[發明專利]一種土壤凍融過程中氮素的模擬方法

有效

• 申請號: 202110412254.4
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113033020B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 周祖昊;劉水清;李佳;嚴子奇;賈仰文;劉佳嘉;王浩;賀華翔
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 于國強

本發明公開了一種土壤凍融過程中氮素的模擬方法，包括S1、根據大氣溫度計算各層土壤的溫度；S2、根據獲取的各層土壤溫度以及前一日各層土壤的含水率計算各層土壤的溶質勢、基質勢和重力勢，并根據各層土壤的溶質勢、基質勢和重力勢計算各層土壤的總土水勢；S3、根據各層土壤的總土水勢，利用一維垂直水分流動方程計算當日各層土壤的含水率；S4、根據當日各層土壤的含水率，計算各層土壤中氮素的匯源項；S5、根據各層土壤中氮素的匯源項，利用對流彌散方程計算各層土壤中的氮素濃度。優點是：提高了水文過程模擬的準確性，并且可以很好的模擬出土壤凍結過程中向上集聚以及凍土融化過程中的集中釋放現象。

技術領域

本發明涉及寒區氮循環技術領域，尤其涉及一種土壤凍融過程中氮素的模擬方法。

背景技術

土壤的凍融是一個非常復雜的過程，它伴隨物理、物理化學、力學的現象和子過程，最主要的包括水分、熱量的傳輸、水分相變和鹽分的積聚。土壤凍結過程中，因受溫差影響，礦質化的潛水不斷向凍土層遷移累積，使凍土層含水率與含冰率之和接近或者等于飽和含水率，同時鹽分也伴隨水分由下層未凍土層向上層凍土層遷移；土壤融化過程中，存在雙向融化的現象，底層向上融化，表層向下融化，形成壤中流，從土壤流向河道。

此外，國內主流的流域水文模型之一的大尺度流域水與能量轉化過程模擬(Waterand Energy tranfer Processes in Large river basins，簡稱WEP-L)可以很好的模擬土壤凍融過程中的水分遷移過程，但該模型在考慮土水勢時僅考慮了基質勢與重力勢，忽略了凍融過程中溶質勢對水分遷移的影響；該模型為水文模型，未考慮土壤中污染物的遷移過程。

發明內容

本發明的目的在于提供一種土壤凍融過程中氮素的模擬方法，從而解決現有技術中存在的前述問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種土壤凍融過程中氮素的模擬方法，包括如下步驟，

S1、根據大氣溫度計算各層土壤的溫度；

S2、根據獲取的各層土壤溫度以及前一日各層土壤的含水率計算各層土壤的溶質勢、基質勢和重力勢，并根據各層土壤的溶質勢、基質勢和重力勢計算各層土壤的總土水勢；

S3、根據各層土壤的總土水勢，利用一維垂直水分流動方程計算當日各層土壤的含水率；

S4、根據當日各層土壤的含水率，計算各層土壤中氮素的匯源項；

S5、根據各層土壤中氮素的匯源項，利用對流彌散方程計算各層土壤中的氮素濃度。

優選的，步驟S1具體為，搜集水文站點的大氣溫度，WEP_L模型中假定地表溫度等于大氣溫度，并根據土壤熱容、熱傳導系數以及各土壤層的含冰率，使用一維垂直流動基本方程計算剩余各層土壤溫度；某層土壤的土壤溫度計算公式為，

其中，z為該層土壤相對于基準面的高度；λ_s為該層土壤的熱導率；T_s為該層土壤的土壤溫度；C_V為該層土壤的土壤體積熱容；t為時間；ρ_i為土壤中冰的密度，取值為920kg/m³；L_i為融化潛熱，取值為3.35×10⁶J/kg；θ_i為該層土壤的體積含冰率。

優選的，步驟S2中，根據某層土壤的土壤溫度以及前一日該層土壤的含水率計算該層土壤的溶質勢、基質勢和重力勢，并根據該層土壤的溶質勢、基質勢和重力勢計算該層土壤的總土水勢的具體過程為，

S21、根據前一日該層土壤的含水率計算該層土壤中水的重力勢和基質勢；重力勢的計算公式為，

h_g＝±ρ_lgz