二维吸渗与入渗条件下土壤水力特性参数反演方法研究

发布时间：2020-11-05 14:16

　　 土壤水力特性参数取值是影响非饱和土壤水运动数值计算精度的关键。采用数值模拟、理论分析和室内试验对比相结合的技术路线,综合运用土壤水动力学、数值模拟与数值反演、多目标优化、代理模型和多种计算机语言综合集成技术,开展土壤二维负压吸渗、积水入渗水分运动参数的反演方法研究,取得以下主要结果:(1)提出了一种新的土壤水力特性参数反演方法,即“两步法”。第一步,以吸渗/入渗结束时刻的土壤含水率(θ_(final)),即ψ(θ_(final))最小作为目标函数,采用遗传算法反演饱和含水率;第二步,以累积吸渗/入渗量ψ(Q)和吸渗/入渗速率ψ(v)最小作为目标函数,采用由多向量遗传算法和粒子群算法所构建的混合算法反演水力特性参数α、n和K_s;与传统的加权和多目标反演方法相比,所提方法能够有效解决不同目标函数权重系数难以确定的问题,且具有高的求解效率和强的稳健性。(2)以所提“两步法”为基础,分别对二维吸渗和积水入渗条件下多种典型土壤、不同初始含水量条件下的van Genuchten–Mualem模型中水力特性参数进行了反演。结果表明所得土壤水力特性参数反演值与典型土壤参考值(以RETC软件给出的典型值为比较时的参考值)具有好的一致性,说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参数分别绘制土壤水分特征曲线和导水率曲线,并与参考值绘制的曲线进行比较,结果表明两者具有高的一致性,说明反演所得参数可较为精确的估算土壤水分特征曲线和导水率曲线;量化比较了考虑土壤含水率和累积入渗量存在测量误差条件下反演所得水力特性参数估算土壤水分特征曲线和导水率曲线和参考值曲线,结果表明两者间具有小的差异和满意的估算精度,说明了所提反演方法具有强的稳健性;对积水入渗土壤垂直剖面含水率非均一分布条件下水力特性参数进行了反演,结果表明典型土壤不同含水率分布模式下所得水力特性参数估算值与参考值差异较小,且采用反演结果绘制的土壤水分特征曲线和导水率曲线与参考值绘制的土壤水分特征曲线和导水率曲线基本一致,说明所提反演范围具有较为广泛的使用范围,可用于生产实践。(3)建立了基于Kriging代理模型的土壤水力特性参数反演模型。根据土壤积水入渗的累积入渗量和最终含水率对土壤水力特性参数进行了反演估算,结果表明反演结果与典型土壤参考值具有高的一致性;量化比较了考虑土壤含水率和累积入渗量存在测量误差条件下根据代理模型反演所得水力特性参数估算土壤水分特征曲线和导水率曲线和典型土壤参考值绘制的土壤水分特征曲线和导水率曲线,结果表明两者间无明显的差异,具有高的一致性,说明所建代理模型反演土壤水力特性参数有强的稳健性和实用性;分析了采样点个数对代理模型反演精度的影响,结果表明不同土壤含水率采样点布置模式对反演结果有一定程度的影响,在考虑小的工作量同时保证估算精度的前提条件下,推荐土壤含水率取样点可按照3×3模式(从入渗面中心点分别在垂向和径向距离为0、5、10cm处取样)进行采样。(4)选用榆林、安塞、洛川、杨凌分别作为黄土高原沙壤带、轻壤带、中壤带和重壤带的代表土样,在室内测定代表土样的土壤水分特征曲线和导水率曲线,对所建代理模型反演土壤水力特性参数的一致性进行比较和验证。结果表明根据代理模型反演结果绘制土壤水分特征曲线和导水率曲线与实测曲线间具有高的一致性,进一步说明所建代理模型反演土壤水力特性参数是可靠的。需要指出的是,论文主要通过典型土壤的数值试验和部分室内试验的对比,表明方法具有较为快速准确的特点。由于时间和条件的限制,对于实际土壤的对比试验论文所开展的工作相对较少,故还需对这一方面的工作进行深入分析。同时,在本文研究中,没有考虑土壤质地和容重的分层特性、大田土壤水力特性参数变异性及其反演方法,由于这一问题比较复杂,还需进一步研究。同时对目前先进的多目标优化算法、自适应代理模型等新型算法在土壤水分特性参数反演问题中的可行性,还需进一步深入研究。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S152.7
【部分图文】：

图 2-5 代理模型原理图Fig.2-5 Schematic diagram of agent model模型中应用较早、较为广泛的一类代理用的一种代理模型近似方法，其数学表 01 1 1...m m mi i ij i ji i jx x x x 第 i 个分量， ， ， 是未知数，将多项数拟合模型的关键就是求解向量良好的连续性和可导性，能较好地去除数的大小，可以判断各项参数对整个维问题时，多项式响应面的拟合预测效出现过拟合现象。这些问题是由多项式

(a) (b)图 3-1 α-Ks与 α-n 关系曲线图Fig. 3-1 Relationships between α-Ks, and α-n表 3-2 参数反演范围Table 3-2 Ranges of parameter inversion取值范围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土壤水力特性参数反演过程中，采用 Q、v 和 θ 观测值与预测值之间的均方根误差(RMSE)与标准偏差(σ)的比值作为目标函数(3-6)。 2*2*11*( , ) ( )= =( )1111( )i iii iimmY YmY Ymt tRMSEt t (3-6式中，Y*为不同时间 ti条件下 Q、v 或 θ 的观测值；Y 为参数向量 β 条件下模型的预测

(d) (e) (f)目标函数为 ψ(θfinal)时，粉土 40%有效饱和度情况下等值线图（粉土参数值：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；实心点代表真实参数点）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
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 龚时宏;水中掺气对管道水流水力特性的影响及减轻其危害的措施[J];灌溉排水;1989年04期

2 陈焕然,智兴旺;150/30型气力泵清淤装置的研制、现场试验及水力特性分析[J];水力发电学报;1989年01期

3 魏文礼;郭扬扬;张泽伟;刘玉玲;李东旭;;60°弯道丁坝水流水力特性数值模拟研究[J];水力发电学报;2017年09期

4 陈明战;曹刚;孙新艳;蒋召平;万凤珍;;螺杆泵水力特性检测曲线推导及应用[J];石油矿场机械;2012年11期

5 马建;李隆键;黄彦平;黄军;王艳林;;海洋条件下舰船反应堆热工水力特性研究现状[J];核动力工程;2011年02期

6 龚崇龄，刘晓慧，刘淑筠，张清波，黄诚陵，王万成;蒸汽蓄热器工作过程的热水力特性分析[J];武汉汽车工业大学学报;1996年03期

7 初迎利，李邦达，刘兴国，侯汉钊;用摄影法研究喷嘴的水力特性[J];大庆石油学院学报;1994年03期

8 魏文礼;李盼盼;邵世鹏;刘玉玲;;T型丁坝对90°弯道水力特性影响的大涡模拟研究[J];系统仿真学报;2016年06期

9 赵静野,刘建伟,冯颖;三通型带气管接水力特性的研究[J];城市燃气;2003年10期

10 赵德志;;船闸输水水力特性曲线计算[J];水道港口;1991年01期

相关博士学位论文 前10条

1 李一博;二维吸渗与入渗条件下土壤水力特性参数反演方法研究[D];西北农林科技大学;2018年

2 曹继文;明渠岸边横向取水的三维水力特性及简易防沙措施试验研究[D];中国水利水电科学研究院;2004年

3 宋士雄;熔盐冷却球床堆热工水力特性研究[D];中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）;2014年

4 贾辉;城市供水管网渗漏水力特性研究[D];天津大学;2008年

5 李佳;乐清湾环境水力特性研究[D];浙江大学;2010年

6 喻涛;非恒定流条件下丁坝水力特性及冲刷机理研究[D];重庆交通大学;2013年

7 李妍;大型水电站进水口水力特性研究[D];天津大学;2012年

8 何建京;明渠非均匀流糙率系数及水力特性研究[D];河海大学;2003年

9 孙洪亮;弧形闸门局部开启时闸前漩涡水力特性研究[D];大连理工大学;2016年

10 谢荣盛;轴流泵小流量工况水力特性研究[D];扬州大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 王志强;科尔沁沙地土壤水力特性的推算[D];内蒙古农业大学;2003年

2 王昊;某泄洪底孔水力特性的试验及数值模拟研究[D];大连理工大学;2016年

3 高东红;三维鱼道水力特性及鱼体上溯行进能力数值模拟研究[D];大连理工大学;2015年

4 唐帅;多孔拦河闸的水力特性研究[D];大连理工大学;2017年

5 韩宁宁;基于生态水力特性的雨水花园设计策略研究[D];东南大学;2017年

6 解克宇;泵站进水池超低水位水力特性的数值模拟[D];华北水利水电大学;2016年

7 侯丽;涵闸出流水力特性试验研究及数值模拟[D];扬州大学;2011年

8 詹卫华;土壤水力特性分形特征的研究[D];中国农业大学;2000年

9 金俊伟;清水池水力特性研究及应用[D];清华大学;2005年

10 羌鑫梁;高淹没度下闸堰出流水力特性分析与数值模拟[D];扬州大学;2009年

本文编号：2871754