發(fā)布時間：2020-05-14 10:02

【摘要】：有關(guān)土壤水運動的研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中具有重要的意義。非飽和帶是十分重要的研究區(qū)域,包括降雨入滲、溶質(zhì)(包括污染物和養(yǎng)分)遷移、植物生長等很多重要的過程都發(fā)生在這個區(qū)域中。目前涉及非飽和帶中水分運動的研究越來越多,非飽和土壤水分運動模型的應(yīng)用也越來越廣泛,而非飽和土壤水力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取是利用模型進(jìn)行可靠預(yù)測的前提。通常地,采集的土樣在室內(nèi)進(jìn)行測定,通過曲線擬合的方法得到所需的非飽和土壤水力參數(shù)。該方法不僅費時費力,從土樣中獲取的參數(shù)也未必能很好地匹配實際場地的真實參數(shù)。隨著傳感測量和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,近來的研究熱點是在場地原位獲取測量值,通過耦合非飽和水分?jǐn)?shù)值模型進(jìn)行參數(shù)反演,得到非飽和水力參數(shù),從而對水分運動進(jìn)行更精準(zhǔn)的預(yù)測。目前廣泛應(yīng)用的參數(shù)反演研究大多基于優(yōu)化方法,只能獲取一組最優(yōu)參數(shù),不能量化其中的不確定性。近來受到關(guān)注的貝葉斯參數(shù)估計方法將所有的未知參數(shù)假設(shè)為隨機(jī)變量,并用概率密度分布函數(shù)一一描述。通過馬爾科夫鏈蒙特卡羅(Markov Chain Monte Carlo MCMC)方法,可以對后驗分布(即條件分布)進(jìn)行采樣,可對未知參數(shù)有效進(jìn)行反演�；跇颖镜玫降暮篁灧植夹畔⒖梢詼�(zhǔn)確量化不確定性。最近涌現(xiàn)出的一種高效的MCMC算法——DREAM(zs),已在各個領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用。本文主要研究了異質(zhì)條件下非飽和水力參數(shù)的反演問題,通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗,研究DREAM(zs)方法在反演水力參數(shù)中的性能,并與廣泛使用的優(yōu)化反演法進(jìn)行比較,研究內(nèi)容包括：(1)利用傳統(tǒng)的研究手段,即室內(nèi)環(huán)刀透水實驗測定飽和導(dǎo)水率,壓力膜儀測定非飽和水力參數(shù),為Levenberg-Marquardt(LM)非線性優(yōu)化算法初始值的選取和MCMC算法先驗信息的獲得提供參考；(2)進(jìn)行數(shù)值模擬算例研究,比較MCMC算法與LM非線性優(yōu)化算法在非飽和水力學(xué)參數(shù)反演方面的差異,以及各自的適用性；(3)設(shè)計分層異質(zhì)的沙柱和土柱的實驗,以數(shù)值算例的結(jié)果為依據(jù),提出一種設(shè)定貝葉斯參數(shù)估計中先驗分布選取的方法,即利用LM優(yōu)化方法的反演結(jié)果為依據(jù)設(shè)定先驗分布,最終利用實驗數(shù)據(jù)擬合情況對方法的有效性進(jìn)行驗證。本研究的基本結(jié)論如下：(1)對于本文研究的多層異質(zhì)下非飽和水流的反演問題,LM優(yōu)化方法和MCMC方法都能給出一定程度上較為合理的結(jié)果,利用反演參數(shù)可以進(jìn)行更精準(zhǔn)的預(yù)測,反演基本達(dá)到預(yù)期目的；(2)LM優(yōu)化方法使用廣泛,所需調(diào)用求解器的次數(shù)較少,因此求解速度較快。但是,該方法受參數(shù)初始值影響較大,預(yù)測結(jié)果與觀測值存在一定的偏差,同時由于只能給出一個單一的反演結(jié)果,因此使用者無法了解反演結(jié)果的不確定性,給基于反演結(jié)果的預(yù)測帶來一定的風(fēng)險；(3)與基于優(yōu)化的反演方法相比,MCMC反演方法不僅能夠更好地得出參數(shù)的單一估計值(例如最后后驗估計值),同時預(yù)測結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)也具有更好的一致性；更重要的是該方法可以給出未知參數(shù)的后驗分布,從而準(zhǔn)確量化非飽和水力參數(shù)的不確定性,避免了基于單一參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行預(yù)測的風(fēng)險。但是相對于LM優(yōu)化方法,MCMC計算量大大增加。考慮到計算的廉價性,建議在進(jìn)行非飽和水力參數(shù)反演時,使用MCMC方法。
【圖文】：

浙江大學(xué)碩±學(xué)位論文邐３材料與方法逡逑表３－３不同粒徑沙子的泡和導(dǎo)水率逡逑Ｔａｂｌｅ邋３－３邋Ｓａｔｕｒａｔｅｄ邋ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ邋ｏｆ邋ｓａｎｄｓ邋ｗｉ出邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅｓ逡逑粒徑邐＜邋０．２邋５ｍｍ邐０．２５—０．３５邋ｍｍ邐０．巧一０．５邋ｍｍ逡逑飽和導(dǎo)水率邋Ｋｓ邋（ｃｍｍｉｎ－ｉ）邐１．７５邐８／７５邐１４．９５逡逑飽和含水量０，邐０．３７２８邐０．３８４８邐０．巧２２逡逑３Ａ１．２水分特征曲線逡逑

用ＭＣＭＣ反演沙柱各層的水力學(xué)參數(shù)，獲得各層沙體水力學(xué)參數(shù)采樣鏈的逡逑收斂性如圖４－１所示。橫軸表示系統(tǒng)的迭代次數(shù)，，即鏈條長度，共５００００次，縱逡逑軸表示采樣鏈?zhǔn)諗吭\斷值，而虛線為臨界闊限，通常采用經(jīng)驗值，大小為１．２。逡逑在參數(shù)反演的過程中，當(dāng)收斂診斷值小于１．２時，則表示收斂。圖中可１＾＞１看出，逡逑在純數(shù)值模巧的過程中，所需反演的１５個參數(shù)，在系統(tǒng)迭代２５０００次之后基本逡逑上達(dá)到收斂，因此可認(rèn)為模擬的結(jié)果均比較可靠。逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S152.7

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本文編號：2663185