土壤中非饱和流动的数据同化算法研究

发布时间：2022-12-08 20:18

　　非饱和带是水文循环的重要场所,同时也是地表污染物进入地下水的通道。研究非饱和带土壤中的物质与能量运动规律对于农业水土资源管理以及污染防控具有重要的理论指导意义和实际价值。数值模型是模拟土壤中非饱和流动过程的有力工具,而应用数值模型的关键之一在于确定土壤水力参数（如饱和导水率和孔隙度）。传统的直接测定土壤水力参数的方法通常费时费力、成本较高,并且会对土壤扰动很大。此外,由于土壤天然具有非均质性,单一点上的测量值也无法代表整个区域的土壤性质。随着测量传感技术的发展,目前已有多种传感器可以对土壤中的物质与能量运动过程进行在线监测,能方便地获取大量数据,且对土壤扰动较小。从这些数据中有效地提取信息,精准反演土壤水力参数,对于精准模拟土壤中的水分运动、溶质运移及热量传输等过程具有重要的意义。数据同化方法能通过融合与土壤水分运动有关的状态表征量的观测数据（如水头、含水量、溶质浓度和温度等）,实现对土壤水力参数的估计。然而,由于土壤非饱和流动模型的计算密集型特性、土壤的空间变异性以及观测数据的相对稀缺性,现有的数据同化方法面临较大的挑战。因此,需要发展高效的数据同化方法更快更准地估计出土壤水力参数,... 

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
缩略词对照表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
        1.1.1 土壤中非饱和流动模拟的不确定性
        1.1.2 土壤中非饱和流动模拟的特点及难点
    1.2 国内外主要研究进展
        1.2.1 不确定性量化方法研究进展
        1.2.2 数据同化方法研究进展
        1.2.3 优化试验设计研究进展
    1.3 本文研究内容
2 土壤非饱和流动模型与随机模拟
    2.1 土壤非饱和流动模型
        2.1.1 水分运动方程
        2.1.2 溶质运移方程
        2.1.3 热量迁移方程
    2.2 随机模拟方法
        2.2.1 Karhunen-Lo`eve展开
        2.2.2 概率配点法
        2.2.3 马尔科夫链蒙特卡罗
        2.2.4 集合卡尔曼滤波
        2.2.5 概率配点卡尔曼滤波
3 基于贝叶斯的优化设计与数据同化
    3.1 研究方法
        3.1.1 基于ANOVA分解的转换概率配点法
        3.1.2 贝叶斯试验设计
    3.2 案例研究
        3.2.1 案例一:人工入渗试验
        3.2.2 案例二:自然降雨条件下的入渗试验
    3.3 本章小结
4 基于集合样本的序贯优化设计与数据同化
    4.1 研究方法
        4.1.1 信息指标
        4.1.2 基于集合样本的序贯优化设计
    4.2 案例研究
        4.2.1 案例一:分层土柱
        4.2.2 案例二:非均质饱和导水率场
    4.3 本章小结
5 基于概率配点的序贯优化设计与数据同化
    5.1 研究方法
    5.2 案例研究
        5.2.1 案例一:均质场
        5.2.2 案例二:非均质饱和导水率场
    5.3 本章小结
6 非饱和土壤水热运移的多保真度模拟
    6.1 研究方法
        6.1.1 多保真度模拟框架
        6.1.2 基于ANOVA分解的PCE展开
        6.1.3 求解基函数的系数
        6.1.4 后处理
        6.1.5 算法总结
    6.2 案例研究
        6.2.1 案例一:均质场
        6.2.2 案例二:非均质饱和导水率场
    6.3 本章小结
7 基于多保真度模拟的数据同化
    7.1 研究方法
        7.1.1 预测步
        7.1.2 更新步
        7.1.3 算法总结
    7.2 案例研究
        7.2.1 案例一:水气两相流试验
        7.2.2 案例二:非均质饱和导水率场
    7.3 本章小结
8 总结与展望
    8.1 研究内容总结
    8.2 研究展望
参考文献
作者简历及在读期间科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]优化法与贝叶斯估计法在非饱和水力参数反演中的比较[J]. 柯凤乔,满俊,曾令藻,吴劳生.  浙江大学学报(农业与生命科学版). 2016(05)
[2]非均质介质中重非水相污染物运移受泄漏速率影响数值分析[J]. 施小清,姜蓓蕾,吴吉春,徐红霞,姜月华,苏晶文.  水科学进展. 2012(03)
[3]土壤饱和导水率空间预测的不确定性分析[J]. 廖凯华,徐绍辉,吴吉春,施小清.  水科学进展. 2012(02)
[4]多尺度非均质多孔介质中溶质运移的蒙特卡罗模拟[J]. 陆乐,吴吉春,王晶晶.  水科学进展. 2008(03)
[5]土壤水力性质确定方法研究进展[J]. 徐绍辉,刘建立.  水科学进展. 2003(04)
[6]爱因斯坦求和约定的推广[J]. 王伯年,李过房,曹伟武.  上海理工大学学报. 2003(01)
[7]土壤特性空间变异性初步研究[J]. 雷志栋,杨诗秀,许志荣,G.瓦肖尔.  水利学报. 1985(09)

博士论文
[1]非均质性包气带水力参数反演方法研究[D]. 张永根.中国地质大学（北京） 2014



本文编号：3714068