基于RETC与MATLAB的土壤水力学参数计算

基于RETC与MATLAB的土壤水力学参数计算汇报人：IrisLiu2013.4.19主要内容土壤水力学参数简介模型精度评价土壤水分特征曲线的确定方法RETC软件和MATLAB软件介绍实例演示土壤水力学参数简介土壤水分的动态变化是土壤-植物-大气连续体（SPAC）系统的中心环节和联系纽带。利用土壤水动力学模型模拟土壤中水分的动态变化有助于进一步认识SPAC系统的水分运移规律和水分迁移的定量关系。而计算土壤水分和水文通量最基本的方法就是非饱和土壤水分运动基本方程Richards方程：取渗透系数K(θ)和比水容量C(θ)的比值，定义为水的扩散系数D(θ)，即:对于垂向一维流，可变为：考虑一维垂向的土壤水分运动和植物根系吸水，采用以含水率θ为因变量的Richards方程表达式为:求解非饱和土壤水分运动方程进而预报非饱和土壤水分运动必须首先获得土壤水动力学参数。下面简单介绍这几个参数：1）土壤水分特征曲线：是土壤含水量和基质势的关系曲线，反映了土壤水的能量和数量关系。2）非饱和水力传导度：是反映土壤水分在压力水头差作用下流动的性能，一般在饱和土壤中导水率称为渗透系数。3）土壤扩散率D(θ)是单位含水量梯度下非饱和流的通量，其与土壤含水率θ或土壤基质势的函数关系通过试验测定。4）比水容量是指单位基质势的变化引起含水量的变化，数值上等于土壤水分特征曲线斜率的倒数。本次主要介绍土壤水分特征曲线的求解。土壤水分特征曲线的确定方法土壤水分特征曲线的确定方法直接方法间接方法负压计法砂性漏斗法压力板法稳定土壤含水率法经验公式法土壤转换函数方法分形方法人工神经网络方法在计算土壤水分特征曲线中经验公式法中应用较多的有以下几种:Brooks-Corey模型、Gardner模型、VanGenuchten模型（简称VG模型），Gardner-Russo模型。各模型表达形式如下：Brooks-Corey模型bbhh1hh)(ebeShhS)()(hhrsr式中：Se—饱和度；θ—体积含水量，cm3/cm3；h—压力水头，cm；θs—饱和含水量，cm3/cm3；α—进气压力值的倒数，即α=1/hb；λ—大于零的正常数，反应土壤空隙大小分布。VanGenuchten模型：0)1()(hhhmnrsr式中：α，n，m—经验拟合参数，m=1-1/n。其它同上。Gardner模型：bah式中：a、b为大于0的正常数。其它同上。在所有这些模型中，VanGenuchten模型以其与实测数据曲线拟合程度较好而得到广泛应用。VG模型参数的求解可以采用RETC软件、MATLAB软件和SPSS软件进行。本次主要介绍利用RETC软件、MATLAB软件进行求解。RETC软件RETC软件是由美国国家盐改中心实验室研制开发的模型，它根据1913个不同岩性的颗粒组成、干密度、土壤水分特征曲线、饱和渗透系数等实测数据，应用土壤传递函数模型（PTFs法）和神经网络技术建立了土壤水分特征曲线参数和饱和渗透系数与土壤颗粒组成、干密度之间的函数关系，从而能够从获取的某一方面资料中预测出其它难以求取的数据。RETC和MATLAB软件介绍土壤各粒径百分比实测h—θ值土壤水分特征曲线土壤容重（BulkDensity）MATLAB软件MATLAB软件是由MathWorks公司于1984年推出的，它可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解等领域的计算和图形显示功能的软件包。其函数的形式分类成库，使用时可以直接调用。本次分别调用了matlab中的非线性拟合函数lsqcurvefit和非线性回归函数nlinfit函数和nlintool函数求解VG模型中的四个参数θs、θr、α和n，并对其进行了比较分析。模型精度评价求参效果的好坏，需要对得到的拟合方程的精度进行检验和评价。通常检验的指标有拟合优度（R2）、均方根误差（RMSE）、残差平方和（RSS）。其计算公式如下：RSMENiiiNRMSE12/)(1NiiiNiiiR1212/2)()(1R2NiiiNiiiR1212/2)()(1R2RSSNiiiRSS12/)(实例演示运行结果：Matlab实例结果：函数R2RMSEMERSSlsqcurvefit0.99630.00770.00000504744.77E-04nlinfit0.99630.00770.0000145954.77E-04nlintool0.99630.00770.0000145954.77E-04计算结果表0500010000150000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土壤基质吸力h土壤含水量θlsqcurvefit函数计算结果图实测数据拟合数据02000400060008000100001200014000160000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土壤基质吸力h土壤含水量θnlinfit函数计算结果实测数据拟合数据02000400060008000100001200014000160000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土壤基质吸力h土壤含水量θnlintool函数计算结果实测数据拟合数据02000400060008000100001200014000160000.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65土壤含水量θ土壤基质吸力h三个函数拟合结果对比图实测数据lsqcurvefit拟合数据nlinfit'拟合数据nlintool拟合数据RETC实例结果：模型θrθsαnmKsVG模型0.07550.4230.01761.35930.26430.0086BC模型0.0680.3300.03560.2510.0072表2RETC拟合结果表3RETC拟合结果误差分析模型R2RMSEMERSSVG模型0.98260.00841.47E-040.0013BC模型0.97410.01024.26E-040.0019940.000.050.100.150.200.25050001000015000|PressureHead|[cm]拟合值实测值VG模型拟合结果0.000.050.100.150.200.25050001000015000|PressureHead|[cm]拟合值实测值BC模型拟合结果