基于van Genuchten模型土壤水分特征曲线的vanfit和MATLAB软件模拟研究

研究了土壤水分特征曲线对探讨土壤水分运动机理及溶质运移动力学机制具有重要科学意义。由于测定土壤水分特征曲线的长历时性和时间限制,在从相关参考文献中提取土壤水分特征曲线测定数据的基础上,建立土壤水分特征曲线的资料库,采用van Genuchten模型对土壤水分特征曲线进行描述,分别应用vanfit软件和MATLAB软件下的lsqcurvefit函数2种方法对土壤进行van Genuchten模型下的4个参数拟合分析。结果表明,2个程序拟合结果大体相近且优良,均方差较小,拟合曲线大致相同,且土壤质地不同,其土壤水分特征曲线差别较大。

土壤持水曲线van Genuchten模型求参的Matlab实现

土壤持水曲线是研究土壤水力学性质必不可少的 ,在已经建立的众多数学模型中 ,vanGenuchten模型是目前运用最广泛的模型 ,而运用该模型的关键是其 4个参数的求解。为此 ,本文对同一组东北褐土的土壤水吸力和对应的土壤含水量数据较详细地介绍了Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数的运用 ,得出了该土壤vanGenuchten模型的 4个参数值 ,分别建立了该土壤的vanGenuchten模型 ,并利用Mat lab强大的绘图功能对它们进行了直观比较。最后运用方差分析和残差分析对该模型的计算值与实测数据进行了分析 ,结果表明 :非线性拟合和非线性回归函数求参结果的显著水平均达到p<0 0 0 0 1,残差平方和均小于 0 0 0 0 5 ,其中非线性回归函数的求参结果较非线性拟合好。因此 ,运用Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数对土壤持水曲线的vanGenuchten模型进行求参是切实可行的 ,从而为土壤学工作者寻求出了一条运用数值计算方法的新途径。

Van Genuchten模型在土壤水分特征曲线拟合分析中的应用

利用Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数,对传统耕作和免耕耕作两种方式下土壤水分特征曲线进行分析,建立相应的Van Genuchten模型,并对模型进行检验和应用。结果表明,非线性回归较非线性拟合适应性高;Van Genuchten模型适应性好,可以应用于不同耕作条件下的土壤水分分析。

基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析

针对渭北地区干旱缺水,果树生长发育受限的客观实际,开展了苹果树生育期0-150 cm土壤水吸力动态变化规律研究。依据渭北果园土壤剖面构型,将离心机法与水汽平衡法相结合,按照发生学土层,逐层测定了供试土壤水分特征曲线,并用van Genuchten模型拟合。基于该模型,将在幼龄果园、老龄果园以及农田定期逐层监测的土壤水分含量转化为土壤水吸力,以农田为对照,评价植果条件下土壤水分的胁迫状况。结果表明,van Genuchten模型能很好地拟合渭北果园耕层、农田耕层、黑垆土层及黄土母质层的水分特征曲线,拟合精度均达0.96以上。渭北地区农田受干旱胁迫较严重,3月中旬-7月初,0-100 cm土层均处于水吸力高于3.98的重度胁迫状态;受植被冠层覆盖及果树生育期的影响,干旱对果树的胁迫程度较农田小,对老龄果园胁迫程度比对幼龄果园的大,幼龄果园在3月中旬-5月初、5月底-7月初仅0-20 cm土层为高水吸力区,直至6月中旬-7月中旬高水吸力区才延伸到40-70 cm土层;老龄果园在3月中旬-4月底的0-40 cm土层、5月底-7月中旬的30-100 cm土层和7月中旬-8月底的0-20 cm土层为高水吸力区。可得出,渭北不同园龄苹果园在不同生育期的不同深度土层会间歇性地出现高水吸力的土壤水分胁迫区,但相对于农田而言,果园受到的干旱胁迫相对较轻,渭北地区植果有助于缓解干旱胁迫。

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。

求van Genuchten模型参数的AM-MCMC方法

采用基于自适应采样算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法(简称AM-MCMC)来估算描述土壤水分特征曲线的van Genuchten模型的参数,并推求出模型参数的后验分布,从而为模型参数的不确定性分析提供依据。结果表明,对于van Genuchten模型而言,采用AM-MCMC算法能得到模型参数后验均值和方差的分布,并且能推求出模型参数的置信区间,所以用这种算法来求解van Genuchten方程的参数是行之有效的,为求解van Genuchten模型参数提供了一种新的思路。

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。

基于土壤理化性质估计土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数

在东北黑土区采集了不同侵蚀强度黑土土样,测定其土壤水分、机械组成、有机质和容重等指标,利用Rosetta模型估计了Van Genuchten模型的参数,并将估算土壤水分与实测土壤水分对比,评价了选择不同土壤理化性质指标的模拟精度,及该方法对东北黑土的适宜性。结果表明：选择4个或6个土壤性质指标,尺度参数（α）和形状参数（n）的差异较大,采用6指标时,α增大,n减小。修正VG模型参数m与n的关系后,模型拟合精度明显提高,其中6指标的计算结果好于4指标,但拟合值偏大,需进一步较正。Rosetta模型适用于砂粒含量小于46%,粘粒含量大于28%的东北黑土。

土壤水分特征曲线Van-Genuchten模型参数的土壤传输函数比选

基于黄土高原区多种土壤的水分特征曲线试验数据样本,建立了以土壤黏粒、土壤粉粒、干密度、有机质和盐分含量为输入变量,Van-Genuchten模型参数α与n为输出变量的非线性预报模型和灰色BP神经网络预报模型,在对两种模型误差参数α与n分别进行误差分析比较的基础上,对两种模型的预测结果进行了整体误差分析。结果表明:无论是参数α还是参数n,非线性模型的平均相对误差低于10%,综合精度平均相对误差为15.73%;灰色BP神经网络模型的预测精度的平均相对误差低于4%,综合精度平均相对误差为10.01%,灰色BP神经网络模型的预测精度都要比非线性模型的预测精度高,但灰色BP神经网络模型易出现过度拟合的情况。综合而言,两种模型均能实现Van-Genuchten模型参数α与n的预测,可根据具体情况选用其中一种以达到更好的预测效果。

基于Van Genuchten模型的等高反坡阶下土壤水分特征

为了阐明等高反坡阶处理对土壤持水性的改善作用,选取滇中昆明市北郊松华坝迤者小流域为研究区,研究等高反坡阶对坡耕地0—100 cm土层土壤水分特征曲线的影响,使用vanFit软件拟合获得Van Genuchten模型参数,阐明各土层土壤持水性及其与影响因子的关系。结果表明:(1)等高反坡阶对坡上部影响不显著(p>0.05),对坡中部影响显著(p<0.05),对坡下部影响极显著(p<0.01);(2)与土壤水分特征曲线参数的关系中,容重和砂粒含量呈负相关,总孔隙度、毛管孔隙度和粉粒含量呈正相关;(3)模型拟合土壤水分特征曲线的决定系数R^2均高于0.85,可靠性较高;原状坡耕地(1.719 6)和等高反坡阶处理坡耕地(1.773 5)的n值均在10—20 cm土层最大,土壤在10—20 cm土层的土壤含水率变化较大,等高反坡阶处理坡耕地的土壤含水率变化大于原状坡耕地;(4)原状坡耕地和等高反坡阶处理坡耕地均在10—20 cm土层供水性好,等高反坡阶处理坡耕地在40—60 cm土层持水能力强,而原状坡耕地在20—40 cm土层持水能力强。综上,等高反坡阶处理对坡耕地土壤的保水性能具有明显的提高作用,对坡耕地地表径流拦蓄、增加水分入渗和减少土壤流失起到了明显的改善作用。

Unraveling the hydraulic properties of loess for landslide prediction:A study on variations in loess landslides in Lanzhou,Dingxi,and Tianshui,China

Loess has distinctive characteristics,leading to frequent landslide disasters and posing serious threats to the lives and properties of local re sidents.The involvement of water repre sents a critical factor in inducing loess landslides.This study focuses on three neighboring cities sequentially situated on the Loess Plateau along the direction of aeolian deposition of loess,namely Lanzhou,Dingxi,and Tianshui,which are densely populated and prone to landslide disasters.The variations in hydraulic properties,including water retention capacity and permeability,are investigated through Soil Water Characteristic Curve(SWCC)test and hydraulic conductivity test.The experimental findings revealed that Tianshui loess exhibited the highest water retention capacity,followed by Dingxi loess,while Lanzhou loess demonstrated the lowest water retention capacity.Contrastingly,the results for the saturated permeability coefficient were found to be the opposite:Tianshui loess showed the lowest permeability,whereas Lanzhou loess displayed the highest permeability.These results are supported and analyzed by scanning electron microscopy(SEM)observation.In addition,the water retention capacity is mathematically expressed using the van Genuchten model and extended to predict unsaturated hydraulic properties of loess.The experimental results exhibit a strong accordance with one another and align with the regional distribution patterns of disasters.

干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q 3黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明:原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θs、α、n变化幅度较小,而参数θr随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。

温度及冻融循环对滨海盐渍土土—水特征曲线的影响研究

为探讨环境温度、冻融循环次数对滨海盐渍土持水特性的影响,以黄骅地区滨海盐渍土作为研究对象,通过滤纸法测得不同环境温度及冻融循环次数下各试样的基质吸力、渗透吸力、总吸力土—水特征曲线,分析不同因素下盐渍土土—水特征曲线及持水特性的变化规律;通过Van Genuchten(VG)模型对试验结果进行拟合分析.结果表明:随着环境温度和冻融循环次数增加,盐渍土持水性能降低,其中冻融循环对持水特性的影响随着次数的增加而逐渐减小.VG模型对滨海盐渍土土—水特征曲线的拟合优度较高;根据试验结果及拟合结果,分别建立了考虑环境温度、冻融循环次数的土—水特征曲线模型,可为滨海盐渍土区域的工程建设提供参考.

基于BP神经网络方法的黄土水分特征曲线预测模型比选

黄土高原区水资源严重匮乏,研究土壤水分特征曲线对于提高水分利用率、节约水资源有着重要的现实意义,但直接试验测量土壤水分特征曲线面临操作技术难度大、耗时费力等诸多问题,因此对土壤水分特征曲线进行科学合理预测十分必要。为提高黄土高原区土壤水分特征曲线预测模型精度,以山西省5个县市的试验点黄土为研究对象进行模型比选。基于BP神经网络算法,以土壤基本指标黏粒含量、粉粒含量、干容重、有机质和全盐量共5个影响因素作为预测模型的输入变量,以经验模型的参数作为预测模型的输出变量,分别建立了Gardner经验模型参数和Van Genuchten经验模型参数的预测模型,并根据实测数据库的预测结果进行对比和分析。结果表明:建立的经验模型参数的BP神经网络预测模型,Gardner经验模型建模和验证后的两个参数相对误差的平均值都小于4%,Van Genuchten经验模型建模和验证后的两个参数相对误差的平均值都小于5%;不论是建模的训练数据库还是验证数据库,Gardner经验模型参数的预测模型精度均高于Van Genuchten经验模型参数的预测模型精度。因此,建议针对黄土高原区的黄土水分特征曲线预测模型的建立,选用Gardner经验模型更加合适,且此经验模型的表达式简单易懂,更利于农田水利相关的基层工作人员的学习与利用。

哈尼梯田典型区域土壤水分特征曲线模拟研究

以哈尼梯田典型流域全福庄小流域为研究对象,采用压力膜仪法对0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm深度土层的土壤水分特征曲线进行测定,并选取Van‒Genuchten模型、Brooks and Corey模型和Gardner模型对梯田土壤实测数据进行曲线拟合和适用性分析。结果表明:在相同土壤水吸力下,哈尼梯田0~10、40~60 cm土层土壤持水性最差,20~40 cm土层土壤持水能力最强。Van‒Genuchten、Brooks‒Corey和Gardner模型拟合值与实测值变化趋势相似,均对0~10 cm和20~40 cm土层土壤有较好的拟合效果,而对40~60、80~100 cm土层土壤模拟效果较差。3种模型均可用于拟合哈尼梯田土壤水分特征曲线,其中Van‒Genuchten模型拟合效果最佳,误差相对较小;Brooks‒Corey和Gardner模型拟合效果较差。Van‒Genuchten模型是哈尼梯田土壤水分特征曲线较为理想的拟合模型。

保水剂对土壤持水特性的作用机理研究

分别将B1（北京华瑞祥科技有限公司高吸水树脂保水剂）、B2（广东东莞市安信保水有限公司农林保水剂）、B3（唐山博亚科技工业开发有限责任公司的高能抗旱保水剂）3种保水剂以不同用量（0.05%、0.10%和0.50%）施入无团聚体孔隙的风沙土中,测定各处理土壤在不同吸力时的含水量,并用V-G模型拟合各土壤水分特性曲线,获得各处理土壤的水分特性曲线参数和主要水分常数等结果,以期揭示使用保水剂在改善土壤持水性方面的作用特征和机理。结果表明：1使用保水剂后,除土壤无效水部分无显著变化外,各处理土壤饱和含水量、田间持水量、重力水和有效水部分均显著增加,保水剂用量为0.50%时处理土壤的田间持水量比对照高3～4.7倍,使用保水剂显著改善了土壤中、低水吸力段的持水容量,即土壤的＂孔隙＂持水部分。2各处理土壤的水分特征曲线右移,各吸力段的持水容量明显增加,n值均小于对照,表明使用保水剂显著增大了在失水过程中土壤的持水能力。3使用保水剂后,各处理土壤增加的吸水量主要来源于重力水和有效水,保水剂用量为0.05%时,各处理土壤重力水所占比重高于60%,随着保水剂用量增加,重力水所占比重下降,有效水分所占比重提高,表明保水剂对土壤持水特性的作用机理主要体现为增加了土壤的＂毛管孔隙＂持水比例,即在低使用量时显著改善土壤重力水部分,随着保水剂使用量的增加则显著增加土壤有效水部分。4综合比较保水剂类型和对土壤持水能力的改善作用,B3型保水剂在使用量为0.5%时的改善效果最好。由此得出,化学保水剂尽管是一种具有很强分子吸水能力的基质,却在土壤中能够极大地改变土壤＂孔隙＂持水性,增加土壤有效水贮量,应当受到应有的重视和广泛使用。

封丘地区土壤传递函数的研究

以黄淮海平原封丘地区的潮土和风沙土为研究对象 ,试图寻求解决土壤水动力学特性参数问题的更加实用可行的方法。根据大量的土壤基本物理性质和土壤持水数据 ,利用多元逐步回归分析方法 ,分别建立了vanGenuchten模型的参数θr、θs、a、n的土壤传递函数模型 ,并通过统计分析和数学模拟进行模型验证。研究结果表明 ,vanGenuchten模型参数与土壤的质地、有机质含量及容重等基本物理性质有一定的线性相关性。vanGenuchten模型的参数估计模型对粘性土壤的拟合效果较好 ,而拟合砂性土壤时误差较大。

基于改进萤火虫算法的土壤水分特征曲线参数优化

针对因参数精度不足,影响相关土壤水分运动建模、仿真结果等问题,引入萤火虫算法,并将固定随机步长改进为随萤火虫间距离变化的可变步长,旨在解决土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数优化的非线性拟合问题。结果表明:对不同深度的黑土和黏土的脱湿过程进行模拟,得到优化后的相关参数及体积含水率计算值。通过与粒子群算法、遗传算法对比,表明萤火虫算法模拟结果精度高,曲线吻合性好,最大相对误差仅在2%左右,是一种高精度的优化算法,且改进之后收敛效率提高。利用萤火虫算法解决这类非线性优化问题是可行的,尤其在对精度、准确性要求较高及需为后续研究确定其他土壤水分运动参数提供准确依据的情况下,适用性更强。

辽西淋溶褐土土壤水动力学参数的推导及验证

土壤水动力学参数对指导农业生产、水利和水保工程设计是必不可少的。本文运用RETC软件,由土壤机械组成和容重推导出vanGenuchten模型的土壤持水曲线方程和土壤传导率方程,然后再对土壤持水曲线方程进行求导得出土壤比水容量方程,最后用实测结果进行验证。结果表明,土壤含水量θ(h)、土壤导水率K(h)计算值与测定值的相对误差均随着水势的降低而减小,土壤含水量的相对误差较土壤导水率低,且均小于10%,土壤导水率的相对误差范围在18%～39%。因此,运用RETC软件推导出的土壤水动力学参数还是可行的。