基于HYDRUS-1D常水頭粉土入滲的參數(shù)敏感性分析

張敬良

摘 要：本文以粉土為研究對(duì)象，在常水頭滲透邊界條件下，利用HYDRUS-1D構(gòu)建一維滲透模型，探究六個(gè)水力參數(shù)對(duì)粉土入滲速度的影響。通過對(duì)粉土入滲水頭到達(dá)觀察點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行記錄，并進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。結(jié)果表明，在常水頭滲透條件下，進(jìn)氣吸力倒數(shù)α對(duì)粉土入滲速度影響最大，參數(shù)敏感性最高，飽和含水率Qs，孔隙體積分布指數(shù)n，飽和滲透系數(shù)Ks，殘余含水量Qr，土壤孔隙連接參數(shù)L的變化對(duì)粉土入滲速度變化均有不同程度的影響。

關(guān)鍵詞：粉土入滲; 常水頭; 參數(shù)敏感性

Abstract：Under the boundary of constant pressure head， HYDRUS-1D is used to construct a one-dimensional infiltration model to explore the influence of six hydraulic parameters on the infiltration rate of silt. By analyzing the time when the silt seepage head reaches the observation point， and performing parameter sensitivity analysis.The results show that under the condition of constant pressure head， the reciprocal of the intake suction α has the greatest influence on the infiltration rate of silt with the highest sensitivity of parameters. The saturated water content Qs、Pore volume distribution index n、saturated hydraulic conductivity Ks、residual soil water content Qr and soil pore connection parameter L have different degrees of influence on the infiltration rate of silt.

Key words：silt infiltration ; constant pressure head; parameters sensitivity

1 實(shí)驗(yàn)原理

HYDRUS-1D是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部、美國(guó)巖土實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)研發(fā)的模擬非飽和介質(zhì)中水、鹽和溶質(zhì)運(yùn)移的一種模型（李瑋等，2013）。該模型包含多種運(yùn)移溶質(zhì)、邊界條件和運(yùn)移模型，近年來在農(nóng)業(yè)水土工程，水文資源工程和環(huán)境工程得到了廣泛應(yīng)用。

本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中采用V-G模型，V-G模型是Rien van Genuchten 于Mualem提出的統(tǒng)計(jì)孔徑分布模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的預(yù)測(cè)非飽和滲透系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，目前對(duì)該模型的使用較為廣泛（陳銘等，2018）。

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

一維粉土模型本文擬對(duì)粉土進(jìn)行常水頭滲透條件下的水力參數(shù)敏感性分析，如下圖所示建立模型，一維粉土土柱高100cm，土柱上部邊界條件為2cm常水頭，下部邊界條件為自由滲出面。在初步建立模型與邊界條件后，在距離土柱頂部20cm、40cm、60cm處分別設(shè)立三個(gè)觀察點(diǎn)，用以分析粉土下滲水頭到達(dá)觀察點(diǎn)的時(shí)間。

2.2 粉土水力參數(shù)

粉土初始水力參數(shù)如表1所示：

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

首先利用粉土的初始水力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果為：下滲水頭到達(dá)20cm、40cm、60cm觀察點(diǎn)所需時(shí)間分別為0.08d、0.35d、0.67d。在此基礎(chǔ)上，按照控制變量的方法，對(duì)六個(gè)水力參數(shù)初始值分別作減少5%和增加5%的模擬，通過對(duì)時(shí)間的變化情況進(jìn)行分析來觀察參數(shù)敏感性，其結(jié)果如表2所示，時(shí)間變化結(jié)果由上到下分別對(duì)應(yīng)20cm、40cm、60cm處結(jié)果。

3.2 參數(shù)敏感性分析

數(shù)值模擬變化結(jié)果如表3所示，其中進(jìn)氣值倒數(shù)α對(duì)時(shí)間變化影響最大，其正向變化與負(fù)向變化對(duì)時(shí)間結(jié)果均有較大影響，孔隙連通參數(shù)L對(duì)時(shí)間變化影響最小，其它水力參數(shù)對(duì)結(jié)果均有不同程度的影響。

4 總結(jié)

通過建立一維粉土數(shù)學(xué)模型，設(shè)立邊界條件，并利用控制變量法對(duì)粉土水力參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，得到以下結(jié)果：

（1）對(duì)于粉土在常水頭下入滲過程，其進(jìn)氣值倒數(shù)α對(duì)入滲水頭到達(dá)觀察點(diǎn)的時(shí)間影響最大，孔隙連通參數(shù)L對(duì)時(shí)間結(jié)果影響最小。（2）對(duì)六個(gè)水力參數(shù)進(jìn)行敏感性排序，其結(jié)果為α>Qs>Ks>Qr>n>L，其中進(jìn)氣值倒數(shù)α、飽和含水量Qs、飽和滲透系數(shù)Ks、殘余含水量Qr對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大影響，在入滲數(shù)值模擬中應(yīng)精確取值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李瑋，何江濤，劉麗雅，高鵬，紀(jì)亞萍.HYDRUS-1D軟件在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（4）：639-647.

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