發(fā)布時間：2020-11-05 14:16

　　 土壤水力特性參數(shù)取值是影響非飽和土壤水運動數(shù)值計算精度的關(guān)鍵。采用數(shù)值模擬、理論分析和室內(nèi)試驗對比相結(jié)合的技術(shù)路線,綜合運用土壤水動力學、數(shù)值模擬與數(shù)值反演、多目標優(yōu)化、代理模型和多種計算機語言綜合集成技術(shù),開展土壤二維負壓吸滲、積水入滲水分運動參數(shù)的反演方法研究,取得以下主要結(jié)果:(1)提出了一種新的土壤水力特性參數(shù)反演方法,即“兩步法”。第一步,以吸滲/入滲結(jié)束時刻的土壤含水率(θ_(final)),即ψ(θ_(final))最小作為目標函數(shù),采用遺傳算法反演飽和含水率;第二步,以累積吸滲/入滲量ψ(Q)和吸滲/入滲速率ψ(v)最小作為目標函數(shù),采用由多向量遺傳算法和粒子群算法所構(gòu)建的混合算法反演水力特性參數(shù)α、n和K_s;與傳統(tǒng)的加權(quán)和多目標反演方法相比,所提方法能夠有效解決不同目標函數(shù)權(quán)重系數(shù)難以確定的問題,且具有高的求解效率和強的穩(wěn)健性。(2)以所提“兩步法”為基礎(chǔ),分別對二維吸滲和積水入滲條件下多種典型土壤、不同初始含水量條件下的van Genuchten–Mualem模型中水力特性參數(shù)進行了反演。結(jié)果表明所得土壤水力特性參數(shù)反演值與典型土壤參考值(以RETC軟件給出的典型值為比較時的參考值)具有好的一致性,說明所提反演方法具有高的可靠性;采用反演所得土壤水力特性參數(shù)分別繪制土壤水分特征曲線和導水率曲線,并與參考值繪制的曲線進行比較,結(jié)果表明兩者具有高的一致性,說明反演所得參數(shù)可較為精確的估算土壤水分特征曲線和導水率曲線;量化比較了考慮土壤含水率和累積入滲量存在測量誤差條件下反演所得水力特性參數(shù)估算土壤水分特征曲線和導水率曲線和參考值曲線,結(jié)果表明兩者間具有小的差異和滿意的估算精度,說明了所提反演方法具有強的穩(wěn)健性;對積水入滲土壤垂直剖面含水率非均一分布條件下水力特性參數(shù)進行了反演,結(jié)果表明典型土壤不同含水率分布模式下所得水力特性參數(shù)估算值與參考值差異較小,且采用反演結(jié)果繪制的土壤水分特征曲線和導水率曲線與參考值繪制的土壤水分特征曲線和導水率曲線基本一致,說明所提反演范圍具有較為廣泛的使用范圍,可用于生產(chǎn)實踐。(3)建立了基于Kriging代理模型的土壤水力特性參數(shù)反演模型。根據(jù)土壤積水入滲的累積入滲量和最終含水率對土壤水力特性參數(shù)進行了反演估算,結(jié)果表明反演結(jié)果與典型土壤參考值具有高的一致性;量化比較了考慮土壤含水率和累積入滲量存在測量誤差條件下根據(jù)代理模型反演所得水力特性參數(shù)估算土壤水分特征曲線和導水率曲線和典型土壤參考值繪制的土壤水分特征曲線和導水率曲線,結(jié)果表明兩者間無明顯的差異,具有高的一致性,說明所建代理模型反演土壤水力特性參數(shù)有強的穩(wěn)健性和實用性;分析了采樣點個數(shù)對代理模型反演精度的影響,結(jié)果表明不同土壤含水率采樣點布置模式對反演結(jié)果有一定程度的影響,在考慮小的工作量同時保證估算精度的前提條件下,推薦土壤含水率取樣點可按照3×3模式(從入滲面中心點分別在垂向和徑向距離為0、5、10cm處取樣)進行采樣。(4)選用榆林、安塞、洛川、楊凌分別作為黃土高原沙壤帶、輕壤帶、中壤帶和重壤帶的代表土樣,在室內(nèi)測定代表土樣的土壤水分特征曲線和導水率曲線,對所建代理模型反演土壤水力特性參數(shù)的一致性進行比較和驗證。結(jié)果表明根據(jù)代理模型反演結(jié)果繪制土壤水分特征曲線和導水率曲線與實測曲線間具有高的一致性,進一步說明所建代理模型反演土壤水力特性參數(shù)是可靠的。需要指出的是,論文主要通過典型土壤的數(shù)值試驗和部分室內(nèi)試驗的對比,表明方法具有較為快速準確的特點。由于時間和條件的限制,對于實際土壤的對比試驗論文所開展的工作相對較少,故還需對這一方面的工作進行深入分析。同時,在本文研究中,沒有考慮土壤質(zhì)地和容重的分層特性、大田土壤水力特性參數(shù)變異性及其反演方法,由于這一問題比較復雜,還需進一步研究。同時對目前先進的多目標優(yōu)化算法、自適應代理模型等新型算法在土壤水分特性參數(shù)反演問題中的可行性,還需進一步深入研究。
【學位單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：S152.7
【部分圖文】：

圖 2-5 代理模型原理圖Fig.2-5 Schematic diagram of agent model模型中應用較早、較為廣泛的一類代理用的一種代理模型近似方法，其數(shù)學表 01 1 1...m m mi i ij i ji i jx x x x 第 i 個分量， ， ， 是未知數(shù)，將多項數(shù)擬合模型的關(guān)鍵就是求解向量良好的連續(xù)性和可導性，能較好地去除數(shù)的大小，可以判斷各項參數(shù)對整個維問題時，多項式響應面的擬合預測效出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。這些問題是由多項式

(a) (b)圖 3-1 α-Ks與 α-n 關(guān)系曲線圖Fig. 3-1 Relationships between α-Ks, and α-n表 3-2 參數(shù)反演范圍Table 3-2 Ranges of parameter inversion取值范圍Rangeθsα n Ksα/Ks- cm 1- cm min 1-最小值 0.35 0.001 1.05 0.00010 0.2最大值 0.55 0.200 3.00 0.60000 20土壤水力特性參數(shù)反演過程中，采用 Q、v 和 θ 觀測值與預測值之間的均方根誤差(RMSE)與標準偏差(σ)的比值作為目標函數(shù)(3-6)。 2*2*11*( , ) ( )= =( )1111( )i iii iimmY YmY Ymt tRMSEt t (3-6式中，Y*為不同時間 ti條件下 Q、v 或 θ 的觀測值；Y 為參數(shù)向量 β 條件下模型的預測

(d) (e) (f)目標函數(shù)為 ψ(θfinal)時，粉土 40%有效飽和度情況下等值線圖（粉土參數(shù)值：θr= 0.034 cm3cm 3；θs= 0.46 cm3cm 3；α = 0.016 cm 1；n =0.0042 cm min 1）；(a) α–n；(b) α–Ks；(c) n–Ks；(d) n–θs；(e) α–θs；(f) Ks–θs；實心點代表真實參數(shù)點）Contours of objective function ψ(θfinal) of silt under θinitialequal to a 40% effective saturation degree. The hydraulic parameters of silt: θr= 0.034 3cm 3; α = 0.016 cm 1; n = 1.37; Ks= 0.0042 cm min 1. Results are plotted in the: (a) α–n; (b) α–Ks; (c) n–Ks; (d) n–θs; (e) α–θs; and (f) Ks–θsparaThe solid circles are the true parameters
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本文編號：2871754