二维吸渗与入渗条件下土壤水力特性参数反演方法研究

二维吸渗与入渗条件下土壤水力特性参数反演方法研究

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。