凍土含水量和溫度的計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種凍土含水量和溫度的計(jì)算方法。該方法包括如下步驟：構(gòu)建一維的水分運(yùn)移方程為：構(gòu)建一維的水熱耦合方程為：將研究土層沿垂直方向分為N個(gè)土層，將研究時(shí)間劃分為M個(gè)時(shí)間段，形成差分網(wǎng)格；根據(jù)差分網(wǎng)格采用差分方式求解水分運(yùn)移方程及水熱耦合方程，得到研究土層各個(gè)結(jié)點(diǎn)的含水量和溫度。本方法采用差分方式求解土壤中含水量和溫度，使求解公式真正得到利用，應(yīng)用到實(shí)際的土壤參數(shù)的求解判斷中。對(duì)研究季節(jié)性凍土各時(shí)間點(diǎn)及深度的性能參數(shù)有重要作用。有利于實(shí)時(shí)掌握凍土的狀態(tài)以便做更合理的使用安排。
【專利說(shuō)明】?jī)鐾梁亢蜏囟鹊挠?jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)值模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種凍土含水量和溫度的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在土壤凍結(jié)條件下非飽和土壤水熱運(yùn)移規(guī)律的研究方法，一般情況下大致可分為實(shí)驗(yàn)分析法和理論分析法這兩種。實(shí)驗(yàn)分析法是通過(guò)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量對(duì)季節(jié)性凍融土體中水分與溫度變化過(guò)程的觀測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，用實(shí)際得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析土壤中的水熱運(yùn)移情況及其變化規(guī)律。但是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般是在固定的環(huán)境條件下觀測(cè)的，因此其結(jié)果有很大的差異性和不唯一性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，理論分析方法具有一定的普遍性和靈活性，可以使用在各種環(huán)境情況下，理論分析法是利用土壤物理學(xué)中的水熱運(yùn)移原理，通過(guò)建立土壤凍融系統(tǒng)水熱耦合運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值模擬土壤凍融過(guò)程，進(jìn)而可以達(dá)到分析非飽和土水熱動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的規(guī)律。
[0003]但是，由于土壤凍融過(guò)程當(dāng)中的水分遷移、水分相變、熱量傳輸三者之間是相互影響的。在進(jìn)行土壤凍融過(guò)程分析研究的時(shí)候，需要充分考慮到土壤水熱耦合情況，才能找到正確的并且行之有效的分析方法。且由于土壤本身的復(fù)雜性，采用理論方法研究土壤水熱運(yùn)移規(guī)律的方程求解非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，有必要提供一種凍土含水量和溫度的計(jì)算方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的提供的一種凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，包括以下步驟:
[0006]構(gòu)建一維的水分運(yùn)移方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟: 構(gòu)建一維的水分運(yùn)移方程為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，其特征在于，所述根據(jù)所述差分網(wǎng)格和邊界條件采用差分方式求解所述水分運(yùn)移方程及所述水熱耦合方程，得到研究土層各個(gè)結(jié)點(diǎn)的含水量和溫度，包括以下步驟: 忽略水的相變，根據(jù)所述水分運(yùn)移方程構(gòu)建水分運(yùn)移差分方程為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，其特征在于，根據(jù)所述水分運(yùn)移方程和所述水熱耦合方程，計(jì)算所述研究土層離散時(shí)間段段末的段末含水量和段末溫度，包括以下步驟: 以時(shí)間段初的初始含水量和初始溫度作為對(duì)應(yīng)時(shí)間段段末的預(yù)報(bào)值； 根據(jù)所述預(yù)報(bào)值和所述水熱耦合差分方程，采用追趕法計(jì)算所述對(duì)應(yīng)時(shí)間段的段末溫度； 根據(jù)所述預(yù)報(bào)值、所述水分運(yùn)移差分方程和所述邊界含水量，采用消元法計(jì)算所述對(duì)應(yīng)時(shí)間段的段末含水量； 判斷所述段末溫度和所述段末含水量與所述預(yù)報(bào)值的差值是否在預(yù)設(shè)誤差范圍內(nèi)； 若是，則完成本次計(jì)算； 若否，則將所述段末溫度和所述段末含水量作為新的預(yù)報(bào)值計(jì)算新的段末溫度和新的段末含水量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，其特征在于，所述邊界條件為..β , < Θ m(T)，其中，Θ m(T)為一定溫度下土壤負(fù)溫條件下的未凍水最大含水量，Θ 1為含水量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，其特征在于，所述N個(gè)土層中，土壤下部的土層厚度大于土壤上部的土層厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的凍土含水量和溫度的計(jì)算方法，其特征在于，所述初始含水量和所述初始溫度通 過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104036134SQ201410254306
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】張超一, 趙燕東, 聶銘君, 顏小飛, 劉衛(wèi)平, 高志濤, 張新, 李寧 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)