8.2.2 土壤垂直一维入渗的Parlange解

8.2.2 土壤垂直一维入渗的Parlange解

式(8.5)可以写成

图示

定解条件仍为式(8.2)。

Parlange解是一种半解析迭代方法。其指导思想是:当已知第p次迭代结果为zp(θ,t)后,对其求导数得到∂zp(θ,t)/∂t,积分一次得到∂zp+1(θ,t)/∂θ,再积分一次得到p+1次迭代结果zp+1(θ,t)。连续进行迭代,直到前后两次迭代所得z(θ,t)之差小于允许的误差,其结果即为所要求的解。文献[2]的求解过程如下。

设已知第p次的迭代结果为zp(θ,t),根据基本方程式(8.25),有

图示

式(8.26)表示zp(θ,t)对时间t的一次导数。对式(8.26)从θ0到θ积分,并变形得到

图示

对式(8.27)再积分一次,积分限由z到地表(z=0),相应的土壤含水量由θ至θs(边界土壤含水量),为了避免积分变量与积分限混淆,第一次积分将变量符号θ改为β,第二次积分变量符号改为γ,则

图示

式(8.28)即为已知p次迭代结果zp(θ,t),求第p+1次迭代解zp+1(θ,t)的一般表达式。

下面根据Parlange解的指导思想求解式(8.25)。

作为一级近似,可以取满足∂z0(θ,t)/∂t=0的z0(θ,t)作为迭代的初值,代入式(8.26)得

图示

将∂z0(θ,t)/∂t=0代入式(8.29)得

图示

式(8.30)表明,图示与土壤含水量θ无关,对式(8.30)积分得

图示

式中:c(t)为与时间t有关的积分常数,c(t)=-f(t),f(t)为地表处的入渗率。

式(8.31)可以改写成

图示

对式(8.32)从z到0积分,土壤含水量由θ至θs积分,得

图示

可见,只要求得c(t),则第一次迭代解z1(θ,t)便可由式(8.33)求出。(https://www.daowen.com)

式(8.33)的关键是求解c(t)。对式(8.33)求导数得

图示

将式(8.34)与式(8.25)联立得

图示

对式(8.35)由θ0至θs积分得

图示

根据定解条件,在湿润锋面处土壤含水量为初始含水量,因此土壤含水量梯度可假定为零;同时,如果初始土壤含水量比较小,则相应的导水率可以认为是零,即

当θ=θ0时,图示-f(t),则

图示

式(8.37)左端的重积分经变换得

图示

由式(8.38)得

图示

这是关于c(t)的一阶常微分方程。

式(8.39)可以整理为

图示

对式(8.40)积分得

图示

当已知D(θ)和K(θ)后,可由式(8.41)求得c(t),也可得到地表入渗率f(t)。

当已知c(t)后,代入式(8.33),则可求得z1(θ,t),然后由迭代公式(8.28)可求得第二次迭代结果z2(θ,t)。

对于第二次迭代结果也可以直接求出。将式(8.34)直接代入式(8.28)得

图示

将式(8.39)代入式(8.42)得

图示