[发明专利]一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法

说明书

本发明公开了一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。优点是：提高了水文过程模拟的准确性，并且可以很好的模拟出土壤冻结过程中向上集聚以及冻土融化过程中的集中释放现象。

技术领域

本发明涉及寒区氮循环技术领域，尤其涉及一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法。

背景技术

土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、物理化学、力学的现象和子过程，最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚。土壤冻结过程中，因受温差影响，矿质化的潜水不断向冻土层迁移累积，使冻土层含水率与含冰率之和接近或者等于饱和含水率，同时盐分也伴随水分由下层未冻土层向上层冻土层迁移；土壤融化过程中，存在双向融化的现象，底层向上融化，表层向下融化，形成壤中流，从土壤流向河道。

此外，国内主流的流域水文模型之一的大尺度流域水与能量转化过程模拟(Waterand Energy tranfer Processes in Large river basins，简称WEP-L)可以很好的模拟土壤冻融过程中的水分迁移过程，但该模型在考虑土水势时仅考虑了基质势与重力势，忽略了冻融过程中溶质势对水分迁移的影响；该模型为水文模型，未考虑土壤中污染物的迁移过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括如下步骤，

S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；

S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；

S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；

S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；

S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。

优选的，步骤S1具体为，搜集水文站点的大气温度，WEP_L模型中假定地表温度等于大气温度，并根据土壤热容、热传导系数以及各土壤层的含冰率，使用一维垂直流动基本方程计算剩余各层土壤温度；某层土壤的土壤温度计算公式为，

其中，z为该层土壤相对于基准面的高度；λ_s为该层土壤的热导率；T_s为该层土壤的土壤温度；C_V为该层土壤的土壤体积热容；t为时间；ρ_i为土壤中冰的密度，取值为920kg/m³；L_i为融化潜热，取值为3.35×10⁶J/kg；θ_i为该层土壤的体积含冰率。

优选的，步骤S2中，根据某层土壤的土壤温度以及前一日该层土壤的含水率计算该层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据该层土壤的溶质势、基质势和重力势计算该层土壤的总土水势的具体过程为，

S21、根据前一日该层土壤的含水率计算该层土壤中水的重力势和基质势；重力势的计算公式为，

h_g＝±ρ_lgz