基于HYDRUS-1D常水头粉土入渗的参数敏感性分析

张敬良

摘 要：本文以粉土为研究对象，在常水头渗透边界条件下，利用HYDRUS-1D构建一维渗透模型，探究六个水力参数对粉土入渗速度的影响。通过对粉土入渗水头到达观察点的时间进行记录，并进行参数敏感性分析。结果表明，在常水头渗透条件下，进气吸力倒数α对粉土入渗速度影响最大，参数敏感性最高，饱和含水率Qs，孔隙体积分布指数n，饱和渗透系数Ks，残余含水量Qr，土壤孔隙连接参数L的变化对粉土入渗速度变化均有不同程度的影响。

关键词：粉土入渗; 常水头; 参数敏感性

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 实验原理

HYDRUS-1D是由美国农业部、美国岩土实验室等机构研发的模拟非饱和介质中水、盐和溶质运移的一种模型（李玮等，2013）。该模型包含多种运移溶质、边界条件和运移模型，近年来在农业水土工程，水文资源工程和环境工程得到了广泛应用。

本次数值模拟实验中采用V-G模型，V-G模型是Rien van Genuchten 于Mualem提出的统计孔径分布模型基础上发展而来的预测非饱和渗透系数的数学模型，目前对该模型的使用较为广泛（陈铭等，2018）。

2 模型建立

2.1 数学模型的建立

一维粉土模型本文拟对粉土进行常水头渗透条件下的水力参数敏感性分析，如下图所示建立模型，一维粉土土柱高100cm，土柱上部边界条件为2cm常水头，下部边界条件为自由渗出面。在初步建立模型与边界条件后，在距离土柱顶部20cm、40cm、60cm处分别设立三个观察点，用以分析粉土下渗水头到达观察点的时间。

2.2 粉土水力参数

粉土初始水力参数如表1所示：

3 数值模拟

3.1 数值模拟结果

首先利用粉土的初始水力参数进行数值模拟，模拟结果为：下渗水头到达20cm、40cm、60cm观察点所需时间分别为0.08d、0.35d、0.67d。在此基础上，按照控制变量的方法，对六个水力参数初始值分别作减少5%和增加5%的模拟，通过对时间的变化情况进行分析来观察参数敏感性，其结果如表2所示，时间变化结果由上到下分别对应20cm、40cm、60cm处结果。

3.2 参数敏感性分析

数值模拟变化结果如表3所示，其中进气值倒数α对时间变化影响最大，其正向变化与负向变化对时间结果均有较大影响，孔隙连通参数L对时间变化影响最小，其它水力参数对结果均有不同程度的影响。

4 总结

通过建立一维粉土数学模型，设立边界条件，并利用控制变量法对粉土水力参数进行参数敏感性分析，得到以下结果：

（1）对于粉土在常水头下入渗过程，其进气值倒数α对入渗水头到达观察点的时间影响最大，孔隙连通参数L对时间结果影响最小。（2）对六个水力参数进行敏感性排序，其结果为α>Qs>Ks>Qr>n>L，其中进气值倒数α、饱和含水量Qs、饱和渗透系数Ks、残余含水量Qr对实验结果有较大影响，在入渗数值模拟中应精确取值。

参考文獻：

[1]李玮，何江涛，刘丽雅，高鹏，纪亚萍.HYDRUS-1D软件在地下水污染风险评价中的应用[J].中国环境科学，2013，33（4）：639-647.

[2]陈铭，韩明，黄双，王晶玮，袁立江，王会义，邵峰，徐耀红.包气带污染物运移过程基于HYDRUS-1D的参数敏感性分析[J].电力勘测设计，2018，S1：01-05.