[发明专利]一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法

说明书

本发明公开了一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法，包括：先建立降雨条件下的入渗模型，得到降雨过程中的累积入渗量；再建立运动波方程，结合累积入渗量、运动波方程及水量平衡关系得到坡面糙率和坡面水深；然后建立泥沙运输方程，并根据降雨实测数据、坡面水深，确定泥沙侵蚀率。在一次降雨时间下，测定出流口处单位时间的流量和泥沙量，结合流速和水深的关系，以及雨强、水深与产沙量之间的关系便可得到坡面糙率和泥沙侵蚀率，简化入渗过程的参数获取方法，提高了估算结果的普遍适用性。

技术领域

本发明属于水文过程分析降雨条件下坡面地表特征的方法技术领域，涉及一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法。

背景技术

降雨条件下坡耕地农田地表水主要以入渗和坡面径流等形式运动；降雨初期，雨滴击打通常会使得表层土壤颗粒脱落，从而使得坡面径流中往往携带大量泥沙。同时，土壤质地、土壤入渗能力、降雨强度、土地利用方式和地表微地形形态等因素均会对坡面水流的运动方式产生影响，进而影响径流携沙量。通常情况下，坡面水流运动过程采用圣维南方程和运动波方程来描述，圣维南方程和运动波方程的求解一般采用数值方法，但数值方法的求解过程复杂且计算结果与实测结果差异往往较大；同时径流中泥沙的输移过程通常采用非稳态产沙连续性方程描述，其数值求解过程也较复杂，加之泥沙的输移过程存在概率偶然性，并且模型中大多数参数的获取也较为困难，使得模拟计算坡面糙率及泥沙侵蚀率的精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法，解决了现有模型难以准确地确定坡面糙率及泥沙侵蚀率的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种降雨条件下的坡面糙率及泥沙侵蚀率的估算方法，包括：先建立降雨条件下的入渗模型，得到降雨过程中的累积入渗量；再建立运动波方程，结合累积入渗量、运动波方程及水量平衡关系得到坡面糙率和坡面水深；然后建立泥沙运输方程，并根据降雨实测数据、坡面水深，确定泥沙侵蚀率。

本发明的特点还在于：

具体包括以下步骤：

步骤1、根据Green-Ampt模型和Philip入渗模型建立降雨条件下的入渗模型，入渗模型包括土壤入渗率i和累积入渗量I_rf：；

步骤2、根据降雨条件下的坡面水流流动过程建立运动波方程，借助近似解析法求解运动波方程，再结合水量平衡关系得到坡面糙率n和坡面水深h(x,t)的变化过程；

步骤3、建立坡面泥沙运输方程，结合实测数据、坡面水深h(x,t)得到泥沙侵蚀率，泥沙侵蚀率包括雨滴动能侵蚀率D_i、径流侵蚀率D_r。

步骤1具体包括：

步骤1.1、根据Green-Ampt模型可得到降雨条件下的入渗模型中土壤入渗率i为：

上式中，p为降雨强度，θ_s为土壤饱和含水量，θ₀为土壤初始含水量，t为入渗时间，t_p为降雨开始到开始产流所经历的时间，S_f为湿润峰处基质吸力；

步骤1.2、结合Green-Ampt模型和Philip入渗模型得到积水条件下的累积入渗量I_r为：

上式中，S为吸渗率，H为积水深度；

借助于宏观毛管长度参数，Green-Ampt模型和Philip入渗模型特征参数之间的转化关系可以表示为：

上式中，λ_c为土壤宏观毛管长度，b是常数，k_s为饱和导水率；