Physics–Informed Neural Network With Enhanced Parameter–State Coupling for Inverse Modeling of Unsaturated Flow in Heterogeneous Soils

边界(拓扑) 非线性系统 反向 土壤水分 数据同化 联轴节(管道) 人工神经网络 流量(数学) 包气带 边值问题 土壤科学 反问题 地下水 生物系统 应用数学 理查兹方程 数学优化 反演(地质) 集成学习 先验与后验 稀疏矩阵 合成数据 稳健性(进化) 同化(音韵学) 大气模式 水流 地下水模型 行星边界层 基础(线性代数) 环境科学 计算机科学 数学 算法
作者
X. Gong,Yuanyuan Zha
出处
期刊:Water Resources Research [Wiley]
卷期号:61 (9) 被引量:3
标识
DOI:10.1029/2025wr040040
摘要

Abstract Modeling unsaturated flow remains challenging due to the interplay of uncertain atmospheric forcing, parameter heterogeneity, and sparse observations. This study presents the application of physics–informed neural networks (PINNs) with Karhunen–Loève Expansion (KLE) to unsaturated flow, specifically designed to handle both soil heterogeneity and boundary uncertainty. We propose KLE–PINN–EC (Enhanced Coupling), a novel architecture that explicitly couples parameter and state representations through a branch–trunk design to enhance learning from sparse data. Through numerical experiments, we compare KLE–PINN–EC against (a) standard KLE–PINN, previously successful in groundwater modeling but untested for highly nonlinear unsaturated flow, and (b) ensemble smoother with multiple data assimilation (ES–MDA), a well–established data assimilation method. Our findings reveal that: (a) KLE–PINN successfully handles combined uncertainties in parameters and boundary conditions; (b) KLE–PINN–EC achieves superior performance over standard KLE–PINN in sparse data scenarios; and (c) while ES–MDA performs competitively when boundary timing is known, its performance degrades significantly under uncertainty in boundary timing, whereas KLE–PINN–EC maintains robust performance. These results suggest that the KLE–PINN–EC framework provides a flexible and robust alternative for characterizing unsaturated zone processes in environments where both boundary conditions and subsurface properties are poorly constrained.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
v0id应助研友_LavApn采纳,获得10
刚刚
龙在天发布了新的文献求助10
刚刚
水煮电吹风应助SSY采纳,获得10
刚刚
xing_xing应助SSY采纳,获得20
1秒前
在水一方应助细腻黄豆采纳,获得10
1秒前
直率的冰海完成签到,获得积分10
1秒前
在水一方应助快毕业吧采纳,获得10
1秒前
小蘑菇应助阿彤沐采纳,获得10
1秒前
bkagyin应助快毕业吧采纳,获得10
1秒前
科研通AI2S应助11采纳,获得10
1秒前
大个应助快毕业吧采纳,获得10
1秒前
1秒前
乐乐应助快毕业吧采纳,获得10
1秒前
共享精神应助快毕业吧采纳,获得10
2秒前
科研通AI6.4应助快毕业吧采纳,获得10
2秒前
邺yu完成签到,获得积分10
2秒前
安详的灰狼应助快毕业吧采纳,获得10
2秒前
bkagyin应助快毕业吧采纳,获得10
2秒前
科目三应助快毕业吧采纳,获得10
2秒前
2秒前
CodeCraft应助快毕业吧采纳,获得10
2秒前
2秒前
Sherry完成签到,获得积分10
2秒前
科研通AI6.4应助cxmei采纳,获得10
3秒前
科研通AI2S应助sssssss采纳,获得10
3秒前
细心山壹应助beigu采纳,获得20
3秒前
qinsu发布了新的文献求助10
3秒前
4秒前
5秒前
汉堡包应助科研小菜采纳,获得10
5秒前
斯文败类应助CindyTingwald采纳,获得10
5秒前
tlx发布了新的文献求助10
5秒前
5秒前
6秒前
6秒前
茶包关注了科研通微信公众号
6秒前
夏日的极光完成签到,获得积分10
7秒前
刚果王子发布了新的文献求助10
7秒前
Shawn发布了新的文献求助10
7秒前
dscvigykyob完成签到,获得积分10
7秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Navigating Normative Orders. Interdisciplinary Perspectives 800
Organizational Behavior 510
Management and the Arts 510
Matrix Methods in Data Mining and Pattern Recognition Second Edition 510
CLSI VET01S-2024 Performance Standards for Antimicrobial Disk and Dilution Susceptibility Tests for Bacteria Isolated From Animals (7th Ed) 500
A Case Study on Hotels as Noncongregate Emergency Living Accommodations for Returning Citizens 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 内科学 物理 复合材料 催化作用 细胞生物学 无机化学 光电子学 物理化学 电极 基因
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7756867
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9303333
关于积分的说明 20273662
捐赠科研通 7340345
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3311642
关于科研通互助平台的介绍 2462540
邀请新用户注册赠送积分活动 2325267