[發(fā)明專利]一種基于蒸發(fā)過(guò)程的非飽和土水力特性參數(shù)數(shù)值反演方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110654237.1
• 申請(qǐng)日: 2021-06-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113361170B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周桂云
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 金陵科技學(xué)院
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/27;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

一種基于蒸發(fā)過(guò)程的非飽和土水力特性參數(shù)數(shù)值反演方法，包括以下步驟：1)進(jìn)行室內(nèi)土體干燥試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)土體的質(zhì)量變化，獲得土體的實(shí)際蒸發(fā)量過(guò)程線，并記錄相關(guān)環(huán)境變量數(shù)據(jù)；2)選取FredlundΞ模型來(lái)擬合水力傳導(dǎo)率和土水特征曲線，模型參數(shù)即為待反演參數(shù)；3)根據(jù)土樣的特征建立相應(yīng)的有限元分析模型；4)由氣、液兩相流在水熱梯度作用下的運(yùn)移方程和Penman?Wilson公式計(jì)算土體表面蒸發(fā)量；5)確定目標(biāo)函數(shù)F(X)，F(xiàn)(X)為實(shí)測(cè)蒸發(fā)量和計(jì)算蒸發(fā)量的誤差平方和；6)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，使用鯨魚優(yōu)化算法反演FredlundΞ模型參數(shù)。本發(fā)明在提高反演精度的同時(shí)，降低了反演所需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取難度，提高了反演的效率，該方法由數(shù)值模擬蒸發(fā)過(guò)程正演分析和優(yōu)化算法構(gòu)成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程計(jì)算領(lǐng)域，特別涉及一種基于蒸發(fā)過(guò)程的非飽和土水力特性參數(shù)數(shù)值反演方法。

背景技術(shù)

巖土工程中遇到的土體大多處于非飽和狀態(tài)，與飽和土不同的是，非飽和土有固、液、氣三相，性質(zhì)更為復(fù)雜。飽和土轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡屯恋淖钪饕蚓褪呛实淖兓陲柡蛥^(qū)，土體含水率為定值，一般稱為飽和含水率；在非飽和區(qū)，土體含水率為基質(zhì)吸力的非線性函數(shù)，一般稱為土壤水分特征曲線。而含水率的變化直接影響著巖土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，例如路基的不均勻沉降、黃土濕陷、基坑和邊坡的失穩(wěn)等。水力傳導(dǎo)率和土水特征曲線是表征非飽和土水力特性的主要參數(shù)，是建立非飽和土體水分運(yùn)移模型的基礎(chǔ)，其參數(shù)的準(zhǔn)確性是制約非飽和區(qū)水分運(yùn)移模型精度的關(guān)鍵因素。

目前，非飽和土水力傳導(dǎo)率和土水特征曲線通常采用VG模型和FredlundXing模型來(lái)描述，這兩種模型都需要確定諸多模型參數(shù)。這些參數(shù)可借助諸多試驗(yàn)室和田間方法直接測(cè)量，但是通過(guò)試驗(yàn)方法獲取土水特征曲線存在一定的難度，一是土水特征曲線試驗(yàn)專業(yè)性強(qiáng)、價(jià)格高昂且試驗(yàn)周期長(zhǎng)；二是試驗(yàn)結(jié)果存在明顯的不確定性。因此，近年來(lái)數(shù)值反演方法在非飽和土水力特性參數(shù)的確定中得到了廣泛應(yīng)用。

但目前非飽和土水力特性參數(shù)的數(shù)值反演方法大多建立在降雨或積水入滲等吸濕過(guò)程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，而吸濕過(guò)程的試驗(yàn)技術(shù)難度較大。另一方面非飽和水力特性參數(shù)反演是典型的非線性問(wèn)題，傳統(tǒng)反演方法都需要進(jìn)行大量的正演計(jì)算，當(dāng)反演參數(shù)較多時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)收斂困難，效率低等局面。因此亟待一種基于蒸發(fā)過(guò)程且反演效率較高的反分析方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)的不足，提供一種非飽和土水力特性參數(shù)的反演方法，在提高反演精度的同時(shí)，降低了反演所需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取難度，提高了反演的效率，該方法由數(shù)值模擬蒸發(fā)過(guò)程正演分析和優(yōu)化算法構(gòu)成。

所述的優(yōu)化算法采用鯨魚優(yōu)化算法(WOA)，該算法是Mirjalili和Lewis提出的一種新型智能算法，屬于群智能優(yōu)化算法中的一員。鯨魚算法具有概念簡(jiǎn)單、控制參數(shù)較少、全局搜索能力強(qiáng)，收斂速度快等特點(diǎn)。

本發(fā)明提供一種基于蒸發(fā)過(guò)程的非飽和土水力特性參數(shù)數(shù)值反演方法，所述反演方法包括如下步驟：

步驟(1)：進(jìn)行室內(nèi)土體干燥試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)土體的質(zhì)量變化，獲得土體的實(shí)際蒸發(fā)量過(guò)程線，并記錄相關(guān)環(huán)境變量數(shù)據(jù)；

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

步驟(3)：根據(jù)土樣的特征建立相應(yīng)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(yùn)移方程和Penman-Wilson公式計(jì)算土體表面蒸發(fā)量；

步驟(5)：確定目標(biāo)函數(shù)F(X)，F(xiàn)(X)為實(shí)測(cè)蒸發(fā)量和計(jì)算蒸發(fā)量的誤差平方和；

步驟(6)：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，使用鯨魚優(yōu)化算法反演FredlundXing模型參數(shù)。