土壤水力特性參數(shù)取值是影響非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算精度的關(guān)鍵。采用數(shù)值模擬、理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比相結(jié)合的技術(shù)路線,綜合運(yùn)用土壤水動(dòng)力學(xué)、數(shù)值模擬與數(shù)值反演、多目標(biāo)優(yōu)化、代理模型和多種計(jì)算機(jī)語言綜合集成技術(shù),開展土壤二維負(fù)壓吸滲、積水入滲水分運(yùn)動(dòng)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(shí)刻的土壤含水率(θ_(final)),即ψ(θ_(final))最小作為目標(biāo)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(biāo)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(biāo)反演方法相比,所提方法能夠有效解決不同目標(biāo)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(qiáng)的穩(wěn)健性。(2)以所提“兩步法”為基礎(chǔ),分別對(duì)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(jìn)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(shí)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(dǎo)水率曲線,并與參考值繪制的曲線進(jìn)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(dǎo)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(cè)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(dǎo)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(qiáng)的穩(wěn)健性;對(duì)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(jìn)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(dǎo)水率曲線與參考值繪制的土壤水分特征曲線和導(dǎo)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(shí)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(duì)土壤水力特性參數(shù)進(jìn)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(cè)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)的穩(wěn)健性和實(shí)用性;分析了采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)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(diǎn)布置模式對(duì)反演結(jié)果有一定程度的影響,在考慮小的工作量同時(shí)保證估算精度的前提條件下,推薦土壤含水率取樣點(diǎn)可按照3×3模式(從入滲面中心點(diǎn)分別在垂向和徑向距離為0、5、10cm處取樣)進(jìn)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(cè)定代表土樣的土壤水分特征曲線和導(dǎo)水率曲線,對(duì)所建代理模型反演土壤水力特性參數(shù)的一致性進(jìn)行比較和驗(yàn)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(dǎo)水率曲線與實(shí)測(cè)曲線間具有高的一致性,進(jìn)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(yàn)和部分室內(nèi)試驗(yàn)的對(duì)比,表明方法具有較為快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)。由于時(shí)間和條件的限制,對(duì)于實(shí)際土壤的對(duì)比試驗(yàn)論文所開展的工作相對(duì)較少,故還需對(duì)這一方面的工作進(jìn)行深入分析。同時(shí),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(fù)雜,還需進(jìn)一步研究。同時(shí)對(duì)目前先進(jìn)的多目標(biāo)優(yōu)化算法、自適應(yīng)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(jìn)一步深入研究。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(yīng)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(xué)表 01 1 1...m m mi i ij i ji i jx x x x 第 i 個(gè)分量， ， ， 是未知數(shù)，將多項(xiàng)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(dǎo)性，能較好地去除數(shù)的大小，可以判斷各項(xiàng)參數(shù)對(duì)整個(gè)維問題時(shí)，多項(xiàng)式響應(yīng)面的擬合預(yù)測(cè)效出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。這些問題是由多項(xiàng)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(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的均方根誤差(RMSE)與標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)的比值作為目標(biāo)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(shí)間 ti條件下 Q、v 或 θ 的觀測(cè)值；Y 為參數(shù)向量 β 條件下模型的預(yù)測(cè)

(d) (e) (f)目標(biāo)函數(shù)為 ψ(θfinal)時(shí)，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(shí)心點(diǎn)代表真實(shí)參數(shù)點(diǎn)）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(hào)：2871754