一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，包括：通过资料调研，收集降雨

【技术实现步骤摘要】
一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法


[0001]本专利技术涉及水文水利计算方法的
，尤其涉及一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法。

技术介绍

[0002]降雨
‑
径流关系是水文循环的核心特征，反映降雨在蒸发、入渗等作用下产生径流的能力，通常情况下保持稳定状态。在人类活动的干扰下，许多区域降雨
‑
径流关系发生了改变，尤其如华北平原，在降雨量变化不显著的情况下，地表产水量却大幅度下降甚或基本不产流，为区域的经济社会发展和生态安全带来巨大威胁。降雨
‑
径流关系改变的原因是支撑产流机制的自然常态条件发生了变化，地下水位持续下降导致包气带增厚是主要原因。确定反映自然常态条件下降雨径流关系的产流基准地下水埋深，可以为以华北平原为代表的地下水超采治理与恢复提供参考依据，意义重大。
[0003]现有的技术中，通常根据经验公式或者实际地下水位的长期观测反演得到人类干扰比较微小时的地下水埋深作为产流基准埋深，这些方法一是缺乏理论机制，二是对于监测资料依赖性很强，难以大规模应用。
[0004]因此，急需提出一种反映自然常态条件下降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于，针对现有的产流基准地下水埋深的计算方法缺乏理论机制以及对监测资料依赖性很强，难以大规模应用的问题，提出了一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法。
[0006]本反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法包括：
[0007]步骤一：通过资料调研，收集降雨
‑
径流关系相关参数；
[0008]步骤二：确定区域的降雨径流关系，计算多年平均条件下的入渗量R
g
；
[0009]步骤三：确定土壤类型，以及不同类型土壤对应的参数：根据资料调研和实地考察确定区域土壤类型，对照不同类型土壤，确定孔隙度、田间持水量、凋萎系数以及残余含水量，并据此给出研究区域内各种土壤的孔隙度ξ和初始含水量ω0；
[0010]步骤四：通过以下公式计算产流基准埋深h
s
：
[0011][0012]其中，P0为大气压强，ρ为土壤水的密度，g为重力加速度，I为产流期的降雨量，E为产流期的水面蒸发量。
[0013]其中，步骤一中的降雨
‑
径流关系相关参数包括：多年平均降雨量、水面蒸发量和地表径流量。
[0014]其中，步骤二中确定区域的降雨径流关系为：根据区域的水文气象特点，确定产流
期；根据区域多年平均资料确定产流期的降雨量I、水面蒸发量E和地表径流量R
o
，并由此反推多年平均条件下的入渗量R
g
，计算公式如下：
[0015]R
g
＝I
‑
E
‑
R
o
。
[0016]其中，步骤四中产流基准埋深h
s
：
[0017][0018]实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：
[0019]本专利技术的反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，从物理学，尤其是经典力学的角度，通过研究径流形成过程的物理机制，确定了包气带厚度与降雨径流关系变化之间的定量关系，定义了自然常态下维持稳定的降雨径流关系的产流基准埋深，推导了其定量计算公式；本计算方法物理过程与作用机制明确，对由于地下水开采造成的区域降雨
‑
径流关系变化的问题解决具有通用性，可以为区域地下水治理与恢复提供有效的理论基础与技术支撑。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为降水入渗过程受力分析示意图；
[0022]图2为本专利技术的反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法的流程示意图。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]本专利技术提供了一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，原理如下：
[0025]自然界物质运动都受地球重力场支配，降雨入渗、产流过程亦不例外。降雨受重力作用落到地面，受重力作用进一步向包气带入渗。通常包气带孔隙与大气相通，当降水到达地面的瞬间，形成的连续水体覆盖地表，将包气带与大气阻隔，导致土壤孔隙中的气体处于封闭状态。此后，水体受重力作用向下入渗占据部分孔隙空间，使得土壤气体受到压缩从而增大气体压强形成对水体的顶托力。随着水体持续向下入渗，空间进一步压缩，顶托力持续增强，与此同时由于水面蒸发使得水体重力减弱。此长彼消的变化趋势使得某一时刻获得动态平衡，即重力与顶托力相等，此时，那些剩余在地面的水体即为地表径流。空气顶托力的产生与包气带厚度密切相关，自然常态下，包气带厚度保持在一个稳定的范围内微幅波动，因此降雨径流关系也处在一个稳定波动的状态。随着区域地下水超采，地下水位不断下
降，也造成了包气带厚度的不断增加，降雨径流关系开始发生变化，研究这个变化过程对于科学管理与恢复地下水位有不可替代的作用，而确定产流基准埋深是建立这个认知的基础，也可以为地下水超采治理提供科学依据与恢复目标。
[0026]按上述思路对降雨径流形成过程进行受力分析。为方便讨论，设地面水平、包气带为均质土壤，假设降雨量I全部到达地表后开始下渗。请参见图1，图1为降水入渗过程受力分析示意图。
[0027]t＝0时刻，降雨量I到达地面，将包气带与大气阻隔(见附图1a)，形成封闭的土壤气体空间h(ξ
‑
ω0)；其中，ξ为孔隙度，ω0为土壤初始含水量。
[0028]此时，水体受重力作用开始下渗，而土壤气体尚未受到压缩，还没有形成土壤气体顶托力，此刻重力为G0：
[0029]G0＝ρgI；
[0030]式中，ρ为水的密度；g为重力加速度。
[0031]土壤气体初始压强P0近似等于大气压。
[0032]下一个时刻t＝Δt，(见附图1b)，在重力作用下，I向下进入土壤深度为Δh；期间水面蒸发为ΔE，因此重力有所减少，变为G1：
[0033]G1＝ρg(I
‑
ΔE)；
[0034]土壤气体空间被压缩为(h
‑
Δh)(ξ
‑
ω0)，压强改变为P1，根据波义耳定理有：
[0035][003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通过资料调研，收集降雨
‑
径流关系相关参数；步骤二：确定区域的降雨径流关系，计算多年平均条件下的入渗量R
g
；步骤三：确定土壤类型，以及不同类型土壤对应的参数：根据资料调研和实地考察确定区域土壤类型，对照不同类型土壤，确定孔隙度、田间持水量、凋萎系数以及残余含水量，并据此给出研究区域内各种土壤的孔隙度ξ和初始含水量ω0；步骤四：通过以下公式计算产流基准埋深h
s
：其中，P0为大气压强，ρ为土壤水的密度，g为重力加速度，I为产流期的降雨量，E为产流期的水面蒸发量。2.根据权利要求1所述的反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，其特征在于，步骤一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏建，邓伟，汪勇，赵勇，闫龙，周飞，王竹，胡雅杰，靳晓辉，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：