用遗传算法优化估计Van Genuchten方程参数

描述土壤水分特征曲线的Van Genuchten方程是一个非线性复杂方程,采用传统的方法对方程参数进行估计往往因为计算复杂和人为因素的影响,而使估计结果带有较大的误差。遗传算法是当前处理一般非线性数学模型优化的一种新的优秀方法。为此,采用实数编码多子种群遗传算法对方程的参数进行优化估计。算例结果表明用遗传算法优化估计Van Genuchten方程参数具有求解速度快、计算精度和自动化程度高、人为干扰因素小、通用性强等优点。因此,遗传算法可作为计算Van Genuchten方程参数的一种新方法。     

利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线

利用Van Genuchten模型对用砂性漏斗测量中砂的吸湿过程和脱湿过程土壤水分特征曲线进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,并得出Van Genuchten模型中的残余含水量、特性参数α和n,模拟计算表明,中砂有αw=1.69αd的关系,为研究水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供土壤水分运动键参数.     

参数m的形式和最大基质吸力点对Van Genuchten方程各参数的影响

Van Genuchten模型经常用于拟合土-水特征曲线,但拟合参数m、n之间的不同关系以及是否加入最大基质吸力点(10~6 kPa,0)会对Van Genuchten模型的拟合参数造成极大的不确定性。为此,考虑m 3种取值(m不受限制、m=1-1/n、m=1-2/n)以及数据中是否含有最大基质吸力点(10~6 kPa,0),探讨各工况3个拟合参数a、m、n之间的关系,同时选用各工况的拟合参数,求解基质吸力为10~6 kPa时的饱和度,分析各工况下该点处饱和度的相互联系。结果表明:当m受到限制时,加入最大基质吸力点减小了各拟合参数的离散程度和区间范围;而m未受限制时,加入最大基质吸力点减小了a的离散程度和区间范围,但增大了m、n的离散程度和区间范围。在各约束条件下拟合参数a与未受约束时的a呈线性关系;而对于n则不存在这类关系;对于在不同工况下最大基质吸力点处的饱和度,其值与m未受约束时最大基质吸力点处的饱和度呈线性关系。     

校正系数对不同形式的Van Genuchten方程各拟合参数的影响

Van Genuchten模型应用十分广泛,但是参数m的不同形式以及是否加入校正系数会对Van Genuchten模型的拟合参数造成极大的影响。基于此,考虑m 3种取值(m不受限制、m=1–1/n、m=1–2/n)以及Van Genuchten模型中是否含有校正系数C_ψ,采用Matlab拟合67组砂土土-水特征曲线数据,分别研究残余基质吸力ψ_r、C_ψ对3个拟合参数a、m、n的影响。结果表明:m不受限制时,随着ψ_r增大,参数a、n减小,参数m增大;m受到限制时,随着ψ_r增大,参数a减小,参数n增大;m不受限制时,加入校正系数增大了拟合参数a、n的离散程度,但是减小了m的离散程度;m受到限制时,加入校正系数增大了拟合参数a的离散程度,但是减小了n的离散程度;几乎所有工况下的参数a都与无任何限制条件下的参数a呈线性关系;对于参数n,几乎不存在这类线性关系。     

非饱和土壤特性参数获取方法

土壤水分特征曲线和非饱和导水率是研究包气带中水分贮存和运动的基本内容，也是确定放射性核素在饱气带中迁移规律的重要参数，本文介绍了在ＣＩＲＰ某野外试验场从地表到潜水位２８ｍ范围内４６个土样的土壤水分特征曲线的测量方法和其它土壤特性参数获取方法。     

基于混合遗传算法估计van Genuchten方程参数

van Genuchten(VG)方程是最常用的土壤水分特征曲线方程,其参数取值的精度直接影响到土壤水分运动方程计算的精度.该文建立了VG方程参数的优化模型,构建遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值试验.结果表明采用混合遗传算法比普通遗传算法不但提高了收敛效率,而且收敛迭代次数也大大减少;采用混合遗传算法估计参数的精度比非线性单纯形法和阻尼最小二乘法要高一些,而且不需要给参数初值.因此,混合遗传算法可以作为估计VG方程参数的一种新方法.     

MK模型的拟合方程和预测方程在土-水特征曲线中的应用及参数敏感性分析

土-水特征曲线可以预测非饱和土的各种性质（如：非饱和渗透系数、剪应力和热学性能等）。但测量土-水特征曲线耗时久且花费昂贵。为了解决这一问题,目前,很多研究都致力于从基本的岩土工程性质预测土-水特征曲线。基于此,以MK（Modified Kovács）模型的2种形式（拟合方程和预测方程）为土-水特征曲线模型,以Matlab编程语言中的cftool为拟合工具,以西宁黄土、粉砂土、红黏土和冰碛土4种细粒土为研究对象,对比拟合方程和预测方程描述细粒土土-水特征曲线的效果和差异,分析MK模型中黏附饱和度 1解 的变化规律,提出了基于MK模型的饱和度进行参数敏感性分析的计算公式。结果表明：拟合曲线和预测曲线在描述4类典型细粒土土-水特征曲线时均具有较好的效果,但拟合曲线整体上优于预测曲线;土壤质地和黏粒含量影响 值;饱和度对拟合参数 的敏感性较大,对拟合参数 的敏感性较小。     

Van Genuchten模型参数对降水入渗数值模拟的敏感性

详细分析不同评价指标下的van Genuchten方程参数敏感性,对于深入认识参数物理意义、合理确定参数值、提高降水入渗数值模拟准确性具有重要意义.用HYDRUS软件建立一维变饱和水分运移模型,以实际补给量、补给过程曲线和极限蒸发深度作为评价指标,采用单因素扰动分析法对van Genuchten方程各参数敏感性进行理论分析,进而选取多组参数实例,分析同一岩性类别下,不同土样土壤水力参数差异及其对入渗补给模拟结果的影响.结果表明:形状系数 (n)、土壤进气值的倒数 (α) 与极限蒸发深度呈负相关关系,是影响极限蒸发深度的显著因素;饱和含水率 (θ_s)、n、饱和渗透系数 (K_s) 对于入渗补给影响的敏感性较高,三者在实际土样粒径分布、干密度和孔隙性的共同影响下发生同向变动.合理的参数敏感性分析及数值模拟调参过程需结合土壤参数的物理意义来开展.      

喀斯特白云岩地区不同土体构型土壤剖面持水导水性能研究

喀斯特区整体土层浅薄且分布不连续,土层和基岩构成了不同的土体构型剖面,而这些剖面的持水导水性能之间是否存在差异,目前尚缺乏清楚的认识。本文通过BEST单环入渗方法研究了喀斯特白云岩区三种土体构型土壤剖面（深厚土层剖面（DS）、浅薄土层剖面（SS）以及土石混合剖面（SR））的持水性能和导水性能。试验结果表明,不同土壤剖面的持水性能、导水性能主要受不同层次土壤颗粒组成特征及剖面构型影响。三种剖面表层土壤都具有较高的导水能力,以SR表层饱和导水率（Ks）最高,可达244.1 mm?h-1,而SS表层Ks为56.8 mm?h-1。DS除表层和风化层外,土壤黏重,导水能力较弱,但是体现出较高的持水能力;SS整体导水能力较弱,持水能力较好;SR土壤疏松,整体持水、导水能力均较好,土石层导水能力相对最差而持水能力最好。就土壤有效水含量而言,SR最高,DS和SS由于土壤较黏重,有效水含量相对较低。该研究结果可为喀斯特地区植被恢复位点的选择提供科学指导和理论依据。     

van Genuchten模型参数的物理意义

van Genuchten模型是目前拟合水土特征曲线应用最广泛的数学模型,但该模型参数多,且物理意义复杂,特别是参数α的物理意义至今尚未有统一的认识。文章通过理论推导,结合4种样品（粗砂、中砂、细砂和粉砂）实测的水土特征曲线,对van Genuchten模型的参数α、m和n的物理意义进行了探讨,重点研究了α与进气值和拐点处负压（hi）的关系。推导出的van Genuchten模型的1/α与hi的关系和实测数据均证明了1/α不仅与hi有关,还受参数m和n的影响。粗砂和中砂的1/α与hi大致相等,细砂和粉砂的1/α则大于hi。粗砂的进气值与1/α近似相等,其它介质中1/α与进气值之间存在更复杂的关系。另外,m和n作为独立变量在拟合水土特征曲线时精度更高,但在计算非饱和渗透系数时给定m=1-1/n的约束条件是必要的。     

基于Matlab方法确定VG模型参数

根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ实验数据,采用van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),VG模型中的参数利用Matlab非线性拟合函数来确定,通过对四参数模型和三参数模型的比较表明,四参数模型拟合的参数与三参数模型中的参数非常接近,但四参数模型能够更好地拟合实测数据,误差比三参数模型相对较小.且计算值与实测值的残差平方和范数小于0.07%,拟合较好.     

运用电测深方法研究水文地质参数

本文根据淮北宿南矿区的电测深及水文地质资料,利用含水层的横向电阻(经地下水电阻率影响因素校正)与含水层导水系数的相关关系?)计算出含水层各测点的水文地质参数,并且绘制出矿区水文地质参数等值线图,提高水文电法勘探的地质效果。     

充填结构包气带水分运动参数试验研究

煤炭开采引起大面积沉陷,利用粉煤灰或煤矸石作为充填介质,并覆盖一定厚度土壤的方法进行土地复垦是一种重要的充填模式。以粘质土壤、粉煤灰、煤矸石为研究对象,采用室内试验方法分别测定其物质的水分特征曲线、非饱和导水率曲线、容水度、水分扩散度等充填结构包气带的水分运动参数,为研究土壤-粉煤灰、土壤-煤矸石充填结构包气带水分运动规律提供参考依据。     

北京市永定河冲洪积扇砂砾层非饱和水力学参数估算

文章通过测定北京市永定河冲洪积扇砂砾层水分特征曲线,采用VG模型估算砂砾层的非饱和导水系数、比水容量和扩散率等水力学参数,建立了基质势(吸力)和各参数之间的关系。实测含水量和计算含水量的比较验证结果表明,所建立的计算公式可以用来估算永定河冲洪积扇砂砾层的非饱和水力学参数。这些参数是北京市地下水运动和污染物质运移模拟的基础数据。     

利用自记水位仪记录的连续曲线求水文地质参数

水文地质参数是进行地下水资源评价和开发利用的科学依据。给水度（μ）和降水入渗补给系数（α）是重要的水文地质参数。自记水位仪记录的是地下水位的连续变化,它在时空获得的信息量远超过目前测水钟的观测方法。本文利用自记水位仪记录的连续曲线,求得给水度（μ）和降水入渗补给系数（α）。     

Lingo在优化水文地质参数估值中的应用

基于Thies公式和最小二乘原理,采用Lingo软件对非稳定流抽水试验资料进行水文地质参数估值,计算结果表明：Lingo计算值与实测降深值之间非常接近,二者相关系数达到了0.996,且占总数83.33%的数据点其相对计算值和实测值之间的相对误差小于5%,完全满足工程应用要求。Lingo具有的编程简单、运行速度快和计算结果准确等优点,使其在水文地质研究领域得到广泛应用。     

利用煤田测井参数解释煤岩层储气特征

煤田测井曲线中携带着丰富的地质信息,不同属性的测井参数与煤、岩层物理力学性质、富水储气等特征均具有一定的相关性。通过对测井曲线进行数字化和标准化处理,根据煤层含气量与天然放射性参数呈负相关关系,与视电阻率、人工放射性参数呈正相关关系,确立天然放射性、视电阻率及人工放射性测井3种参数间的复合参数,进而构建复合参数与含气量之间的关系,并对研究区1煤层进行了煤层含气量计算与评价。结果表明,利用本文的方法预测的煤层含气量分布与实际揭露情况较吻合。     

微分法确定含水层参数的改进

微分图解法确定含水层参数时,忽略了井损所产生的影响。本文就此法的改进进行了探讨,改进后的微分法考虑了过滤器的阻力及三维流的作用,即井损的影响。得出的参数值准确且与实际情况相吻合,使微分法确定含水层参数的方法得到了完善。     

利用土中水分蒸发特性和微观孔隙分布规律确定SWCC残余含水率

残余含水率在非饱和土渗流理论、强度理论等方面都是重要的参数,然而土-水特征曲线（SWCC）试验测量时一般难以达到残余阶段,常常通过经验法（包括模型拟合法）估算残余含水率,方法的适用性值得论证。以武汉黏性土为研究对象,制备不同初始孔隙比试样,利用压力板仪测量SWCC,通过模型拟合的方法计算残余含水率;进行自然状态下水分蒸发试验,根据失水速率定义了临残时间,依据临残时间确定残余含水率;利用核磁共振技术研究微观孔隙分布特性,解释控制残余含水率大小的微观规律。研究结果表明：模型拟合的方法可估算残余含水率,但准确性与模型选择及残余含水率初步范围的限定直接相关;水分蒸发试验是确定残余含水率有效可行的直接方法;武汉黏性土微观孔隙呈三峰分布,残余含水率与第1峰之前的微观孔隙水分紧密相关,依据弛豫时间小于0.267 38 ms的T2谱面积可较为准确地预测残余含水率,对于其他土体该方法需要进一步论证与完善。     

考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线（SWCC）是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型（HP模型和MV模型）忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC,选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明,采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估,并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外,含水率估算中引入参数β后,修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。