基于不同优化算法的土壤水分特征曲线模型模拟性能分析

来源：水资源与水工程学报杂志2020年第4期北京时间：

作者：石文豪，李奇，韩琼，王铁军，陈喜，张永根

单位：（1.天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院,2.天津市环渤海关键带科学与可持续发展重点实验室

摘要：土壤水分特征曲线反映了包气带土壤孔隙中水分质量与能量之间的基本关系，同时也间接反映出土壤内部的孔隙情况。土壤水分特征曲线模型对实测土壤持水数据的拟合效果不仅取决于所选用的模型，还依赖于对拟合算法的选取。基于UNSODA 2.0数据库中世界各地实测土壤持水数据，采用多种高效拟合算法（遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、差分演化算法）对4种应用广泛的土壤水分特征曲线模型（Brooks-Corey模型、van Genuchten模型、Kosugi模型、Biexponential模型）进行研究，旨在获取最适宜拟合土壤水分特征曲线的模型与拟合算法。结果表明：van Geunchten模型对较细和较粗质地土壤的实测持水数据拟合效果较好；Biexponential模型在中等质地土壤类型下的拟合效果较好；而Brooks-Corey模型拟合效果整体较差；粒子群算法与差分演化算法对土壤水分特征曲线的拟合效果最佳；模拟退火算法在运算效率上高于其他算法，当需处理的数据量较大时使用该算法可显著缩短运算时间。研究成果可以为农田水利、生态水文等研究中土壤水力参数的选取提供指导和参考。

关键词：土壤水分特征曲线,拟合优化算法,van Genuchten模型,Biexponential模型,差分演化算法,粒子群算法

基金资助：国家自然科学基金项目（41807181）；NSFC-贵州喀斯特科学研究中心项目(U1612441)