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基于数据同化的土壤水力参数反演方法:研究进展与展望

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土壤学报 2023年第6期60卷 1543-1554页

作者：满俊张江江郑强尧一骏曾令藻中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所) 南京210008 长江保护与绿色发展研究院(河海大学) 南京210024 数学与理论部(鹏城实验室) 深圳518055 浙江省农业资源与环境重点实验室(浙江大学) 杭州310058

土壤水力参数及其非均质性刻画关乎到诸多土壤与地下水等领域的量化模拟研究问题。受限于时间和采样成本,传统的直接测定方法并不能很好地解决这个问题。随着物联网技术的发展,与土壤水运动有关的一些状态表征量(如含水量和水头)已经能... 详细信息

土壤水力参数及其非均质性刻画关乎到诸多土壤与地下水等领域的量化模拟研究问题。受限于时间和采样成本,传统的直接测定方法并不能很好地解决这个问题。随着物联网技术的发展,与土壤水运动有关的一些状态表征量(如含水量和水头)已经能够通过传感器实时获得。如何充分融合这些观测数据信息,反演出土壤水力参数是当前的一个研究热点。数据同化方法能够通过融合观测数据与模型预测值信息,实现对模型参数的反演估计。本文系统分析了土壤水力参数不确定性的来源及测定方法,阐述了常用数据同化方法的基础理论及其在土壤水力参数反演方面的应用,并从计算效率和反演精度两方面着重论述了数据同化方法的最新前沿进展,最后探讨了数据同化方法未来的发展方向。研究表明:数据同化方法能够突破传统测定方法的限制,用于土壤水力参数及其非均质性刻画。尽管如此,由于土壤非饱和流模型的强非线性以及原位观测数据的相对稀缺性等问题的存在,当前数据同化方法的计算效率和反演精度还有待进一步提升。未来可从发展监督式降维方法、多源多尺度数据融合以及耦合物理机制的机器学习等方面深化土壤水力参数反演方法研究,这有利于农业土水管理、污染防治和修复等工作的合理开展。

关键词：数值模拟土壤水力参数参数反演数据同化优化试验设计机器学习

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土壤水力参数不确定性影响下的渗流-边坡稳定分析

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土壤水力参数不确定性影响下的渗流-边坡稳定分析

作者：陈思婕南京信息工程大学

学位级别：硕士

降雨入渗可增大潜在滑动面上的土壤含水量和自重应力,降低基质吸力和抗剪强度,最终诱发滑坡灾害。滑坡预警系统中,边坡稳定性分析依赖于土壤水动力模拟以获取土壤含水量和孔隙水压力分布,然而其准确程度受到模型结构、土壤水力参数设定... 详细信息

降雨入渗可增大潜在滑动面上的土壤含水量和自重应力,降低基质吸力和抗剪强度,最终诱发滑坡灾害。滑坡预警系统中,边坡稳定性分析依赖于土壤水动力模拟以获取土壤含水量和孔隙水压力分布,然而其准确程度受到模型结构、土壤水力参数设定、初始条件和边界条件不确定性的影响。本文以四川省都江堰市白沙河流域银洞子沟滑坡堆积体为研究区,基于野外监测系统获取的降雨及土壤含水量数据,探究土壤水力参数不确定性影响下的渗流-边坡稳定分析。结合GLUE方法,采用Mualem-van Genuchten模型刻画土壤水力特性,分别用两种方法随机生成五个土壤水力参数:(1)直接随机生成五参数(GLUE-random);(2)随机生成土壤粒径组成后通过Rosetta土壤传递函数生成五参数(GLUE-Rosetta)。分别以设定9种典型土壤和野外真实土壤为例,探究土壤水力参数不确定性对土壤水动力模拟及渗流-边坡稳定分析的影响。最后,采用PBS数据同化方法与两种参数生成方法相结合,通过实时更新土壤水力参数及土壤含水量,探究水动力模拟不确定性对孔隙水压力和边坡稳定性的影响。主要结论如下:(1)以9种典型土壤的土壤水力参数和其对应的土壤含水量时间序列作为真值,利用本文提出的GLUE-random和GLUE-Rosetta方法所筛选获得的土壤水力参数都呈现“异参同效”现象。然而,GLUE-Rosetta相较于GLUE-random,其土壤水力参数的后验分布范围更窄,证实了GLUE-Rosetta在减小土壤水力参数不确定性方面的有效性。GLUE-Rosetta模拟的土壤含水量准确度仍高于GLUE-random,表明GLUE-Rosetta在减小土壤水力参数以及土壤水动力模拟的不确定性方面具有显著优势。(2)将GLUE-random和GLUE-Rosetta方法应用于四川省都江堰市银洞子沟滑坡堆积体,以土壤含水量的实测数据为真值,通过纳什效率系数筛选土壤水力参数,获取土壤水动力模拟的后验分布。结果表明,GLUE-Rosetta能更显著减小土壤水力参数的不确定性,且模拟的土壤含水量与实测值相比具有更高的精度。GLUE-Rosetta相较于GLUE-random在减小土壤孔隙水压力模拟不确定性方面具有明显优势,其与无限边坡稳定分析方法的结合可获得不确定性更小、更为可靠的边坡稳定性模拟结果。(3)采用PBS数据同化方法对随机生成和结合Rosetta土壤传递函数生成的土壤水力参数初值通过时间窗口的更新,获取针对时间窗口实时更新的土壤水力参数的后验分布及模拟结果。结果表明,PBS可减小两种参数采样方法下的土壤水力参数的不确定性,进而减小土壤水动力模拟以及边坡稳定分析的不确定性。

关键词：土壤水力参数 “异参同效”现象 GLUE方法土壤传递函数数据同化

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土壤水力参数的单一参数模型

水利学报 2006年第3期37卷 272-277页

作者：贾宏伟康绍忠张富仓西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室

以甘肃省河西走廊石羊河流域为例,在78个土壤样品试验数据的基础上,建立了土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率和土壤导水率的单一参数模型,并对模型中的参数特征进行了分析。研究表明,单一参数模型具有一定的拟合精度,模型中的唯一参数... 详细信息

以甘肃省河西走廊石羊河流域为例,在78个土壤样品试验数据的基础上,建立了土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率和土壤导水率的单一参数模型,并对模型中的参数特征进行了分析。研究表明,单一参数模型具有一定的拟合精度,模型中的唯一参数能够描述土壤水力参数曲线,可以作为描述这些参数空间变异的变异系数,是进行大尺度区域土壤水力参数空间变异研究中比较理想的模型。

关键词：土壤水力参数单一参数模型空间变异

多尺度数据整合方法在土壤水力参数定量化中的应用和发展

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水利学报 2013年第1期44卷 35-41页

作者：李娜任理中国地质大学水资源与环境学院北京100083 中国农业大学资源与环境学院北京100193

多尺度数据整合方法以贝叶斯(Bayesian)层次模型为框架,融合了尺度提升的思想并能够有效地结合马尔科夫链蒙特卡洛抽样算法,它在将所有相关信息进行整合的同时考虑到先验信息的贡献,为不同来源、不同尺度间动态和(或)静态数据的整合提... 详细信息

多尺度数据整合方法以贝叶斯(Bayesian)层次模型为框架,融合了尺度提升的思想并能够有效地结合马尔科夫链蒙特卡洛抽样算法,它在将所有相关信息进行整合的同时考虑到先验信息的贡献,为不同来源、不同尺度间动态和(或)静态数据的整合提供了有效的模拟框架。本文基于土壤饱和与非饱和水力特性参数空间定量化研究的重要意义,综述了多尺度数据整合方法的发展及其在该研究中的应用现状,展望了它在进一步整合不同尺度的静态和(或)动态数据从而进行土壤水力参数空间定量化中的应用前景,并分析了延拓应用中所面临的理论和技术突破点,为结合专业知识、运用多尺度数据整合方法探究土壤水文学中的关键科学问题提供了理论分析和技术支撑的参考依据。

关键词：土壤水力参数多尺度数据整合贝叶斯层次模型尺度提升马尔科夫链蒙特卡洛方法

一种由土壤剖面含水率估算土壤水力参数的方法

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水利学报 2011年第8期42卷 883-891页

作者：查元源周发超杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

根据瞬时剖面法的基本思想,提出一种利用剖面土壤含水率数据推求土壤水力参数的方法。可依据不同时间和深度的土壤含水率数据,得到土壤剖面不同深度处的土壤水分通量;根据van Genuchten模型描述的土壤负压及非饱和水力传导度与土壤含水... 详细信息

根据瞬时剖面法的基本思想,提出一种利用剖面土壤含水率数据推求土壤水力参数的方法。可依据不同时间和深度的土壤含水率数据,得到土壤剖面不同深度处的土壤水分通量;根据van Genuchten模型描述的土壤负压及非饱和水力传导度与土壤含水率的关系,建立水分通量和土壤水分参数间的关系,并采用非线性最小二乘法估计最优土壤水力参数。文中应用软件HYDRUS-1D模拟12种土壤所得数据和田间尺度试验数据验证了方法的实用性。结果表明,该方法预测精度较高,可以方便地应用于均质土壤水力参数的估算。

关键词：土壤水力参数土壤含水率瞬时剖面法 HYDRUS-1D

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

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水利学报 2012年第7期43卷 808-815页

作者：徐旭屈忠义黄冠华中国-以色列国际农业研究培训中心北京100083 中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院内蒙古呼和浩特010018

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数是保证农田土壤水盐动态模拟正确性的重要前提。本文开展了基于遗传算法(Genetic Algorithms,GA)与农田水文模型SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化... 详细信息

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数是保证农田土壤水盐动态模拟正确性的重要前提。本文开展了基于遗传算法(Genetic Algorithms,GA)与农田水文模型SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。在已有GA基础上引入了子体优生策略,并以完全嵌入方式耦合GA与SWAP模型。采用河套灌区曙光实验站的土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cmli)、表土含水率(θsur)、实际腾发量(ETa)等观测资料,开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明:(1)采用土壤分层信息(θi和cmli)作为观测数据,GA参数优化效果很好;(2)仅采用ETa作观测数据时,参数优化效果相对欠佳,需慎重使用,而结合ETa与θsur后可提高优化精度;(3)引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上,结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。

关键词：土壤水力参数溶质运移参数 SWAP模型遗传算法参数反求

基于GPS与GE的土壤水力参数空间变异采样间距确定

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农业机械学报 2014年第3期45卷 97-100,106页

作者：王卫华王全九昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500 西安理工大学水利水电学院西安710048 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

为在土壤分析研究时，制定工作量少、试验设计经济合理，同时采样点具备代表性的野外采样方案，采用GPS与GoogleEarth相结合的方法，在陕西省泾惠渠灌区研究了土壤水力参数区域尺度的空间变异性，结果表明：土壤饱和含水率与饱和导水率... 详细信息

为在土壤分析研究时，制定工作量少、试验设计经济合理，同时采样点具备代表性的野外采样方案，采用GPS与GoogleEarth相结合的方法，在陕西省泾惠渠灌区研究了土壤水力参数区域尺度的空间变异性，结果表明：土壤饱和含水率与饱和导水率在该区域尺度下属于中等变异，且两者均具有较强的空间依赖性；饱和含水率的最佳拟合模型为球形模型，土壤饱和导水率的最佳拟合模型为指数型；推荐两者的采样间距分别为2．38km和7．14km。

关键词：土壤水力参数空间变异采样间距流域尺度 GPS 谷歌地球

基于混合遗传算法和积水入渗实验反求土壤水力参数

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应用基础与工程科学学报 2010年第6期18卷 1017-1026页

作者：郭向红孙西欢马娟娟李冰戴宏胜太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

土壤水力参数是土壤水分运动和溶质迁移模拟计算的基本参数,因此快速、省时、精确的确定土壤水力参数有重要意义.本文建立了积水入渗条件下土壤水力参数优化模型,采用遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求... 详细信息

土壤水力参数是土壤水分运动和溶质迁移模拟计算的基本参数,因此快速、省时、精确的确定土壤水力参数有重要意义.本文建立了积水入渗条件下土壤水力参数优化模型,采用遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值实验和土柱实验验证.数值实验结果表明采用混合遗传算法求解积水入渗条件下的土壤水力参数具有较高的精度,参数优化精度与待优化参数的个数和积水入渗实验测定项目有关,当待求参数为rθ,,αn3个时,积水入渗实验中只需测定含水率和累积入渗量二者或二者中的任意一个均可求出参数值;当待求参数为rθ,sθ,,αn4个和rθ,sθ,,αn,Ks5个时,积水入渗实验需要测定含水率或同时测定含水率和累积入渗量方可求出待求参数,而仅测定累积入渗量不能精确求出rθ、sθ的值.应用上述分析结果,进行了土柱积水入渗实验,结果表明该模型可以精确求解土壤水力参数.因此,本文建立的土壤水力参数优化模型是正确的,求解方法是合理的,这可为高效求解土壤水力参数提供一个有效途径.

关键词：土壤水力参数混合遗传算法参数反演 Levenberg-Marquardt算法积水入渗实验

单环入渗试验与数值反演法结合推求土壤水力参数

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水文地质工程地质 2010年第1期37卷 118-123页

作者：程勤波陈喜凌敏华魏玲娜河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098

单环入渗试验广泛应用于野外测定土壤水力参数。文章在三维非饱和带水分模拟程序VSF基础上,加入了单环入渗水流计算模块,并将改进的VSF与参数优化程序LEVMAR相耦合,构建了适用于单环入渗试验的土壤水力特征参数反演程序VSF-LEVMAR。利... 详细信息

单环入渗试验广泛应用于野外测定土壤水力参数。文章在三维非饱和带水分模拟程序VSF基础上,加入了单环入渗水流计算模块,并将改进的VSF与参数优化程序LEVMAR相耦合,构建了适用于单环入渗试验的土壤水力特征参数反演程序VSF-LEVMAR。利用大型室内土槽单环定水头入渗及变水头入渗试验资料,反求水平及垂向饱和入渗系数等土壤水力参数。应用结果表明:该方法既可以利用单环定水头入渗试验单独推求吸湿过程中的土壤水力参数,也可以结合单环定水头入渗与变水头入渗试验同时推求吸湿及脱湿过程中的土壤水力参数。

关键词：土壤水数值模型单环入渗仪土壤水力参数滞后效应