[发明专利]一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法

说明书

本发明公开了一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法，涉及寒区水循环技术领域。该方法在考虑了气温对于底层土壤温度的影响，采用了随时间变化的土壤温度边界之后，能够适用于计算层底层温度随时间变化较大时的土壤温度模拟；本发明充分考虑了计算层底部温度随气温和上层温度的变化，提高水热耦合计算的计算准确性。另外，根据计算单元分别设置土壤温度边界，可以适用于各种尺度的流域水文模型，并可以根据各种地区的不同流域的土壤温度具体设置计算边界，可以有效解决原有水文模型中，分区内部底层温度边界变化较大的问题，在减少参数的设置量的同时提升计算精度。

技术领域

本发明涉及寒区水循环技术领域，尤其涉及一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法。

背景技术

寒区水循环主要受冰川冻土的影响，冰川冻土存在的寒区对气候变化和人类活动的响应不同于非寒区，冰川积雪的特殊融化规律以及土壤冻融过程带来的土壤水重新分布都不同程度影响寒区的入渗、蒸发、降水、径流、壤中流等水循环过程。土壤冻结和河流冰封是寒区水循环不同于非寒区的最大特点，了解寒区水循环过程对冻土和水资源演变规律研究具有重要意义。

研究寒区的流域水循环过程，发现冰川积雪和土壤冻融过程对于流域水循环的影响规律，数值模拟是其中的一种重要方式。在水文模型的数值模拟过程中，一般需要补充一个可以求出最底层土壤的下边界热通量的已知值，该已知值称为土壤水热耦合计算底层边界。底层边界主要包括热通量边界和温度边界，而在模型的实际计算过程中，温度边界由于其计算结果稳定、实际测量方便、单位时间内变化幅度小等优势，通常作为土壤分层水热耦合计算的底层边界条件。

目前，通常将底层温度边界设置为一个定值，应用在水文模型中的土壤水热耦合计算过程中，

而如果流域范围较广或海拔差距较大，流域内部气温和土壤温度会有较大差距，如果流域各季节温度变化较大，则土壤温度会随气温变化而改变，所以，在这种情况下，现有技术中采用定值的边界温度进行水文模型的模拟计算，就会导致各单元土壤温度的模拟结果与实际测量结果出现较大差距。从而无法有效的通过水文模型的数值模拟方式，来研究土壤冻融期温度变化对于寒区水循环的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法，包括如下步骤：

S1，获取土壤层温度处于平衡状态时的土壤层厚度的最小阈值；

S2，判断各计算单元的土壤底部的深度h0是否达到S1中确定的最小阈值，如果是，则确定各计算单元的土壤底部的温度为深度h0处对应的土壤温度t0，并将其作为模型各计算单元的输入数据传入土壤温度循环计算模块；

S3，在模型各计算单元的土壤温度循环计算模块中，将水热耦合模块中模拟得到的前一天的深度为h1倒数第二层的土壤温度t1，作为当天的深度为h1倒数第二层的土壤温度；

S4，按照土壤底部温度随高程近似呈现线性分布的规律，根据(t0，h0)，(t1，h1)两个已知点拟合曲线，得到土壤底层温度边界，并用于当日的土壤水热耦合计算过程。

优选地，S1具体为，对待研究的寒区水循环模拟流域的冻土深度进行测量，根据测量结果，确定土壤温度处于相对稳定时，即该层土壤与上下层土壤温度差相等时的该层土壤的深度，即为该流域土壤层温度处于平衡状态时的土壤层厚度的最小阈值。

优选地，S4中，所述土壤底部温度随高程近似呈现线性分布的规律，按照如下方法进行获取：对待研究的寒区水循环模拟流域的冻土深度进行测量，根据测量结果，确定当土壤层深度达到S1中所述的最小阈值时，天然状态下的各土壤层温度均处于平衡的状态，且各层土壤温度随高程近似呈现线性分布的规律。