗 参数。
【主权项】
1. 水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法，其特征在于，具体按照以下 步骤实施： 步骤1，建立运动波方程； 步骤2,解析法近似求解运动波方程，得坡面流量、水深随时间的变化关系； 步骤3,结合水流冲刷条件下的实测资料，确定地表糙率及入渗参数。2. 根据权利要求1所述的水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法，其特 征在于，步骤1运动波方程的建立基于水流冲刷条件下的水量平衡关系，其方程为：(1) 式（1)中，h为坡面水流深度/m，t为供水时间/s，q为单宽径流量/WV(ms)，x为坡面 水流距离入口处的距离/m，i为土壤入渗率/m/s。3. 根据权利要求2所述的水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法，其特 征在于，步骤2解析法近似求解运动波方程，首先，基于水力学线性水库原理，假设坡面水 深随时间的变化率与入渗率呈线性关系，如式（2)所示： -(2) 式⑵中，c为比例系数， 将式（2)代入式（1)，则单宽径流量表示为：(3) 用Kostiakov经验公式描述水流冲刷条件下的入渗率，从整个流域考虑，整个坡面看 作一个单元体，入渗率一致，水流从坡顶到达出口处的平均入渗时间为产流时间的一半，则 水流冲刷条件下的土壤入渗率表示为：C4) 式（4)中，t。为水流从入口处到出口处的时间/s，a，b为入渗参数； 将式（4)代入式（3)，积分得单宽径流量随时间的关系式：(5; 式（5)中，入流量/mV(ms); 根据水力学原理，单宽径流量还可表示为：C6) 式（6)中，n为地表糙率/m1/3s，j为水力梯度； 则单宽坡面水深表示为：(:7) 坡面平均流速表示为：解析法求解运动波方程，获得坡面流量、水深、流速随时间的变化关系，式中包含四个 参数，分别是n，c，a，b，具体确定以上参数所需公式如下： 出口处单宽径流量的表达式表示为：(9) 式（9)中，1为坡长/m; 水流冲刷过程结束后，整个坡面的水量平衡关系为： Is=w「w〇 (10) 式（10)中，Is为累计入渗量/m3/m，Wi为总入流量/m3/m，w。为总出流量/m3/m; 根据以上公式，整个坡面的累计入渗量表示为：Ml) 式（11)中，t"为水流停止时间/s; 总入流量可表示为：02) 式（12)中，心为总供水时间/s; 总出流量可表示为：
【专利摘要】本发明公开了一种水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法，首先建立运动波方程；然后解析法近似求解运动波方程，得坡面流量、水深随时间的变化关系；结合水流冲刷条件下的实测资料，确定地表糙率及入渗参数。本发明水流冲刷条件下坡面地表糙率及入渗参数的估算方法，相对于现有的示踪法测流速，缩短了测定时间，提升了估算的准确性，在已知入流量和出流量条件下，可同时确定地表糙率及入渗参数(a，b)，操作简单易行。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105095669
【申请号】CN201510508668
【发明人】王全九, 杨婷
【申请人】西安理工大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月18日