[發明專利]一種基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法

有效

• 申請號: 202110654237.1
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113361170B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 周桂云
• 申請（專利權）人: 金陵科技學院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/27;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.一種基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，所述反演方法包括如下步驟：

步驟(1)：進行室內土體干燥試驗，監測土體的質量變化，獲得土體的實際蒸發量過程線，并記錄相關環境變量數據；

步驟(2)：選取FredlundXing模型來擬合水力傳導率和土水特征曲線，模型參數即為待反演參數；

步驟(3)：根據土樣的特征建立相應的有限元分析模型；

步驟(4)：由氣、液兩相流在水熱梯度作用下的運移方程和Penman-Wilson公式計算土體表面蒸發量；

步驟(5)：確定目標函數F(X)，F(X)為實測蒸發量和計算蒸發量的誤差平方和；

步驟(6)：根據目標函數，使用鯨魚優化算法反演FredlundXing模型參數。

2.根據權利要求1所述的基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，試驗土體在初始時刻為飽和土，土體干燥過程中，使用天平持續稱量土體的質量并分時間頻次定時記錄，通過試樣質量的變化確定實際蒸發量；所述相關環境變量包括溫度、濕度和風速實測數據。

3.根據權利要求1所述的基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，在所述的步驟(2)中，所述FredlundXing模型表達式如下，待反演參數確定為K_s、α、m、n、θ_s：

式中，θ為土體的體積含水量；C_h為修正函數，取1；θ_s為土體飽和體積含水量；h為負的孔隙水壓力；α、m、n為擬合參數；K_s為飽和滲透系數；j為最小負孔隙水壓力；N為最大負孔隙水壓力；i為j到N間的數值間距；θ⁰為初始體積水含量。

4.根據權利要求1所述的基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，在所述步驟(3)中，所述土樣的特征包括幾何尺寸和材料分區。

5.根據權利要求1所述的基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，在所述的步驟(4)中，所述氣、液兩相流在水熱梯度作用下的運移方程的一維形式如下：

式中，ρ為水的密度；D_v為蒸汽擴散系數；P_v為土中蒸汽壓；k_z為液態水流在豎直方向的水力傳導系數；Q_w為流量邊界；L_v為蒸發潛熱；λ為熱傳導率；T為絕對溫度；Q_t為邊界熱量；ξ為土的體積比熱；P_vs為純水飽和蒸汽壓力；h_rair為空氣相對濕度；P為土體總吸力；w為水蒸氣克分子量；R為通用氣體常數：

所述的Penman-Wilson公式為：

式中：E為計算蒸發量mm/day；Γ為飽和蒸汽壓-溫度曲線的斜率；Q為土表面凈輻射量；ν為濕度常數；E_a為潛在蒸發強度，E_a＝f(u)P_a(B-A)；f(u)為風函數，f(u)＝0.35[1+0.15u]，u為風速；P_a為蒸發面上空氣的蒸汽壓；B為空氣相對濕度的倒數；A為土表面相對濕度的倒數。

6.根據權利要求3所述的基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，在所述的步驟(5)中，所述目標函數F(X)表達式為：

式中：E_i和分別為第i時刻的蒸發量計算值和實測值；n分別為觀測頻率；X為待反演參數向量，對于所述的FredlundXing模型，對應X＝[K_s,α,m,n,θ_s]^T。

7.根據權利要求1所述的基于蒸發過程的非飽和土水力特性參數數值反演方法，其特征在于，在所述的步驟(6)中，所述的鯨魚優化算法步驟為：

(601)初始化參數，確定鯨群數量，每頭座頭鯨的位置都可視為一個候選解；

(602)隨機生成初始種群，對每個解的適應度進行評價；

(603)通過收縮包圍、螺旋更新、隨機搜索3種方式產生新解，并將其代入有限元計算模型求得計算蒸發量，通過計算目標函數評價解的適應度；

(604)不滿足收斂條件時，返回(603)，直到滿足收斂條件或循環次數后，輸出適應度最好的解，即最優的水力傳導率和土水特征曲線模型參數。