CN113656745A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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‑径流关系相关参数；确定研究区域的降雨径流关系，计算多年平均条件下的入渗量R_g；确定土壤类型，以及不同类型土壤对应的参数；通过公式计算产流基准埋深h_s。本发明从物理学，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，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。

Description

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

技术领域

本发明涉及水文水利计算方法的技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

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：

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。

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。

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：

R_g＝I-E-R_o。

其中，步骤四中产流基准埋深h_s：

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明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

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。

图1为降水入渗过程受力分析示意图；

图2为本发明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

下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明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：

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。

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。

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。

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：

G₀＝ρgI；

式中，ρ为水的密度；g为重力加速度。

土壤气体初始压强P₀近似等于大气压。

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：

G₁＝ρg(I-ΔE)；

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：

此时压强差形成了垂直作用于界面的土壤气体顶托力F₁：

如此，第mΔt时刻(见附图1c)，重力进一步减少为G_m：

而土壤气体压强进一步增大为P_m：

此时土壤气体压缩顶托力为F_m：

假设mΔt时刻达到相对平衡，即重力与顶托力相等，有G_m＝F_m：

令

为总入渗深度，

为总蒸发。因此：

上式描述了重力与土壤气体压缩顶托力平衡时包气带结构。

此时降水量I分解为三个部分：蒸发量E；入渗量R_o＝h_g(ξ-ω₀)；剩余为地表径流R_o：

R_o＝I-E-R_g；

上式即为降雨径流关系。根据前面分析最终可以得到反映的产流基准埋深计算公式：

即

请参见图2，图2为本发明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。

本反映降雨径流关系的产流基准地下水埋深的计算方法，包括如下步骤：

步骤一：通过资料调研，收集降雨-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。

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：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：

R_g＝I-E-R_o。

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：

即

其中，P₀为大气压强，ρ为水的密度；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。

实施例1

选取地下水超采严重的典型半湿润区华北平原开展研究。采用构建的理论公式计算华北平原产流基准埋深。

参照降雨量、径流量采用全国第一次水资源评价(1956～1979系列)资料，资料时间系列较早，人类活动影响相对较小，且对径流量进行了还原计算，可以认为基本反映自然常态条件。华北平原降雨主要集中在汛期，占比达到70％以上，产流往往来自于数场大降雨(产流期通常为6～8月)，因此降雨量和水面蒸发量均采用产流期(6～8月)多年平均数据。同时，考虑到产流较降雨有所滞后，若采用产流期的月径流数据可能带来较大误差，因此计算中径流量采用多年平均天然径流量扣除基流量得到。华北平原各分区产流期多年平均降雨量、水面蒸发量与径流量如表1。

表1产流期多年平均降雨量、水面蒸发量与径流量

根据全国第二次土壤调查形成的1:100万中国土壤数据集，华北平原土壤分布占比面积超过10％的仅有壤沙土、壤土。本次计算主要考虑这二种土壤。不同土壤物理参数如表2。

表2不同土壤物理参数

土壤参数主要包括土壤孔隙度和初始含水量。土壤孔隙度可直接根据表2确定，土壤初始含水量则主要考虑产流期前的土壤含水量。根据国家农业气象观测站数据，产流期前(5月下旬到6月上旬)土壤含水量一般处于全年最低值，多年平均情况下平原区各站土壤的相对湿度约为52％。本文选取残余含水量、凋萎系数和土壤相对湿度的52％作为土壤初始含水量。

大气压强取为标准大气压，近似等于10336mm水柱。水的密度取值1×10³kg/m³，水的密度的变化较小，因此，忽略水随温度的密度变化。重力加速度g取值9.8N/kg。

产流基准计算：

将上述相关参数代入公式，计算结果如表3，华北平原产流基准埋深总体为2～5m。在空间上，基准埋深呈现沿山前冲洪积扇-中部平原-滨海平原逐渐减小的趋势。

表3产流基准埋深计算结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

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。

3.根据权利要求2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：

R_g＝I-E-R_o。

4.根据权利要求3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，所述步骤四中，产流基准埋深h_s：

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