一種獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獲取Green?Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置，包括降雨量控制裝置、雨滴生成器、可調(diào)節(jié)框架和坡面土壤含水率監(jiān)測裝置。本發(fā)明還公開了所述實驗裝置的具體操作方法，利用所述實驗裝置在野外實時測量不同地貌、不同雨強和土壤含水率條件下的降雨徑流過程和G-A模型參數(shù)提取，迅速獲取無資料地區(qū)短歷時暴雨特征和模擬參數(shù)。本發(fā)明可以克服無資料地區(qū)下滲模擬難的缺點，解決其短歷時降雨計算的難題，裝置本身結(jié)構(gòu)合理，易于操作，方法簡單實用，可行性強，算法快捷。
【專利說明】—種獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置及方法，涉及一種在水文學(xué)或土壤學(xué)科學(xué)實驗中自動提取下滲參數(shù)的裝置與方法，屬于無資料地區(qū)的水文學(xué)徑流形成規(guī)律與模擬研究【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在水文循環(huán)中，下滲過程是陸地水文過程的重要環(huán)節(jié)，它決定了降雨產(chǎn)流機制和分水源問題的精度，特別是地表徑流較小的無資料地區(qū)水文模擬中，下滲過程的精度問題極大地影響地表水預(yù)測預(yù)報的精度。對土壤界面上的下滲過程和地表產(chǎn)流過程來說，土壤的水力特征是他們的決定因素之一，陸地水文研究的主要研究環(huán)境也與土壤多孔介質(zhì)密切相關(guān)。可以說，地表徑流形成機理與下滲機制都依賴于對土壤介質(zhì)特征的理解。這種依賴關(guān)系都直接或者間接地體現(xiàn)在許多水文模型系統(tǒng)中，許多的經(jīng)典水文模型都在土壤科學(xué)的基礎(chǔ)上建立。
[0003]Green-Ampt (G-A)模型就是其中一個具有物理機理且依賴土壤水力特征的下滲模型。G-A模型不僅在機理上有明確的物理意義而且在大型水文模型的計算上也有突出的表現(xiàn)。鑒于這些獨特的優(yōu)勢，G-A模型成為眾多分布式模型地表水產(chǎn)流模塊的首選。與所有概念模型一樣，G-A模型的應(yīng)用也面臨參數(shù)估計的問題。目前，G-A模型的參數(shù)往往是經(jīng)驗法或者理論轉(zhuǎn)換方法，但是不同參數(shù)轉(zhuǎn)換法存在精度差異。這種差異尚沒有專門的研究和解決方案。也有許多學(xué)者進一步拓展了 G-A模型概念，將其發(fā)展為適應(yīng)復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)的下滲模型，并提出了一些新的改進方程和理論參數(shù)估計。其中最為常見的方式為依賴土壤水力特征函數(shù)(也稱土壤傳輸函數(shù))建立不同土壤類別的G-A參數(shù)估計法。通過土壤傳輸函數(shù)，他們估計出理論上的土壤毛管勢，并通過經(jīng)驗估計法得出有效的水力傳導(dǎo)度等價于飽和水力傳導(dǎo)度的一半。這些假設(shè)在長期的應(yīng)用中得到認(rèn)可，同時，也是成為模型應(yīng)用中一個潛在的誤差源頭。這個誤差在分布式水文模型網(wǎng)格化計算過程逐步放大，影響水文計算的精度和準(zhǔn)確度。在無資料地區(qū)，野外校驗?zāi)Ｐ蛥?shù)的難度更大。為了避免上述問題，許多的學(xué)者進行了野外的滲流實驗。他們希望在滿足G-A模型假設(shè)條件下測定蓄水狀態(tài)下的下滲過程。盡管如此，這種方式并不能適應(yīng)G-A模型應(yīng)用的實際情況，比如G-A在降雨徑流產(chǎn)生前的一段時間內(nèi)地表是處于不完全供水狀態(tài)。在應(yīng)用G-A模型預(yù)測地表徑流時，這種差異可能因為了產(chǎn)流比率和分布式模型網(wǎng)格化運算的不同而逐步放大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明利用野外降雨過程的平衡原理提出一種提取G-A下滲參數(shù)的裝置與優(yōu)化參數(shù)方法，可以克服無資料地區(qū)下滲模擬的缺點，解決其短歷時降雨計算的難題。本發(fā)明所公開的裝置結(jié)構(gòu)合理，易于操作，方法簡單實用，可行性強。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置,包括降雨量控制裝置、雨滴生成器、可調(diào)節(jié)框架和坡面土壤含水率監(jiān)測裝置，其中:
[0007]所述降雨量控制裝置由馬氏瓶系統(tǒng)、超聲波感應(yīng)器、第一直管和第二直管組成，馬氏瓶系統(tǒng)進行模擬降雨強度調(diào)節(jié)和控制恒定水頭，馬氏瓶系統(tǒng)的水箱底部設(shè)置有用以測定瓶內(nèi)水量變化過程的超聲波感應(yīng)器，馬氏瓶系統(tǒng)的瓶口貫穿的設(shè)置有用以連通大氣的第一直管和用以連接雨滴生成器的第二直管；
[0008]所述雨滴生成器包括底板和外殼，底板和外殼封閉構(gòu)成上端面凸起的中空矩形，上端面凸起處的中心設(shè)置有排氣管和集水管，所述排氣管用以預(yù)排雨滴生成器內(nèi)的空氣，等到中空矩形內(nèi)的空氣排完后，將排氣管封閉，所述集水管與降雨量控制裝置的第二直管相連接；所述底板上均勻的布設(shè)孔，每個孔上還設(shè)置有與其直徑相一致的孔塞；
[0009]所述可調(diào)節(jié)框架包括用以固定雨滴生成器的固定平面，所述固定平面的四個角依次與兩個后側(cè)支桿和兩個前側(cè)支桿的一端相連，所述兩個后側(cè)支桿的另一端與旋轉(zhuǎn)軸橫梁的兩端固定連接，旋轉(zhuǎn)軸橫梁的兩端還分別和兩根基座橫梁的一端相連，所述兩個前側(cè)支桿的另一端分別可滑動的套接或者固定連接在所述基座橫梁上，所述基座橫梁的兩個自由端、基座橫梁與旋轉(zhuǎn)軸橫梁的連接處還分別設(shè)置四個可調(diào)節(jié)伸縮樁；
[0010]所述坡面土壤含水率監(jiān)測裝置的形狀為切面是直角三角形的三棱柱，三棱柱的兩條直角邊分別對應(yīng)水平和豎直方向，三棱柱的斜邊上設(shè)置有實驗坡面，所述實驗坡面與水平面的接口處設(shè)置有水槽，所述水槽中設(shè)置有水位計，所述實驗坡面的上方設(shè)置有Datalog采集器，Datalog采集器的輸入端與土壤水分探針相連接，土壤水分探針插入實驗坡面內(nèi)；水槽收集地表直接徑流，水位計實時記錄徑流形成的水深并折算成徑流深度，Datalog采集器同時記錄實驗過程的累計模擬雨量、徑流收集徑流深度和被測土塊的土壤水分變化曲線。
[0011]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述雨滴生成器的孔內(nèi)還設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)點膠針頭。
[0012]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述外殼和底板使用透明塑料或有機玻璃板，且經(jīng)過密封防水處理。
[0013]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述后側(cè)支桿為高度可調(diào)節(jié)的支桿。
[0014]本發(fā)明還公開了基于所述獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置的實驗方法，具體步驟如下:
[0015]步驟一、建立改進后的適應(yīng)降雨徑流模擬的Green Ampt模型:

【權(quán)利要求】
1.一種獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置，其特征在于:包括降雨量控制裝置、雨滴生成器、可調(diào)節(jié)框架和坡面土壤含水率監(jiān)測裝置，其中: 所述降雨量控制裝置由馬氏瓶系統(tǒng)、超聲波感應(yīng)器、第一直管和第二直管組成，馬氏瓶系統(tǒng)進行模擬降雨強度調(diào)節(jié)和控制恒定水頭，馬氏瓶系統(tǒng)的水箱底部設(shè)置有用以測定瓶內(nèi)水量變化過程的超聲波感應(yīng)器，馬氏瓶系統(tǒng)的瓶口貫穿的設(shè)置有用以連通大氣的第一直管和用以連接雨滴生成器的第二直管； 所述雨滴生成器包括底板和外殼，底板和外殼封閉構(gòu)成上端面凸起的中空矩形，上端面凸起處的中心設(shè)置有排氣管和集水管，所述排氣管用以預(yù)排雨滴生成器內(nèi)的空氣，等到中空矩形內(nèi)的空氣排完后，將排氣管封閉，所述集水管與降雨量控制裝置的第二直管相連接；所述底板上均勻的布設(shè)孔，每個孔上還設(shè)置有與其直徑相一致的孔塞； 所述可調(diào)節(jié)框架包括用以固定雨滴生成器的固定平面，所述固定平面的四個角依次與兩個后側(cè)支桿和兩個前側(cè)支桿的一端相連，所述兩個后側(cè)支桿的另一端與旋轉(zhuǎn)軸橫梁的兩端固定連接，旋轉(zhuǎn)軸橫梁的兩端還分別和兩根基座橫梁的一端相連，所述兩個前側(cè)支桿的另一端分別可滑動的套接或者固定連接在所述基座橫梁上，所述基座橫梁的兩個自由端、基座橫梁與旋轉(zhuǎn)軸橫梁的連接處還分別設(shè)置四個可調(diào)節(jié)伸縮樁； 所述坡面土壤含水率監(jiān)測裝置的形狀為切面是直角三角形的三棱柱，三棱柱的兩條直角邊分別對應(yīng)水平和豎直方向，三棱柱的斜邊上設(shè)置有實驗坡面，所述實驗坡面與水平面的接口處設(shè)置有水槽，所述水槽中設(shè)置有水位計，所述實驗坡面的上方設(shè)置有Datalog采集器，Datalog采集器的輸入端與土壤水分探針相連接，土壤水分探針插入實驗坡面內(nèi)；水槽收集地表直接徑流，水位計實時記錄徑流形成的水深并折算成徑流深度，Datalog采集器同時記錄實驗過程的累計模擬雨量、徑流收集徑流深度和被測土塊的土壤水分變化曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的一種獲取GreenAmpt模型下滲參數(shù)的實驗裝置，其特征在于:所述雨滴生成器的孔內(nèi)還設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)點膠針頭。
3.如權(quán)利要求1所述的一種獲取GreenAmpt模型下滲參數(shù)的實驗裝置，其特征在于:所述外殼和底板使用透明塑料或有機玻璃板，且經(jīng)過密封防水處理。
4.如權(quán)利要求1所述的一種獲取GreenAmpt模型下滲參數(shù)的實驗裝置，其特征在于:所述后側(cè)支桿為高度可調(diào)節(jié)的支桿。
5.一種基于權(quán)利要求1所述獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置的實驗方法，其特征在于，具體步驟如下: 步驟一、建立改進后的適應(yīng)降雨徑流模擬的Green Ampt模型:
其中，Ke表示有效的水力傳導(dǎo)讀，t表示實驗時記錄的時間序列，tp表示地表蓄水起始時刻，ts表示未達到表層蓄水前的時間變量，I為與t對應(yīng)的實時累積入滲量，S表示濕潤鋒處的毛管勢，03表示飽和含水率，取值為O至1，Qi表示土壤初始含水率，取值為O到0S，Ip表示地表開始蓄水時累計下滲水量，P表示降雨強度； 步驟二、啟動實驗裝置后，記錄時間序列t ;由降雨量控制裝置對降壓強度P進行控制；根據(jù)Datalog采集器所記錄的土壤水分記錄數(shù)據(jù)計算含水率變化參數(shù)Gs-Gi ;通過記錄的累積模擬降雨量和坡面下水槽中記錄的徑流量計算得出地表開始蓄水時累計下滲水量Ip ;根據(jù)坡面土壤含水率監(jiān)測裝置中土壤類型的不同確定有效的水力傳導(dǎo)讀數(shù)Ke和濕潤鋒處的毛管勢S ； 步驟三、采用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法,將實測含水率和累計入滲量納入優(yōu)化算法中實時的自率定序列，選定化簡參數(shù)Ke和Ms，其中，Ms = SX (θ3-θ J，得出最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，表達式如下:
步驟四、根據(jù)雅可比行列式參數(shù):
計算出最優(yōu)化的Green Ampt模型下滲參數(shù)Ke和Ms。
6.一種如權(quán)利要求5所述的基于獲取Green Ampt模型下滲參數(shù)的實驗裝置的實驗方法，其特征在于，步驟三中，所述Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法進行優(yōu)化計算的方法為:
式中，Yi表示觀測數(shù)據(jù)序列，i為序列的變量編號，m為實驗序列的個數(shù)；f(Xi, β)表示優(yōu)化函數(shù)及參數(shù)集合，即Newton迭代求解的Green Ampt模型中的累計下滲量,Xi的取值與每一個時刻Xt對應(yīng)，β為函數(shù)中參變量集合，X表示參數(shù)集合，J表示Jacobian矩陣，F(xiàn)表示優(yōu)化函數(shù)，即誤差平方累積函數(shù)，t表示計算時刻，λ表示迭代速率控制參數(shù)，取值為O至無窮大； 當(dāng)λ小于設(shè)定的閾值時，步長等于牛頓法的步長；當(dāng)λ大于設(shè)定的閾值時，步長等于梯度下降法的步長，通過對于目標(biāo)函數(shù)的自率定Jacobian矩陣的選擇，決定目標(biāo)方程優(yōu)化的方式。
【文檔編號】G01N15/08GK104198352SQ201410396252
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】向龍, 余鐘波, 陳力, 楊濤, 陳星 , 張其成, 黃冬菁, 朱永澍, 龍珂良 申請人:河海大學(xué)