Volume 72, Issue 2 pp. 451-464
RESEARCH ARTICLE

The parametric uncertainty estimation of water and nitrogen transport simulation in a paddy field experiment using HYDRUS-1D

Jianmin Bian

Jianmin Bian

Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment (Jilin University), Ministry of Education, Jilin University, Changchun, China

Jilin Provincial Key Laboratory of Water Resources and Environment, Jilin University, Changchun, China

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Juanjuan Wu

Juanjuan Wu

Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment (Jilin University), Ministry of Education, Jilin University, Changchun, China

Jilin Provincial Key Laboratory of Water Resources and Environment, Jilin University, Changchun, China

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Siyu Nie

Corresponding Author

Siyu Nie

Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment (Jilin University), Ministry of Education, Jilin University, Changchun, China

School of Water Conservancy and Environment Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun, China

Correspondence

Siyu Nie, School of Water Conservancy and Environment Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130021, China.

Email: [email protected]

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Yu Wang

Yu Wang

Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment (Jilin University), Ministry of Education, Jilin University, Changchun, China

Jilin Provincial Key Laboratory of Water Resources and Environment, Jilin University, Changchun, China

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Xiaosheng Lin

Xiaosheng Lin

Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment (Jilin University), Ministry of Education, Jilin University, Changchun, China

Jilin Provincial Key Laboratory of Water Resources and Environment, Jilin University, Changchun, China

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First published: 17 January 2023

Article title in French: Estimation de l'incertitude parametrique de la simulation du transport de l'eau et de l'azote dans une experience de riziere a l'aide de HYDRUS-1D

Abstract

en

The HYDRUS model is an efficient technical means to study the process of complex nitrogen (N) transport in farmland. Nonetheless, spatial variability in soil water and N parameters has been observed at the field scale, leading to uncertainties in the HYDRUS model. In this study, the HYDRUS-1D model was corrected and verified by the measured data. Generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE) was used to estimate the uncertainty and sensitivity of the model parameters. The differences in simulated and measured data were expressed in terms of root mean square error, normalized root mean square error and coefficient of determination, and the model calibration and verification indicated that the result was reliable. The soil saturated water content, dispersion and sorption coefficient were well identified, with values ranging from 0.42 to 0.45 cm3/cm3, 0.26 to 0.29 cm and 0.141 to 0.158 L/mg, respectively. The denitrification rate and saturated hydraulic conductivity greatly influenced the uncertainty in the model results. Considering the uncertainty of the parameters, the predicted leaching of N accumulation from 0 to 100 cm depth ranged from 9.5 to 12.7 kg/ha. The HYDRUS-1D model can simulate water and N transport in paddy fields. The prediction interval can be narrowed by considering the uncertainty of the model parameters.

Résumé

fr

Le modèle HYDRUS est un moyen technique efficace utilisé pour étudier le processus de transport complexe de l'azote (N) dans les terres agricoles. Néanmoins, une variabilité spatiale des paramètres de l'eau du sol et de l'azote a été observée à l'échelle du champ, ce qui entraîne des incertitudes dans le modèle HYDRUS. Dans cette étude, le modèle HYDRUS-1D a été corrigé et vérifié par les données mesurées. La technique GLUE (Generalised likelihood uncertainty estimation) a été utilisée pour estimer l'incertitude et la sensibilité des paramètres du modèle. Les différences entre les données simulées et mesurées ont été exprimées en termes d'erreur quadratique moyenne (RMSE), de n-RMSE et de R2. La calibration et la vérification du modèle ont indiqué que le résultat était fiable. La teneur en eau saturée du sol, le coefficient de dispersion et de sorption ont été bien identifiés, avec des valeurs allant de 0,42–0,45 cm3/cm3, 0,26–0,29 cm et 0,141–0,158 L/mg, respectivement. Le taux de dénitrification et la conductivité hydraulique saturée ont grandement influencé l'incertitude des résultats du modèle. Compte tenu de l'incertitude des paramètres, le lessivage prévu de l'accumulation d'azote (N) à une profondeur de 0–100 cm était comprise entre 9,5 et 12,7 kg/ha. Le modèle HYDRUS-1D peut simuler le transport de l'eau et de l'azote dans les rizières. L'intervalle de prédiction peut être réduit en tenant compte de l'incertitude des paramètres du modèle.

DATA AVAILABILITY STATEMENT

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