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

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。     

利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数

利用数学模型预测土壤水分和溶质运移过程的准确性取决于所涉及的水力参数和土壤溶质运移参数的可靠性和精度。目前由于实验系统和研究方法的限制，在测定水力参数和溶质运移参数时所采用的土壤样本不一致，产生了样本误差。本文建立了利用同一土壤样本测定水力参数和溶质运移参数方法，即首先进行水平一维入渗实验，待土壤饱和后改换为供溶液试验，测定土壤边界层随时间的变化过程从而计算出溶质运移参数。与传统的利用土壤溶质穿透曲线获得参数的方法比较表明，本文提出的方法是可行的。     

基于Bayes理论的田间层状土壤水分运动参数识别及不确定性分析

土壤水分运动参数是非饱和带水分及污染物运移研究的核心参数,根据点尺度土壤样本的室内稳态试验得到的水分运动参数往往不能准确反映天然条件下田间尺度土壤水分运动特征。本文基于为时2年的田间土壤含水量观测数据(2013年为率定期,2014年为验证期),通过土壤转换函数得到了VGM(van Genuchten-Mualem)模型水力参数的先验分布,建立了反演层状土壤持水和导水特征的贝叶斯模型,采用自适应差分演化(DREAMZS)的采样方法,结合Hydrus_1d模型,对田间尺度土壤水分含量预测模型进行优化及不确定性分析,获得了水分特征参数的后验分布,分析了最优参数组的模拟效果及模型预测的95%的置信区间。结果表明,基于DREAMZS采样的Bayes方法可以实现田间尺度层状土壤水分特征参数的率定及土壤水分动态的模拟预测。率定结果显示饱和导水率Ks最不敏感,饱和含水量θs最为敏感,可识别性较高,室内试验反演得到θs可用于田间土壤水分运动的模拟。随着土壤含水量模拟深度的增加,PUCI(单位平均相对宽度所包含的实测点数据比例)值越大,模型预测的性能越高。模拟结果的不确定性主要由模型结构所引起,所以对模型结构的修改完善是未来提高模型预测的关键。     

农业水文SWAP 模型及其应用研究进展

SWAP（Soil-Water-Atmosphere-Plant）模型是近几年发展迅速、在农田水利与土壤科学等领域应用较广泛的农业水文模型,主要用于对作物灌溉制度的制定与评价、地下水位埋深动态变化的预测、土壤溶质（盐分、化肥、农药）运移预测、作物生长与产量预测等。本文对SWAP 模型进行了简要介绍,总结了SWAP 模型在田间尺度上模拟土壤水盐运移变化、地下水位变化、农田排水量、作物生长过程及水分生产力等几个主要方面的研究,以及SWAP 模型与其他模型耦合联用,使模型能够由田间尺度向区域尺度扩展,得到更好的应用和推广。提出了模型在应用时需要注意的几个问题及建议,使SWAP模型变得更加完善。     

一种由土壤剖面含水率估算土壤水力参数的方法

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。     

VG模型参数对灌溉补给系数的敏感性分析

运用模型手段,计算灌溉补给系数时,VG模型中水力参数的不确定性严重影响了灌溉入渗补给系数的可靠性,且目前针对非均质岩土层入渗及其水力参数敏感性的研究较少。基于新疆伊犁霍城县原位试验场灌溉试验,运用HYDRUS-2D软件建立二维饱和-非饱和带水分运移数值模型,利用EFAST法和Morris筛选法分析了VG模型中水力参数对灌溉补给系数的敏感性,并分析比较两种方法的一致性。研究表明:当包气带岩性为均质结构时,θ_s(土壤的饱和含水率)及n(VG模型的形状参数)共同影响着灌溉补给系数。当包气带岩性处于上粗下细的结构时,θ_s对灌溉补给系数影响最大,即表明θ_s最为敏感,而且细颗粒θ_s相对于其他水力参数的耦合程度最大。n直接影响着土壤水分特征曲线的整体形状。同时EFAST法和Morris筛选法对参数敏感性分析结果呈现较高的相关性。由于VG模型中水力参数数量适中,EFAST法较Morris筛选法工作量合理,同时对模型参数敏感性分析更加贴近实际。研究成果对获取包气带水分运移模型参数有着重要意义。     

VG模型参数对灌溉补给系数的敏感性分析

运用模型手段,计算灌溉补给系数时,VG 模型中水力参数的不确定性严重影响了灌溉入渗补给系数的可靠性,且目前针对非均质岩土层入渗及其水力参数敏感性的研究较少。基于新疆伊犁霍城县原位试验场灌溉试验,运用 HYDＲUS－2D 软件建立二维饱和－非饱和带水分运移数值模型,利用EFAST 法和 Morris 筛选法分析了 VG 模型中水力参数对灌溉补给系数的敏感性,并分析比较两种方法的一致性。研究表明: 当包气带岩性为均质结构时,θs( 土壤的饱和含水率) 及 n( VG 模型的形状参数) 共同影响着灌溉补给系数。当包气带岩性处于上粗下细的结构时,θs 对灌溉补给系数影响最大,即表明 θs 最为敏感,而且细颗粒 θs 相对于其他水力参数的耦合程度最大。n 直接影响着土壤水分特征曲线的整体形状。同时 EFAST 法和 Morris 筛选法对参数敏感性分析结果呈现较高的相关性。由于VG 模型中水力参数数量适中,EFAST 法较 Morris 筛选法工作量合理,同时对模型参数敏感性分析更加贴近实际。研究成果对获取包气带水分运移模型参数有着重要意义。     

改进的蚁群算法在溶质运移参数识别问题中的应用

非饱和土壤水分和溶质运移参数(扩散率、导水率和水动力弥散系数)取值范围较大,往往跨越几个数量级。采用传统离散化蚁群算法求解此类问题,所需节点较多,这会造成算法收敛时间较长。该文在传统蚁群算法基础上,对蚂蚁搜索路径进行改进,改进后的蚁群算法寻优路径由参数精度位数(整数位和小数位)、参数个数以及0–9十个数字构成,并将路径解码公式修改为具有判别参数正负功能的解码公式。采用改进的连续蚁群算法对非饱和溶质运移参数识别优化模型进行求解。数值模拟表明相同迭代次数下改进的蚁群算法比传统蚁群算法耗时少,算法计算时间与迭代次数满足线性关系,含水率和溶质浓度实测值与计算值吻合较好、相关性较高。     

基于HYDRUS-3D的畦灌模式下田间水盐运移模拟

为揭示干旱荒漠区农田畦灌模式下的田间尺度土壤水盐运移规律,选定甘肃省景泰川电力提灌灌区为研究区,基于HYDRUS-3D模型,对田间尺度畦灌模式下的土壤水盐运移特征和分布过程进行模拟,以现场田间试验数据对率定后的模型模拟结果进行了验证。结果表明:运用田间试验实测值对HYDRUS-3D模型中的参数及边界条件修正之后,模拟结果与田间实测值的差别很小,模型的可靠性较好;在灌溉-入渗与蒸发作用下,灌溉后的土壤含水率沿纵向呈现出明显的分层现象,畦田上层土壤含水率约为22%,中间土层的含水率约为26%,深层土壤的含水率约为29%;土壤含盐量沿纵向亦呈现出明显的分层现象,6.5 mg/cm~3(0～20 cm)、4.5 mg/cm~3(20～40 cm)、4.3 mg/cm~3(40～60 cm)、3.5 mg/cm~3(60～80 cm)、2 mg/cm~3(80～100 cm),整个田块土壤含盐量呈现出先下降再上升最后逐渐趋于稳定的变化趋势,畦田土壤含盐量平均值稳定在4.16 mg/cm~3左右。上述模拟结果可为研究区灌溉制度的优选以及土壤盐碱化治理提供决策依据。     

改进的水动力参数模型在非饱和土壤溶质运移问题中的应用

传统水分和溶质运移参数模型(导水率、扩散率和水动力弥散系数)只是含水率的函数,难以反映土壤初始含盐量以及溶液浓度对含水率和溶质入渗透性的影响。该文对传统以含水率为变量的水动力参数模型进行改进(引入反映浓度的参数α、β和γ),并通过室内不同初始含盐量(2、4、6、8和10g.kg-1)清水淋洗试验和不同浓度氯化钠溶液(0、15、25、50和100g.L-1)入渗试验对模型进行验证。试验表明土壤初始含盐量和入渗溶液浓度越大,相同入渗时间湿润锋和累积入渗量越小。数值模拟表明:(1)含水率和溶质浓度的实测值与计算值吻合较好,改进后的模型较传统模型精度提高了6.31%;(2)参数α、β和γ越大,相同位置含水率和溶质浓度越大,相同时间湿润锋运移距离越大。参数敏感性分析表明,参数α、β和γ对扩散率、导水率及水动力弥散系数的敏感度不受含水率的影响,但随着浓度的增大而增大。     

混凝土面板堆石坝参数在施工质量控制中的作用

混凝土面板堆石坝有很多相关联的参数,对这些参数进行分析、归类、集合,分析这些参数内在的关系,并通过云南大城水库坝顶溢流混凝土面板堆石坝具体运用,总结这些参数在施工质量控制中的作用。     

矩形顶管施工引起地表隆起变形因素分析

以全国最长的大截面矩形顶管综合管廊工程为背景,研究矩形顶管施工过程中引起地表隆起变形的因素。采用弹性力学mindlin解为理论分析工具,将影响地表隆起变形的因素分为地层参数、设计参数和施工参数。地层参数包括土体泊松比和压缩模量;设计参数包括顶管断面尺寸、隧道埋深和后续管节的断面尺寸;施工参数包括顶管机顶进速度、正面附加推力、顶管机的摩擦系数和管节的摩擦系数。经过分析得到以下结论:(1)该工程地表隆起最大值达到29 mm,随后回落到15 mm并保持稳定,纵向隆起范围为20 m;(2)地层参数中,土体泊松比与地表隆起变形成正比,泊松比每变化0.1,地表隆起变化10 mm,土体压缩模量与地表隆起变形成反比;(3)设计参数中,顶管断面尺寸与地表隆起变形成正比,顶管机宽度每变化1 m,地表隆起变化3 mm,隧道埋深对地表隆起变形最大值不产生影响;(4)施工参数中,正面附加推力、顶管机的摩擦系数和后续管节的摩擦系数与地表隆起变形成正比,顶进速度只影响隆起值出现的时刻,而对隆起值的大小不产生影响。     

沙坪二级左岸崩坡积体物理力学参数选取

沙坪二级坝址左岸分布崩坡积体厚度达179.9 m以上,总方量约240.3万m3。崩坡积体颗粒组成极不均一,空间分布差异很大,崩坡积体物理力学参数取值正确与否,直接影响到工程的安全性和经济性。以室内试验成果为基础,结合工程类比法、经验公式法,综合确定左岸崩坡积体的物理力学指标。     

MSBR工艺控制参数总结与分析

介绍了MSBR工艺的原理,并通过分析近两年的工艺运行情况,总结得出该工艺的主要污泥性能参数。通过研究工艺控制参数与出水水质的关系得出:工艺有机负荷宜控制在0.2～0.4kgBOD5/(kgMLVSS.d),泥龄在10～20d。此外还分析了MSBR工艺中回流量和排泥时间、DO等主要控制点的调整依据和调整措施,为该工艺在其他污水处理厂的应用提供借鉴。     

Fish yields in Cuban reservoirs and relationships with some morphometric and edaphic parameters

Cuba is located between 19°49' and 23°18' north latitude and 74°08' and 84°57' west longitude. It is the largest island in the Caribbean Sea and the paucity of natural lakes and the prolonged dry season makes it necessary to construct reservoirs. During the past 36 years, Cuba has built 220 large reservoirs (> 100 ha) and 800 smaller ones (< 100 ha). Reservoirs are the most important standing waters in Cuba and their fish, although of low diversity, support productive fisheries, with tilapias contributing 92% of the total production by weight. The fisheries in reservoirs located in the eastern and central parts of the island were analysed during the period 1983–92. The mean depth (z) of reservoirs here is 5.9 m, ranging from 1.8 to 16.0 m. The best correlation coefficients and fit regression in 54 Cuban reservoirs were between FY (fish yield) and DE (diversity of exploitation); when data were analysed with a multiplicative statistical model, r = 0.70, FY = 4.795 DE^0.9292; and between TC (total catch) and A (area), but in this case data were analysed with a linear statistical model, r = 0.91, TC = 17209A–6635.56. Regression between FY versus z was relatively low and inverse, r = −0.20, FY = 249.145–11.04z, although all regressions were statistically significant ( P < 0.01).     

Fish yields in Cuban reservoirs and relationships with some morphometric and edaphic parameters

Cuba is located between 19°49' and 23°18' north latitude and 74°08' and 84°57' west longitude. It is the largest island in the Caribbean Sea and the paucity of natural lakes and the prolonged dry season makes it necessary to construct reservoirs. During the past 36 years, Cuba has built 220 large reservoirs (> 100 ha) and 800 smaller ones (< 100 ha). Reservoirs are the most important standing waters in Cuba and their fish, although of low diversity, support productive fisheries, with tilapias contributing 92% of the total production by weight. The fisheries in reservoirs located in the eastern and central parts of the island were analysed during the period 1983–92. The mean depth (z) of reservoirs here is 5.9 m, ranging from 1.8 to 16.0 m. The best correlation coefficients and fit regression in 54 Cuban reservoirs were between FY (fish yield) and DE (diversity of exploitation); when data were analysed with a multiplicative statistical model, r = 0.70, FY = 4.795 DE^0.9292; and between TC (total catch) and A (area), but in this case data were analysed with a linear statistical model, r = 0.91, TC = 17209A–6635.56. Regression between FY versus z was relatively low and inverse, r = −0.20, FY = 249.145–11.04z, although all regressions were statistically significant ( P < 0.01).     

利用现场观测和力学试验确定设计冰力学参数

以斜坡结构物二维冰力计算公式为理论依据,给出平原水库设计所需要的冰力学参数的合理取值。通过开展水库冬季冰面现场观测,得到冰层第二次爬坡发生时的等效应变速率、典型冰温;结合大量的冰力学性质的试验研究,给出在护坡工程中最不利条件下,即冰层第二次爬坡时水库冰弯曲强度、弹性模量及冰与护坡材料间动摩擦系数的设计取值。     

综合负荷模型的电动机参数独立性分析和主导参数选取

近年来,基于主导参数选择的参数实时辨识策略成为提升辨识效率的一个重要研究方向。在负荷辨识领域,综合负荷模型得到了广泛应用,由于这一模型中电动机参数的复杂性,已有文献的主导参数选取策略往往采用灵敏度仿真方法,然而,灵敏度分析依赖于基准参数、扰动形式以及运行状况,难以反映出参数之间的相互影响,也缺乏有效的理论依据,因此存在较大的局限性。针对综合负荷模型主导参数辨识问题,首先分析了其参数的独立性,推导了独立参数集和常规参数集之间的关系。然后,根据电动机参数的内在特性,对模型参数进行了合理的简化,提出了一种独立参数个数更少的简化模型,以进一步减少主导参数个数。相比已有文献,文中从机理上对综合负荷模型的主导参数选择进行了分析,并通过仿真算例验证了分析结果的正确性。     

基于PFC的堆石料宏细观参数相关性分析

通过一系列PFC数值试验,对堆石料颗粒细观参数与材料宏观参数之间相关性进行了分析,建立了颗粒摩擦系数f与材料摩擦角φ之间的关系,材料初始弹性模量E_c、泊松比γ与颗粒接触刚度k_n,k_s之间的关系,以及材料单轴抗压强度P_0与颗粒簇内基本颗粒间粘结强度b_n之间的关系。通过对一系列颗粒细观参数与宏观参数之间关系的分析,选定了采用PFC模拟堆石料试验时细观参数的确定方法,并分析了岩土试验中室内试验结果与PFC模拟结果之间的差别及其原因。