隨著社會的發(fā)展,農業(yè)面源污染對環(huán)境產生的影響越來越嚴重,而農業(yè)面源污染主要是由化肥的過量使用和流失引起的,其中降雨對土壤的侵蝕作用可以使土壤中大量的化學物質遷移到地表徑流中,并隨徑流匯入河流、湖泊,進而污染其它水體,因此對土壤溶質的地表徑流流失過程的研究對于解決農業(yè)面源污染問題具有重要意義。很多學者對土壤溶質的地表徑流流失過程進行建模研究,混合層理論和擴散理論發(fā)展為兩種主要的理論。Gao等(2004)建立了基于土壤侵蝕機理的土壤溶質地表流失模型,該模型將雨滴驅動的溶質運移過程與土壤層的擴散作用結合,是一種基于對流擴散方程(ADE)的數(shù)值模型。此項研究就是基于Gao等(2004)所提出的土壤溶質的地表徑流流失模型展開的。集合卡爾曼濾波方法(EnKF)是一種順序數(shù)據(jù)同化方法,易于與現(xiàn)有模型相結合,在水文學領域應用廣泛。在本論文中,將EnKF方法與基于對流擴散方程的土壤溶質地表徑流流失模型相結合,組成EnKF-土壤溶質地表徑流流失模型系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)來更新模型狀態(tài)變量,并校準模型參數(shù)。這是首次將EnKF方法應用到基于對流擴散方程的土壤溶質地表徑流流失模型中,文中分別考慮了Gao等(2004)提出的靜態(tài)水遷移率模型和夏傳安和童菊秀(2016)提出的動態(tài)水遷移率模型下的數(shù)據(jù)同化結果并進行分析,表明動態(tài)水遷移率下更新的溶質濃度與實驗觀測值擬合更好。為了進一步研究模型參數(shù)反演情況,通過靜態(tài)水遷移率的理想模型生成觀測值,通過數(shù)據(jù)同化對結果進行分析并研究影響EnKF方法的6個潛在因素得到以下結論:(1)基于對計算成本和模型預測精度的考慮,300的集合大小最適合此次研究;(2)在較大范圍的初始參數(shù)估計誤差范圍內,EnKF對于反演參數(shù)和提高模型預測精度都是有效的;(3)關鍵時刻增加觀測值能夠大大降低觀測成本并保持足夠的預測精度;(4)EnKF可以適用于不同的滲透邊界條件;(5)EnKF適用于多參數(shù)的反演;(6)當觀測誤差和生成初始集合參數(shù)誤差在標準情況下同時增加或減少相同倍數(shù)時,EnKF方法可以有效提高模型預測精度和更新模型參數(shù)。EnKF應用于土壤溶質地表徑流流失模型中仍然存在一些不足之處,比如在反演多參數(shù)時會出現(xiàn)濾波發(fā)散的問題。
【學位單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：X52;S157
【部分圖文】：

15由于雨滴的驅動作用會造成交換層溶質濃度的變化，因此交換層會與下層土壤之間發(fā)生溶質的擴散作用。此模型中，認為交換層的厚度是恒定的，且交換層的不同深度濃度也是相等的。Gao等（2004）在雨滴侵蝕導致的土壤侵蝕率e的基礎上定義了水遷移率Er的概念，e=αp，e表示雨滴侵蝕導致的土壤侵蝕率，α表示土壤分離系數(shù)[ML-3]（Rose等,1985,1988,1994;Sharma等,1993,1995;Jayawardena和Bhuiyan,1999;Gao等,2003）。由雨滴驅動的水遷移率為：rsbαpE=θρ(2.1)其中bρ表示土壤干容重，[ML-3]；θs表示土壤飽和體積含水率，[-]。圖2-1Gao等（2004）的土壤溶質地表徑流流失概念模型。2.2數(shù)值模型和定解條件2.2.1水流模型和定解條件對于Richards方程來的求解（imnek等，2013），可用下式表示：cosz[0,]hKSltzzθ=∈(2.2)

EnKF-土壤溶質地表徑流流失模型系統(tǒng)控制流程

35圖4-1Gao等（2004）模擬值和觀測值對比雖然根據(jù)圖4-1可以看出模擬結果與實驗結果擬合的良好，但是可以明顯觀測出存在偏差，在前期，觀測值大于模擬值，模擬的中期，觀測值小于模擬值�；谶@個問題，夏傳安和童菊秀（2016）對該模型中水遷移率這個參數(shù)進行了改進。夏傳安和童菊秀（2016）考慮到隨著雨滴侵蝕作用，交換層中形成的“盾層”效應，會抑制土壤的侵蝕過程，將水遷移率改為隨時間指數(shù)減小的動態(tài)水遷移率，與實驗數(shù)據(jù)擬合的更好。下式便是改進的動態(tài)水遷移率:0=expsrtrbbeapapEtedθρρ+其中，rtE表示修正后的動態(tài)水遷移率，[LT-1];r0e表示殘余水遷移率，[LT-1]，該參數(shù)表示“盾層”的保護機制形成后，徑流層和交換層之間的水量交換。圖4-2是動態(tài)水遷移率下的土壤溶質地表徑流流失模型模擬值與觀測值的對比。通過圖4-2可以看出，與觀測值相比，夏傳安和童菊秀（2016）的模型預測值較Gao等（2004）的預測值更接近觀測值，可見夏傳安和童菊秀（2016）的水遷移率隨時間變化是更合理的。
【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 王輝;平李娜;沈紫燕;龔恩磊;;雨滴動能對紅壤地表溶質遷移特性影響試驗[J];農業(yè)機械學報;2014年12期

2 王全九,邵明安,李占斌,雷廷武,呂殿青;黃土區(qū)農田溶質徑流過程模擬方法分析[J];水土保持研究;1999年02期

3 王全九,王文焰,沈冰,邵明安;降雨 - 地表徑流 - 土壤溶質相互作用深度[J];土壤侵蝕與水土保持學報;1998年02期

相關碩士學位論文 前1條

1 胡丹;基于集合卡爾曼濾波的區(qū)域飽和—非飽和水流模擬[D];武漢大學;2018年

本文編號：2866230