坡面降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律的數(shù)值模擬研究(1)

1、坡面降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律的數(shù)值模擬研究坡面降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律的數(shù)值模擬研究(1)(1) 坡面降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律的數(shù)值模擬研究坡面降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律的數(shù)值模擬研究(1)(1) 摘要：本文采用運(yùn)動(dòng)波理論和兩次改進(jìn)后的 green-ampt 入滲模型建立了坡面降雨入滲產(chǎn)流的動(dòng)力學(xué)模型，并得到了實(shí)驗(yàn)資料的良好驗(yàn)證。運(yùn)用該模型研究了簡單坡面上降雨入滲產(chǎn)流的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，分析了雨強(qiáng)、土壤初始含水量、滲透系數(shù)、坡面阻力，以及坡長、坡度等因素對(duì)坡面產(chǎn) 摘要：本文采用運(yùn)動(dòng)波理論和兩次改進(jìn)后的 green-ampt 入滲模型建立了坡面降雨入滲產(chǎn)流的動(dòng)力學(xué)模型，并得到了實(shí)驗(yàn)資料的良好驗(yàn)證。運(yùn)用該模型研究了簡單坡面上降雨入滲產(chǎn)流

2、的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，分析了雨強(qiáng)、土壤初始含水量、滲透系數(shù)、坡面阻力，以及坡長、坡度等因素對(duì)坡面產(chǎn)流過程的影響規(guī)律，得出了一些有益的結(jié)論。 關(guān)鍵詞：入滲 產(chǎn)流 坡面 動(dòng)力學(xué) 代寫論文 http:/ 1 概述 雨水降落在坡面上將產(chǎn)生雨水的聚集并形成坡面水流。坡面水流是土壤水蝕過程的主要?jiǎng)恿?，搞清產(chǎn)流的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是進(jìn)一步研究侵蝕過程規(guī)律的基礎(chǔ)。坡面水流不同于一般明渠流動(dòng)，其水深極淺(一般只有幾毫米)，沿程不斷有質(zhì)量源和動(dòng)量源加入，使其隨時(shí)間和空間有較大的變化。且坡面流的坡度較一般河渠陡得多，邊界條件也更為復(fù)雜。這些特點(diǎn)使得對(duì)坡面水流的研究有相當(dāng)?shù)碾y度。 坡面產(chǎn)流研究已有很長歷史，但對(duì)它的數(shù)學(xué)求解還只有三十

3、多年。60 年代后期 woolhiser 和 ligget(1967)將運(yùn)動(dòng)波模型引入坡面水流研究，大大簡化了計(jì)算工作，促進(jìn)了研究的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)波模型是從一維圣維南方程簡化而來，其基本假設(shè)是水流的能坡和底坡相等，并借助 chezy 阻力公式得到流量和水深的關(guān)系。woolhiser 和 ligget 的研究結(jié)果表明在運(yùn)動(dòng)波波數(shù) k10 時(shí)，運(yùn)動(dòng)波模型可以很好地描述坡面水流運(yùn)動(dòng)。而實(shí)際坡面流的運(yùn)動(dòng)波波數(shù)一般遠(yuǎn)大于10(沈冰等，1996)。因此，運(yùn)動(dòng)波近似是一種較好的數(shù)學(xué)描述方式。其后，又有對(duì)運(yùn)動(dòng)波理論的修正(ponce,1978,govindaraju,1988)，保留了水深的沿程變化項(xiàng)，相當(dāng)于壓力

4、梯度，被稱為擴(kuò)散波模型。該模型擴(kuò)展了適用的參數(shù)范圍，但并無實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，因此實(shí)際應(yīng)用仍以運(yùn)動(dòng)波為主。也有使用完整圣維南方程求解實(shí)際問題的(戚隆溪，1997)。土壤入滲過程的研究也有很長歷史，從 1911年提出概念明確形式簡單的 green-ampt 積水入滲模型開始，相繼有horton(1940),philip(1957)等模型出現(xiàn)，但 g-a 模型仍以其簡單的形式，明晰的物理概念，良好的擴(kuò)展性和可信的應(yīng)用效果受到廣泛重視，特別是經(jīng)過 mEin & larson(1973)和 chu(1978)的兩次改進(jìn)，使其可應(yīng)用于不均勻降雨的入滲計(jì)算，更使它成為最有效和應(yīng)用最廣泛的模型。在國內(nèi)，g-a 模型

5、尚未受到重視，horton 模型曾得到相當(dāng)廣泛的運(yùn)用，但其參數(shù)的物理意義明顯不如 g-a 模型明晰。也有研究者使用更基本的土壤水分運(yùn)動(dòng)微分方程，但所需的參數(shù)更加難于獲取，計(jì)算也更為復(fù)雜。 本文工作旨在建立物理概念明晰的降雨入滲產(chǎn)流綜合計(jì)算模式，并用以研究簡單坡面的產(chǎn)流過程，分析各主要因素的影響和各主要因素的影響和各主要參量的變化規(guī)律。以期對(duì)坡面產(chǎn)流的動(dòng)力學(xué)規(guī)律有清楚的認(rèn)識(shí)。 2 計(jì)算模式 坡面流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，目前主要采用運(yùn)動(dòng)波理論、擴(kuò)散波或完整圣維南方程進(jìn)行描述。正如前文所述，運(yùn)動(dòng)波近似理論在大多數(shù)情況下可以很好地描述坡面流運(yùn)動(dòng)過程，且計(jì)算簡單。因此本文仍采用一維運(yùn)動(dòng)波理論，即坡面流基本方程為

6、 (1) 此處第二式直接使用了水力學(xué)中熟知的 chezy 公式和 manning 公式。其中，x為沿坡面向下的坐標(biāo)，t 為時(shí)間(s)，h 為水深(m),q 為單寬流量(m2/s)，p 為降雨強(qiáng)度(m/s)，此處假設(shè)降雨方向垂直向下，i 為入滲率(m/s)，s0 為坡面坡度，s0=sin， 為坡面傾角，n 為 manning 糙率系數(shù)。 土壤的入滲過程對(duì)坡面流的形成和流動(dòng)過程影響很大，本文采用形式簡單、物理概念明晰的 g-a 入滲模型，其計(jì)算方程為 i=di/dt=k1+(s-i)s/i i=kt+s(s-i)ln(1+i/s(s-i)(2) 其中 k 為土壤飽和導(dǎo)水率(滲透系數(shù))(m/s)，s

7、 為土壤飽和含水率，即有效孔隙率(%)，i 為土壤初始含水率(%)，s 為土壤吸力(m),i 為累積入滲量(m)。 經(jīng)典的 green-ampt 模型是干土積水入滲模型，其前提是在整個(gè)入滲過程中地表始終有積水。mEIn & larson 1973 年將其推廣應(yīng)用至降雨入滲的情況。設(shè)有穩(wěn)定的雨強(qiáng) p，只有 p 大于土壤的入滲能力時(shí)，地表才能形成積水。而在降雨的初始階段，全部降雨都滲入地下。由 g-a 模型知，入滲率是隨累積入滲量的增加而減小的。設(shè)想當(dāng)累積入滲量達(dá)到某一值時(shí)，i=p,此時(shí)開始積水，稱此累積入滲量為 ip。因此由 g-a 模型入滲公式可以導(dǎo)出開始積水時(shí)的 ip 值 ip=(s-i)s

8、/(p/k)-1 (3) 開始積水時(shí)間由 tp=ip/p 給出。因此整個(gè)過程的入滲率可表示為 i=p t 簡歷大全 http:/ tp 作文 http:/ i=k1+(s-i)s/i 思想?yún)R報(bào) http:/ ttp 畢業(yè)論文 http:/ (4) 式中的 i 為積水開始后的累積入滲量(包含未積水時(shí)段的入滲量在內(nèi))。由于不是由 t=0 開始積水，i 的計(jì)算須采用修正后的公式 kt-(tp-ts)=i-s(s-i)ln1+i/s(s-i) ttp (5) ts 表示假設(shè)由 t=0 開始積水，到入滲量 i=ip(或 i=p)時(shí)所需時(shí)間，可理解為一個(gè)虛擬時(shí)間，可計(jì)算如下 kts=ip-s(s-i)ln

9、1+ip/s(s-i) (6) 改進(jìn)的主要思想是將整個(gè)過程假設(shè)為從一開始就是積水入滲，這樣該曲線在積水后部分相對(duì)于實(shí)際入滲曲線將向左平移 tp-ts，將這條曲線向右平移 tp-ts，再加上積水前的入滲強(qiáng)度等于降雨強(qiáng)度的關(guān)系，就得到真實(shí)的入滲過程。 但穩(wěn)定降雨在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)不能滿足需要，chu(1978)將 mein & larson(1973)改進(jìn)的 g-a 模型再作推廣，使其可應(yīng)用于變化的降雨過程。基本作法是，對(duì)每個(gè)計(jì)算時(shí)段將地表狀態(tài)分為四種情況： 1.開始無積水，結(jié)束無積水 2.開始無積水，結(jié)束有積水 3.開始有積水，結(jié)束有積水 4.開始有積水，結(jié)束無積水 在每一時(shí)段開始，已知降雨總量與入滲總量，剩余總量。根據(jù)兩個(gè)因子判斷時(shí)段結(jié)束時(shí)是否有積水。 若時(shí)段開始無積水，使用因子 cu,若時(shí)段開始有積水，使用因子 cp，其表達(dá)式為 cu=p(tn)-r(tn-1)-ksm/(i-k) 思想?yún)R報(bào) http:/