基于RETC及MATLAB的土壤水力學參數(shù)計算

1、基于基于RETC與與MATLAB的土壤的土壤水力學參數(shù)計算水力學參數(shù)計算匯報人：Iris Liu2013.4.19主要內(nèi)容主要內(nèi)容土壤水力學參數(shù)簡介 模型精度評價土壤水分特征曲線的確定方法RETC軟件和MATLAB軟件介紹 實例演示土壤水力學參數(shù)簡介土壤水力學參數(shù)簡介 v土壤水分的動態(tài)變化是土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)和聯(lián)系紐帶 。利用土壤水動力學模型模擬土壤中水分的動態(tài)變化有助于進一步認識SPAC系統(tǒng)的水分運移規(guī)律和水分遷移的定量關系。而計算土壤水分和水文通量最基本的方法就是非飽和土壤水分運動基本方程Richards方程 ： v 取滲透系數(shù)K()和比水容量C()的比值，定

2、義為水的擴散系數(shù)D()，即:對于垂向一維流，可變?yōu)椋嚎紤]一維垂向的土壤水分運動和植物根系吸水，采用以 含水率 為因變量的 Richards 方程表達式為:v求解非飽和土壤水分運動方程進而預報非飽和土壤水分運動必須首先獲得土壤水動力學參數(shù)。下面簡單介紹這幾個參數(shù)： 1）土壤水分特征曲線：是土壤含水量和基質(zhì)勢的關系曲線，反映了土壤水的能量和數(shù)量關系。 2）非飽和水力傳導度：是反映土壤水分在壓力水頭差作用下流動的性能，一般在飽和土壤中導水率稱為滲透系數(shù)。 3）土壤擴散率D()是單位含水量梯度下非飽和流的通量，其與土壤含水率或土壤基質(zhì)勢的函數(shù)關系通過試驗測定。 4）比水容量是指單位基質(zhì)勢的變化引起含水

3、量的變化，數(shù)值上等于土壤水分特征曲線斜率的倒數(shù) 。 本次主要介紹土壤水分特征曲線的求解。土壤水分特征曲線的確定方法土壤水分特征曲線的確定方法土壤水分特征曲線的確定方法土壤水分特征曲線的確定方法直接方法直接方法間接方法間接方法負壓計法負壓計法砂性漏斗法砂性漏斗法壓力板法壓力板法穩(wěn)定土壤含水率法穩(wěn)定土壤含水率法經(jīng)驗公式法經(jīng)驗公式法土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)方法土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)方法分形方法分形方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法 在計算土壤水分特征曲線中經(jīng)驗公式法中應用較多的有以下幾種:Brooks-Corey模型、Gardner模型、Van Genuchten模型（簡稱VG模型），Gardner-Russo模型。各

4、模型表達形式如下：vBrooks-Corey模型bbhh1hh )(ebeShhS)()(hhrsr式中：Se飽和度； 體積含水量，cm3/cm3； h壓力水頭，cm； s飽和含水量，cm3/cm3； 進氣壓力值的倒數(shù)，即=1/hb； 大于零的正常數(shù)，反應土壤空隙大小分布。vVan Genuchten模型：0)1 ()(hhhmnrsr式中：，n，m經(jīng)驗擬合參數(shù)，m=1-1/n。其它同上。vGardner模型：bah式中：a、b為大于0的正常數(shù)。其它同上。在所有這些模型中，Van Genuchten模型以其與實測數(shù)據(jù)曲線擬合程度較好而得到廣泛應用。 VG模型參數(shù)的求解可以采用RETC軟件、MA

5、TLAB軟件和SPSS軟件進行。本次主要介紹利用RETC軟件、MATLAB軟件進行求解。 vRETC軟件 RETC軟件是由美國國家鹽改中心實驗室研制開發(fā)的模型，它根據(jù)1913個不同巖性的顆粒組成、干密度、土壤水分特征曲線、飽和滲透系數(shù)等實測數(shù)據(jù)，應用土壤傳遞函數(shù)模型（PTFs法）和神經(jīng)網(wǎng)絡技術建立了土壤水分特征曲線參數(shù)和飽和滲透系數(shù)與土壤顆粒組成、干密度之間的函數(shù)關系，從而能夠從獲取的某一方面資料中預測出其它難以求取的數(shù)據(jù)。RETC和和MATLAB軟件介紹軟件介紹土壤各粒徑百分比土壤各粒徑百分比實測實測h值土壤容重（土壤容重（Bulk Density）vMATLAB軟件 MATLAB軟件是由M

6、ath Works公司于1984年推出的，它可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解等領域的計算和圖形顯示功能的軟件包。其函數(shù)的形式分類成庫，使用時可以直接調(diào)用。本次分別調(diào)用了matlab中的非線性擬合函數(shù)lsqcurvefit和非線性回歸函數(shù)nlinfit函數(shù)和nlintool函數(shù)求解VG模型中的四個參數(shù)s、r、和n，并對其進行了比較分析。模型精度評價模型精度評價v求參效果的好壞，需要對得到的擬合方程的精度進行檢驗和評價。通常檢驗的指標有擬合優(yōu)度（R2）、均方根誤差（RMSE）、殘差平方和（RSS）。其計算公式如下：RSMENiiiNRMSE12/)(1NiiiNiiiR1212/2)

7、()(1R2NiiiNiiiR1212/2)()(1R2RSSNiiiRSS12/)(實例演示實例演示v 運行結果：Matlab實例結果：函數(shù)R2RMSEMERSSlsqcurvefit 0.99630.00770.00000504744.77E-04nlinfit0.99630.00770.0000145954.77E-04nlintool0.99630.00770.0000145954.77E-04計算結果表0500010000150000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土 壤 基 質(zhì) 吸 力 h土壤含水量lsqcurvefit函 數(shù) 計 算 結 果 圖

8、 實 測 數(shù) 據(jù)擬 合 數(shù) 據(jù)02000400060008000100001200014000160000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土 壤 基 質(zhì) 吸 力 h土壤含水量nlinfit函 數(shù) 計 算 結 果 實 測 數(shù) 據(jù)擬 合 數(shù) 據(jù)02000400060008000100001200014000160000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土 壤 基 質(zhì) 吸 力 h土壤含水量nlintool函 數(shù) 計 算 結 果 實 測 數(shù) 據(jù)擬 合 數(shù) 據(jù)02000400060008000100001200014000160000

9、.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土壤含水量土 壤 基 質(zhì) 吸 力 h三 個 函 數(shù) 擬 合 結 果 對 比 圖 實 測 數(shù) 據(jù)lsqcurvefit擬 合 數(shù) 據(jù)nlinfit擬 合 數(shù) 據(jù)nlintool擬 合 數(shù) 據(jù)v RETC實例結果：模型rsnmKsVG模型0.0755 0.423 0.0176 1.3593 0.2643 0.0086 BC模型0.0680.3300.03560.2510.0072表2 RETC擬合結果表3 RETC擬合結果誤差分析模型R2RMSEMERSSVG模型0.98260.00841.47E-040.0013BC模型0.97410.01024.26E-040.0019940.000.050.100.15