基于微遗传算法的土壤水力特征参数反演及水分运动模拟

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有关土壤水运动的研究在农业生产和环境保护等领域中具有重要的意义。数值求解数学模型已成为预测水与溶质在土壤中的运移和水土资源管理研究中必不可少的工具。土壤水力参数的确定是土壤中水分运动与溶质迁移预测的基础和计算机模型应用的关键,也是影响预测准确程度的最主要因素。随着传感测量和计算机技术的发展,近来的研究热点是在场地原位获取测量值,通过耦合非饱和土水分运动数值模型和优化算法进行土壤水力特征参数反演,从而对水分运动进行更精准的预测。  本文将微遗传算法(mico-Genetic Algorithms,mico-GA)与土壤水运动控制方程相结合建立了推求土壤水力特征参数的反问题模型,结合我国新疆阿拉尔塔里木大学水资源与建筑工程学院于2012、2013年开展的地表滴灌和地下滴灌实验数据,开展了在田间尺度下土壤水力参数反求问题中的适用性研究,获得了以下基本结论:  (1)采用反演分析方法,结合micro-GA优化算法推求的土壤水力特征参数相对于Saxton和W(o)sten方法计算的土壤水力特征参数用于模拟的效果改善明显。  (2)反演分析的观测数据过少会导致模拟结果的不精确,反演参数的精度随样本数量的增加而增加;反问题的目标函数对结果有较大影响,合理的目标函数能提高反演结果精度。  (3)在微遗传算法中设定的100代5种群是较合适的遗传选择,增加遗传代数和种群数量对提高运算结果没有太大帮助。  (4)土壤分层反演有利于提高反演结果精度,土壤层数要根据土壤的实际情况决定。通过用两层土反演的水力特征参数对滴灌条件下的土壤水分运动分析,结果表明土壤含水量实测值和模拟值两者之间的契合程度较高。计算的模型评价指标分别为:纳什效率系数为0.668,均方根误差为0.029cm3/cm3,平均绝对值误差为0.021cm3/cm3,拟合优度为0.689,证明本文提出的推求土壤水力特征参数的反问题模型是有效而可行的,可用于实际问题,以提高土壤水运动模拟结果的精度。
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