热脉冲法测定饱和土壤水通量的贝叶斯不确定性分析

发布时间：2020-10-25 03:38

　　土壤水通量参数对于研究和制定农业灌溉制度、维持区域水资源可持续利用具有重要的实践和理论意义。快速准确地获取土壤水通量有助于农业和生态水资源管理从科学研究走向实际应用。热脉冲-时域反射技术(TDR)法是近年来被广泛应用于快速测定土壤水通量的方法之一。由于热脉冲-TDR法具有不受土壤类型限制,不破坏土体,分辨率高,可实现多点无人值守监测等优势,具有广泛的应用前景和价值。然而,关于热脉冲-TDR法测定土壤水通量的不确定性的研究鲜有报道。本文主要通过热脉冲-TDR法进行饱和土壤水通量测定的数值模拟算例和室内水通量柱体实验,利用基于贝叶斯理论的马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo MCMC)方法来研究量化热脉冲法测定土壤水通量过程中各种未知参数(加热强度、探针间距、导热率以及水通量等)的不确定性,对热脉冲-TDR法计算饱和土壤水通量的各种方法进行了对比分析,主要结论如下:(1)对热脉冲-TDR法校正试验数据进行分析表明,MCMC算法可以准确地识别实验过程中由于制作和操作等原因对加热强度以及探针间距造成的误差,并给出合理的不确定性范围,具有一定的参考意义。(2)数值模拟结果表明,贝叶斯分析方法能够给出的最大后验估计值与真实水通量值非常接近,后验置信区间也能覆盖真实水通量;而对于传统的热脉冲分析方法,包括最大无量纲法(maximum dimensionless temperature difference,MDTD)、比率法(Td/Tu)、上游或下游最高温度时间法,其中最大无量纲法和比率法只能给出一个最优估计值,且误差大于贝叶斯分析方法结果,而上游或下游最高温度时间法不能准确估计水流通量。(3)饱和柱体实验结果表明,由于优先流的存在,贝叶斯分析方法和传统热脉冲计算方法给出的水通量结果与实际测定的平均水通量都有不同程度的偏离。不同流速设定下,贝叶斯分析方法给出的最大后验估计值与平均水通量均有很好的线性相关性(决定系数在0.96以上)。但由于本研究使用到的贝叶斯分析方法较为简单,只考虑了观测误差,并未考虑系统性模型的误差。此外对于观测噪声,直接假定为高斯分布。因此与其他方法相比,贝叶斯分析方法在处理实际实验数据时并没有明显优于其他方法。(4)热脉冲数据的匹配验证表明,贝叶斯分析方法给出的不确定性区间基本能覆盖实测数据,而传统的热脉冲分析方法只能给出单一的温度数据匹配结果。贝叶斯分析方法可以有效地量化热脉冲信号的不确定性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S152.7
【部分图文】：

示意图,热脉冲,探针,加热丝

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