تخمين پارامترهاي هيدروليكي خاك‌هاي داراي اشباع‌شدگي متغير به‌‌روش مدل سازي معكوس و بهره‌گيري از داده‌هاي توزيع مجدد رطوبت

Estimation Variably Saturated Soil Hydraulic Parameters via Inverse Modeling and using Redistribution Experiment Data

مدل سازي جريان آب و انتقال مواد محلول در محيط هاي متخلخل داراي اشباع شدگي متغير نيازمند اطلاعات تكميلي و دقيق خصوصيات هيدروليكي خاك مي باشد. خصوصيات هيدروليكي كه در اين مطالعه با استفاده از حل معكوس تعيين شده اند هدايت هيدروليكي غير اشباع K(h) و تابع نگهداشت آب theta (h) مي باشد. در روش حل معكوس فرض مي شود كه K(h) و theta (h) را همانند پارامترهاي انتقال به صورت هم زمان و با استفاده از داده هاي جريان ناپايدار و به كارگيري آنها در حل معكوس معادلات حاكم بر جريان و انتقال مواد تعيين كرد. به منظور دستيابي به نتايجي واحد، قابل شناسايي و پايدار در موقعيت ها و شرايط مختلف آزمايشي، آزمايش عددي جديد توزيع مجدد مورد ارزيابي و استفاده قرار گرفت. براي مطالعه شكل تابع هدف در حالت كمترين مقدار آن، سطوح پاسخ براي پارامترهاي تخميني تهيه شد. حساسيت خروجي هاي مدل نسبت به تغيير پارامترهاي ورودي نيز محاسبه و تحليل شد. نتايج آزمايش توزيع مجدد نشان مي دهد زماني كه متغيرهاي خروجي هاي مدل به اندازه كافي به پارامترهاي بهينه شده حساس نيست عدم يگانگي جواب افزايش مي يابد. مقادير تخميني پارامترها به بزرگي خطاي داده هاي اندازه گيري شده حساس است. در اين آزمايش، تخمين پارامتر بر اساس داده هاي بار فشار حل يگانه اي را در اختيار قرار مي دهد. به دليل جريان ترجيحي در نمونه، مشاهدات كشش سنجي مي تواند نتايج اشتباهي براي حل معكوس مساله مورد نظر ارائه دهد. استفاده از اطلاعات هدايت هيدروليكي مي تواند يگانگي جواب را بيشتر كرده و خطاي تخمين پارامترهاي تجربي alpha و n را كاهش دهد. آناليز حساسيت مي تواند ابزار مفيدي براي تعيين زمان بهينه و توزيع موقعيت نقاط مشاهداتي در آزمايش باشد.

Modeling of flow and transport processes in variably saturated porous media requires detailed knowledge of the soil hydraulic properties. The hydraulic properties to be determined by the inverse problem solution are the unsaturated hydraulic conductivity K(h) and the water retention curve theta (h). The inverse modeling approach assumes that both theta (h) and K(h) as well as transport parameters can be determined simultaneously from transient flow data by numerical inversion of the governing flow and transport equations. In order to find answers to the questions of uniqueness, identifiability and stability of different experimental setups, a new numerical experiment of redistribution was carried out. To study the shape of the objective function near its minimum, response surfaces for the estimated parameters were generated. The sensitivity of model outputs with respect to changes in input parameters was also computed and analyzed. Results of the redistribution experiment suggest that the nonuniqueness increases when the model output variables are not sensitive enough to the optimized parameters. As expected, the estimated values of parameters were sensitive to the magnitude of error in the measured data. In this experiment, the parameter estimation based on the pressure head observations provides unique solution. Due to preferential flow in the sle, tensiometric observations may provide poor results for inverse problem solution. Taking into account information about saturated hydraulic conductivity, Ks improved the likelihood of uniqueness and reduced the errors in parameter estimation of the shape parameters (alpha , n). It was found that the sensitivity analysis could be a useful tool to design the optimal time and location distribution of experimental observations.