基于HYDRUS-1D常水頭粉土入滲的參數敏感性分析

張敬良

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

關鍵詞：粉土入滲; 常水頭; 參數敏感性

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 實驗原理

HYDRUS-1D是由美國農業部、美國巖土實驗室等機構研發的模擬非飽和介質中水、鹽和溶質運移的一種模型（李瑋等，2013）。該模型包含多種運移溶質、邊界條件和運移模型，近年來在農業水土工程，水文資源工程和環境工程得到了廣泛應用。

本次數值模擬實驗中采用V-G模型，V-G模型是Rien van Genuchten 于Mualem提出的統計孔徑分布模型基礎上發展而來的預測非飽和滲透系數的數學模型，目前對該模型的使用較為廣泛（陳銘等，2018）。

2 模型建立

2.1 數學模型的建立

一維粉土模型本文擬對粉土進行常水頭滲透條件下的水力參數敏感性分析，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處分別設立三個觀察點，用以分析粉土下滲水頭到達觀察點的時間。

2.2 粉土水力參數

粉土初始水力參數如表1所示：

3 數值模擬

3.1 數值模擬結果

首先利用粉土的初始水力參數進行數值模擬，模擬結果為：下滲水頭到達20cm、40cm、60cm觀察點所需時間分別為0.08d、0.35d、0.67d。在此基礎上，按照控制變量的方法，對六個水力參數初始值分別作減少5%和增加5%的模擬，通過對時間的變化情況進行分析來觀察參數敏感性，其結果如表2所示，時間變化結果由上到下分別對應20cm、40cm、60cm處結果。

3.2 參數敏感性分析

數值模擬變化結果如表3所示，其中進氣值倒數α對時間變化影響最大，其正向變化與負向變化對時間結果均有較大影響，孔隙連通參數L對時間變化影響最小，其它水力參數對結果均有不同程度的影響。

4 總結

通過建立一維粉土數學模型，設立邊界條件，并利用控制變量法對粉土水力參數進行參數敏感性分析，得到以下結果：

（1）對于粉土在常水頭下入滲過程，其進氣值倒數α對入滲水頭到達觀察點的時間影響最大，孔隙連通參數L對時間結果影響最小。（2）對六個水力參數進行敏感性排序，其結果為α>Qs>Ks>Qr>n>L，其中進氣值倒數α、飽和含水量Qs、飽和滲透系數Ks、殘余含水量Qr對實驗結果有較大影響，在入滲數值模擬中應精確取值。

參考文獻：

[1]李瑋，何江濤，劉麗雅，高鵬，紀亞萍.HYDRUS-1D軟件在地下水污染風險評價中的應用[J].中國環境科學，2013，33（4）：639-647.

[2]陳銘，韓明，黃雙，王晶瑋，袁立江，王會義，邵峰，徐耀紅.包氣帶污染物運移過程基于HYDRUS-1D的參數敏感性分析[J].電力勘測設計，2018，S1：01-05.