基于等效交换层的径流养分浓度估算方法

本发明属于土壤养分随地表径流流失评估，涉及一种基于等效交换层的径流养分浓度估算方法。

背景技术：

1、在自然降雨条件下，坡耕地地表径流冲刷会带走大量土壤养分，从而引起坡耕地退化和农业非点源污染等一系列环境问题，实际上，降雨强度、温度、风速以及自然降雨过程中土壤结构的时空变异性等因素对实测数据的获取会有显著影响，尤其是自然降雨过程中化学物质的迁移量难以现场量化。

2、现有研究均采用人工降雨试验和上方来水冲刷试验来模拟观测养分随径流流失的特征，并建立数学模型对其流失过程进行模拟，然而这些数学模型大都是基于混合层理论的，且未考虑雨滴击溅对养分流失的贡献作用，因此这些模型无法在水土流失严重的黄土高原地区进行应用。

3、为了解决这一现状，提出更适宜于黄土高原地区的等效交换层深度理论，并建立一种基于等效交换层的养分流失预测解析模型，显得非常有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，解决了现有技术中的数学模型难以便捷、准确地预测径流养分浓度的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，一种基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，按照以下步骤具体实施：

3、步骤1：设立等效交换层理论框架，并基于等效交换层深度建立养分流失预测模型，

4、建立养分流失预测模型的具体过程如下：

5、1.1)在等效交换层中，养分质量守恒方程的表达式为：

6、

7、式(1)中，eed是等效交换层深度，单位是cm；θs是饱和含水率，单位是cm3 cm-3；ρs是土壤容重，单位是g cm-3；ka是土壤吸附系数，单位是cm3g-1；t是降雨时间，单位是min；i(t)是入渗速率，单位是cm min-1；er是雨滴诱导的水分转移速率，单位是cm min-1；ce(t)是混合层中的养分浓度，单位是mg.l-1；α是等效入渗层占等效交换层的比例；

8、1.2)假设养分从土壤向径流的转移是由雨滴飞溅驱动的，则径流积水中的养分转移速率的表达式为：

9、mr(t)＝er(1-α)ce(t)，(2)

10、式(2)中，mr(t)是养分从混合层转移到径流的速率，单位是mg min-1；

11、类似地，径流积水中的养分转移速率的另一种表达式为：

12、mr(t)＝q(t)ce(t)，(3)

13、式(3)中，q(t)是产流速率，单位是cm min-1；

14、1.3)用坡面径流近似解来表示产流过程，产流过程的表达式如下：

15、

16、

17、式(4)、式(5)中，q(t)是径流量，单位是cm3 min-1；sc是坡面综合地形因子，k是水面线形态因子，tp是初始产流时间，单位是min；r是降雨强度，单位是cm min-1；

18、1.4)降雨条件下的入渗过程的表达式为：

19、

20、式(6)中，s是土壤吸渗率，单位是cm min-0.5；t0是积水入渗和降雨入渗的时间差，单位是min，t0＝s2/(4p2)；

21、1.5)结合式(1)和式(6)，得到等效交换层中的养分浓度，表达式如下：

22、

23、式(7)中，cm是tp时刻等效交换层中的养分浓度，单位是mg.l-1；

24、其中，

25、

26、β＝kaρs+θs，(9)

27、式(8)中，cs是土壤的初始养分含量，单位是mg.g-1；

28、1.6)结合式(2)、式(3)、式(5)、式(6)和式(7)，得到径流中的养分浓度，表达式如下：

29、

30、式(10)中，cr(t)是径流养分浓度，单位是mg.l-1；

31、1.7)假设等效入渗层深度以指数函数减小，则等效入渗层与等效交换层的比值表达式为：

32、α＝α0exp(-m(t-t0))，(11)

33、式(11)中，α0是等效入渗层与等效交换层的初始比值，m是系数；

34、结合式(1)、式(6)、式(11)，等效交换层中的养分浓度的表达式为：

35、

36、其中，

37、

38、1.8)径流中地养分浓度及流失总量的表达式为：

39、

40、

41、式(14)中，tn是养分流失总量，单位是mg；建成养分流失预测模型；

42、步骤2：完善养分流失预测模型的相关参数，建立估算模型；

43、步骤3、在实际应用中，将步骤2建立的估算模型三个表达式代入步骤1的式(13)中，再输入现场采集的数据，利用式(13)计算出养分浓度变化过程。

44、本发明的有益效果是，根据等效交换层理论，建立养分流失预测模型，并通过36场实测养分流失资料获取得到模型参数；再进一步地建立基于降雨强度、土壤初始含水率、坡度的估算模型。该方法大幅简化了养分流失过程的计算工作量，结合养分流失预测模型和估算模型，只需要一场降雨资料，测定降雨强度、土壤初始含水率、出口处流量、产流时间以及初始土壤养分浓度便能够模拟出养分流失过程。

技术特征：

1.一种基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：

2.根据权利要求1所述的基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，其特征在于，步骤1中，基于gao et al.,2004的交换层理论，在不考虑扩散作用的情况下，建立等效交换层理论，包括以下三点内容：

3.根据权利要求1所述的基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，其特征在于：步骤1中，k+,po43--p,no3--n中的ka值分别为0.026,0.160,0.030。

4.根据权利要求1所述的基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：

5.根据权利要求1所述的基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，其特征在于：步骤3中，现场采集的数据包括降雨强度、坡度、初始含水率、降雨时长和初始养分浓度。

技术总结
本发明公开了一种基于等效交换层的径流养分浓度估算方法，步骤包括：步骤1：设立等效交换层理论框架，并基于等效交换层深度建立养分流失预测模型；步骤2：完善养分流失预测模型的相关参数，建立估算模型；步骤3、在实际应用中，将步骤2建立的估算模型三个表达式代入步骤1的式(13)中，再输入现场采集的数据，利用式(13)计算出养分浓度变化过程，即成。本发明的方法，大幅简化了养分流失过程的计算工作量，结合养分流失预测模型和估算模型，只需要一场降雨资料，测定降雨强度、土壤初始含水率、出口处流量、产流时间以及初始土壤养分浓度便能够模拟出养分流失过程。

技术研发人员：邵凡凡,陶汪海,王全九,苏李君,孙燕
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13