[发明专利]一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法

权利要求书

1.一种膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，基于土壤变形受力分析，得到土壤变形过程，采用质量守恒定理，模拟膨胀性土壤水分运动过程，得到：

基质区水分运动过程方程为：

上边界：

下边界：

裂隙优先流区水分运动过程方程为：

上边界：

下边界：

其中，θ为土壤体积含水量，cm³/cm³；θ₁为时段初的土壤含水量，cm³/cm³；e为孔隙度，cm³/cm³；e₁为时段初的孔隙度，cm³/cm³；K_e(ψ)为膨胀性土壤非饱和导水系数，cm/min；ψ为土壤水吸力，cm；W_r为植物根系吸水量，cm³；W_e为两流区水量交换量，cm³；Φ为土壤水势，cm；q为水分通量，cm/min；上述字母的下标f、j分别表示裂隙优先流区、基质区；t为时间，min；z表示坐标轴z轴方向；w_f为裂隙优先流区面积比例，w_j为基质区面积比例；

步骤2，采用改进的van Genuchten模型计算膨胀性土壤裂隙优先流区、基质区非饱和导水系数，非饱和导水系数计算公式为：

K_e(ψ)＝K_sh(e)S_e^0.5[1-(1-S_e^1/m)^m]²

其中，K_e(ψ)为膨胀性土壤非饱和导水系数，cm/min；K_sh(e)为深度为h时膨胀性土壤饱和导水系数，cm/min；S_e为饱和度；m为参数；

步骤3，分别计算膨胀性土壤裂隙优先流区、基质区的面积比例，其计算公式为：

w_f＝de_w

w_j＝1-de_w

其中，e_w为由土壤吸水膨胀变形导致的孔隙度变化量，cm³/cm³，当土壤饱和时，w_f等于0。

2.根据权利要求1所述膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，其特征在于，步骤2所述深度为h时膨胀性土壤饱和导水系数K_sh(e)，计算公式为：

其中，e₀、K₀分别为零压强下的孔隙度、饱和导水系数，cm³/cm³、cm/min；e_h为深度为h时土壤饱和孔隙度，cm³/cm³；m′为与土壤质地有关的参数；e₁为时段初的土壤孔隙度，cm³/cm³；ρ_d为土壤密度，g/cm³；a₃为参数；α₃为土壤膨胀特征曲线斜率；U为质量含水量，g/g；A和B均为参数；γ为土壤湿比重，N/cm³；h为土壤深度，cm。

3.根据权利要求1所述膨胀性土壤水分运动过程模拟方法，其特征在于，步骤2所述饱和度S_e，计算公式为：

其中，θ为土壤体积含水量，cm³/cm³；θ_r为残余含水量，cm³/cm³；θ_sh为深度为h时土壤饱和含水量，cm³/cm³；α、m、n均为参数，m＝1-1/n；ψ为土壤水吸力，cm。