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基于TL-PINN的地下水溶质运移跨域模拟

巩慧锦 肖正旭 苏尧 陈涛

巩慧锦, 肖正旭, 苏尧, 陈涛. 基于TL-PINN的地下水溶质运移跨域模拟[J]. 地质科技通报. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202602003
引用本文: 巩慧锦, 肖正旭, 苏尧, 陈涛. 基于TL-PINN的地下水溶质运移跨域模拟[J]. 地质科技通报. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202602003
Transfer learning-enhanced physics-informed neural networks for cross-domain groundwater solute transport modeling[J]. Bulletin of Geological Science and Technology. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202602003
Citation: Transfer learning-enhanced physics-informed neural networks for cross-domain groundwater solute transport modeling[J]. Bulletin of Geological Science and Technology. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202602003

基于TL-PINN的地下水溶质运移跨域模拟

doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202602003
基金项目: 国家自然科学基金项目(42002261)

Transfer learning-enhanced physics-informed neural networks for cross-domain groundwater solute transport modeling

  • 摘要: 【目的】针对PINN用于地下水溶质运移模拟时存在的定解条件变更需重新训练、小样本下易过拟合且训练不稳定等问题,本文提出迁移学习增强框架(transfer learning-enhanced PINN,TL-PINN),以提升跨域泛化能力并降低训练成本。【方法】首先构建融合观测约束的源域PINN,在损失函数中引入物理约束与正则化约束,并采用双层权重调控机制防止过拟合,增强模型泛化能力;随后在目标域采用“浅层冻结、深层微调”的结构迁移策略。设置污染源位置迁移(目标域1)与流场方向反转(目标域2)两类跨域场景,对比不同迁移策略在精度(RMSE)、物理一致性(ADE残差均值)与训练效率方面的表现,并借助ADE残差与误差分布图评估污染羽形态偏差。【结果】TL-PINN在目标域的整体表现显著优于从头训练的PINN模型,全量微调策略在两类跨域场景中分别使RMSE下降约41.3%与41.2%,最佳迁移方案在保持精度的同时可将训练时间缩短约60%。在污染羽形态刻画方面,从头训练的PINN模型预测精度相对较低;而TL-PINN借助源域物理先验有效修正了形态偏差,显著提升了空间结构的一致性。在数据稀缺场景下,当时间样本减半时, 迁移学习使RMSE由0.424 mg/L降至0.287 mg/L,展现出良好的鲁棒性。【结论】源域模型经方程残差约束与流场表征所习得的物理先验,能够在目标域时空观测稀缺条件下有效补偿信息缺失并增强模型稳定性。“冻结第1层+深层微调”策略在预测精度与物理一致性之间达到最佳平衡,可实现污染羽形态与位置的高精度重构,并显著提升训练效率。该框架为应对因边界条件或水动力特征变化引起的地下水溶质运移模拟难题提供了高效、稳健的技术途径。

     

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出版历程
  • 收稿日期:  2026-02-03
  • 录用日期:  2026-04-21
  • 修回日期:  2026-03-25
  • 网络出版日期:  2026-04-29

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     《地质科技通报》编辑部