基于拉丁超立方抽样的改进型多链DRAM算法求解地下水污染反问题

针对运用贝叶斯统计方法求解地下水污染反问题时,经典MCMC算法(Metropolis算法)求解结果受样本初始点影响且计算效率低的问题,提出了一种基于拉丁超立方抽样方法的改进型多链延迟拒绝自适应Metropolis算法(DRAM)。将贝叶斯统计方法与二维水质对流-扩散方程相耦合,建立地下水污染源识别模型。构建一个污染物在地下水含水层中瞬时排放的算例,分别运用Metropolis算法、多链Metropolis算法以及改进型多链DRAM算法对污染源信息(污染源强度、排放位置(x,y)和排放时长)进行反求。算例研究表明,Metropolis算法受样本初始点影响,容易出现反演结果局部最优或者反演结果难以收敛的问题;多链Metropolis算法虽然显著提高了反演结果的准确性,但是反演效率相对低下;改进型多链DRAM在保证反演准确性的条件下,可显著提高反演效率(相对于多链Metropolis算法提高68%),实现反演结果准确性与效率的双提高。     

水文模型两种不确定性研究方法的比较

水文模型结构本身的缺陷、模型输入输出误差、水文模型参数冗余及其复杂的非线性联系等,导致了流域水文模型的不确定性.基于贝叶斯理论的MCMC方法及GLUE方法近年来被广泛应用于流域水文模型的不确定性研究工作中.为比较上述2种模型不确定性分析方法的分析效果及其优劣,以位于汉江流域的牧马河流域作为研究对象,采用集总式概念性水文模型SMAR模型作为实验模型,推求其模型参数的不确定性及参数的后验分布.采用基于实测流量资料估计的置信区间可靠性作为评判标准,实验结果表明:就SMAR模型而言,MCMC方法能够更好地推求模型参数的后验分布.     

基于贝叶斯-微分进化算法的污染源识别反问题

针对污染源瞬时排放的河流水污染事件反问题,通过贝叶斯统计方法和二维水质对流-扩散方程,建立水体污染识别模型,得到关于污染源强度、污染源位置和污染源排放时刻3个未知参数的后验概率密度函数。运用最大似然估计的思想,采用微分进化算法,求解使后验概率密度函数达到最大值的参数,作为模型未知参数的估计值。算例表明:运用贝叶斯微分进化算法,3个未知参数估计值迭代50次时可以达到稳定,当迭代次数达到280次时,可与真值完全重合;与贝叶斯-蒙特卡洛法相比,贝叶斯-微分进化算法可使3个未知参数估计值达到稳定时的迭代次数降低97.5%,均值误差分别减少1.69%、2.12%和4.03%,具有收敛快、精度高的特点。     

基于贝叶斯推理的标准k－ε湍流模型参数识别

为了降低湍流模型湍流参数不确定性给工程湍流问题求解带来数值误差,以后台阶流动为例研究了适用范围很广的k-ε湍流模型的参数识别问题.针对模型和实验数据的不确定性而采用了贝叶斯概率反演方法,该方法集成了有限单元法的正向计算和Metropolis-Hastings抽样算法的反向计算,从而给出在流速测量值已知的条件下标准k-ε湍流模型参数的后验概率分布.算例计算表明,采用参数识别后的参数值进行计算比传统推荐值有效地降低了数值误差.     

基于贝叶斯MCMC方法的洪水频率分析及不确定性评估

洪水设计值的计算和不确定性评估是水利工程规划和水资源管理的一个重要课题。以广义极值分布(GEV)作为洪水频率分布线型,通过基于Metropolis-Hastings抽样的贝叶斯马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法估计GEV分布参数和洪水设计值的后验概率分布,据此推求不同重现期条件下洪水设计值的点估计和区间估计。结果表明:贝叶斯MCMC方法的参数拟合效果与极大似然估计法相当,但由于其后验概率分布包含参数估计引起的不确定性,在洪水设计值不确定性评估上更有优势;贝叶斯MCMC方法得到的置信区间上限与估计值的距离大于下限与估计值的距离,这种不对称性相比于传统方法所得结果更贴近于实际,使得洪水频率分析结果的可靠性进一步提高。     

贝叶斯方法的污染源季节性排放量控制和管理

为保证水质功能区内水质达标,必须对区域内污染源排放量进行控制和管理。选取松花江哈尔滨段主要污染指标COD和氨氮为研究对象,利用一维水质模型构建各污染源排放量与河流水质之间的关系。用贝叶斯方法估计水质模型中的重要参数综合降解系数（ k）,根据估计时期的不同,分别建立季节模型和年度模型,用以控制既定水质目标下各污染源排放量。结果表明,季节模型的预测效果较好,能更好地表达水中污染物的综合降解浓度。应用季节模型和贝叶斯方法开展季节性水质管理工作,可以提供给决策者更多的信息,有助于对污染源排放量的不确定性进行量化和评估。此外,通过对比各污染源的削减水平,可得各污染源在不同时期的控制权重,从而使管理者在不同时期有针对性地对污染源排放量进行控制。贝叶斯方法在污染源排放量控制中的应用可以增强水质模型的预测能力,有效提高水质管理的水平。     

偏正态空间自回归模型的贝叶斯估计

空间自回归模型是空间计量经济学研究中的一个重要模型,主要用于刻画空间单元间的相关性.在空间自回归模型的现有研究中,大都假设响应变量服从正态分布,然而,实际的数据可能呈现出非正态的情况,此时,仍然在正态假设下作统计推断会获得不合理甚至错误的结论.基于响应变量服从偏正态分布的假设,研究偏正态空间自回归模型的贝叶斯估计.借助Gibbs抽样和MH算法相结合的MCMC算法讨论该模型的贝叶斯估计.数值模拟和实证分析表明:1)提出的偏正态空间自回归模型与传统模型相比,可以更好地拟合偏态数据;2)采用MCMC算法对模型进行贝叶斯估计,可以更精准地估计未知参数.研究结果显示:采用MCMC算法得到偏正态空间自回归模型未知参数的贝叶斯估计值更精准.     

基于DRAM的水质模拟不确定性分析和风险决策

将点源作为未知参数,结合一种新的马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)算法——延迟拒绝适应性Metropolis算法(DRAM),对钱塘江支流东阳江许村至义东桥河段的化学需氧量、氨氮、饱和溶解氧等3种指标的水质模型进行了贝叶斯参数估计.DRAM算法兼有延迟拒绝算法和适应性Metropolis算法的优点,且稳定收敛速度更快.基于抽样得到的马尔科夫链,对参数和模型误差项的后验分布进行了量化,并实现了点源的不确定性反演.用这个不确定性模型对污染物质量浓度的后验分布进行模拟,表现了良好的拟合效果.基于马尔科夫链,可对各类情景(如不同的水温、流量或点源排放情况)下的污染物超标风险进行直观的分析和预测,也易于实现敏感性分析.研究结果能帮助管理者制定不同水期的减排和调水风险决策,为钱塘江流域的水污染风险管理提供支持.     

基于贝叶斯理论的水文频率线型选择与综合

针对水文频率分析中线型的不确定性问题,利用基于贝叶斯因子理论的模型选择与综合方法进行研究.介绍了利用贝叶斯因子进行模型选择、综合的理论与方法,通过统计试验,验证了贝叶斯模型选择在一定程度上能识别数据的真实线型.结合某水库坝址洪峰流量频率分析问题,采用5种常用线型作为备选线型进行线型选择与综合,结果表明:线型的后验概率越大则可拟合越好;贝叶斯模型综合能根据各线型的后验概率设置权重进行加权平均,以此减小线型选择的不确定性.     

利用贝叶斯推理估计二维含源对流扩散方程参数

为了克服观测数据的不确定性给参数反演带来的困难,利用贝叶斯推理建立了二维含源对流扩散方程参数估计的数学模型.通过贝叶斯定理,获得了模型参数的后验分布,从而获得反问题的解.对于多参数反演问题,基于数值解计算得到的参数后验分布很难直观地表现出来,采用马尔科夫链蒙特卡罗方法对参数的后验分布进行采样,获得了扩散系数和降解系数的估计值.研究了观测点位置对计算结果的影响;同时研究了似然函数的形式对估计结果的影响,结果表明在异常值可能出现时采用Laplace分布型的似然函数可以获得稳健估计.对不同观测点数目下的估计值进行了对比,认为对于二维稳态对流扩散方程的双参数估计问题,至少需要两个观测点才有可能得到合理的解.     

基于SWAT模型的三峡库区流域污染物来源分析及重点控制区域识别

随着非点源污染逐步成为三峡库区流域污染的重要控制对象,将SWAT模型应用于三峡库区流域非点源模拟研究,以识别库区非点源污染来源关键区域.模型建立后采用2002—2008年水文、水质实测数据进行率定与验证,径流、泥沙、营养盐的评价指标ENS均达到令人满意的效果,表明SWAT模型应用于三峡库区流域是可行的.通过对三峡水库污染物的来源分析可知:三峡库区上游汇入为库区污染物的主要来源,贡献率平均为71.74%,库区流域非点源污染贡献率最高为33.03%,而库区点源污染贡献率较小,最高仅为4.17%.对库区单位面积污染负荷的模拟研究表明:三峡库区流域非点源污染物产生的关键区域主要集中在库区腹部,即小江、大宁河、汤溪河等支流流域.     

河流水质模拟的灰色有限差分解

针对河流水环境中信息的不确定性问题,将河流水流速以及弥散系数和衰减系数等参数视作未确知参量,并以灰参数的形式表示,运用灰色理论建立了河流一维水质灰色微分模型.在数值求解过程中,对一维河流水污染的灰色模型求解过程中有限差分法的截断误差进行了修正,得到了具有一种特殊结构的数值模型,并给出了求解方法.通过与解析解和没有修正的灰色解进行对比,表明没有修正的截断误差是不能忽略的.修正后的灰色数值解的灰带更窄而且更加合理.     

御临河流域农业面源污染负荷的研究

通过现场调查、现场采样和实验室分析方法进行流域农业面源污染的现状研究;采用GIS技术对重庆渝北区御临河流域地理要素进行分析,并提取地形参数;采用农业面源污染模型（AnnAGNPS）研究流域的农业面源污染负荷,标识农业面源污染负荷的空间分布和时间分布,并提出农业面源污染的控制措施.经模拟计算,御临河流域2000年产生泥沙沉积污染物为264 803.09 t;产生总氮为5 041.82 t,其中,吸附态氮为256.945 t,溶解态氮为4 784.875 t;产生总磷为123.897 t,其中,吸附态磷为67.334 t,溶解态磷为56.563 t.结果表明：农业面源污染与降雨量密切相关;农业面源污染在同一年内不同季节的污染物负荷相差悬殊,汛期浓度高,负荷量大.运用AnnAGNPS模型对御临河流域农业面源污染物输出总量进行模拟,模拟结果与实测结果在一定误差范围内基本一致,表明该模型在御临河流域的应用基本可行.     

水环境非点源污染的模型模拟

由于水环境非点源污染问题越来越受到人们的重视，非点源污染模型得以快速发展，首先简介了非点源污染模型的基本概念，然后把模型的研究发展历程划分为三个阶段，并分别进行了回顾，为了给模型的应用者提供一个简单的选择依据，文中把常用的一些模型进行了比较研究，最后还系统分析了当前模型的不足之处，概括了其研究和发展的趋势，并针对我国相关研究现状提出了建议和构想。     

一类基于反应扩散方程的连续源水污染模型

考虑具有初边值条件情况的水污染连续源模型,以反应扩散方程的形式建立模型进行模拟,并根据偏微分方程的常用解法求出解析解.     

基于未确知信息的污染源排污风险评价研究

基于河流水环境系统信息的未确知性，在将水质模型参数定义为未确知数的基础上，建立了描述污染源排污浓度与下游控制断面水质浓度关系的未确知数学模型，通过将污染源超标排污行为定义为未确知事件，建立了表征超标排污可能性大小的未确知模式研究表明，所建模型对评价河流污染源超标排污风险具有很好的适用性。     

多点输入的河流空间污染响应研究

输入响应模型是定量描述污染源与环境目标关系的有效工具.基于河流监测统计资料和多年水文数据,计算了第二松花江各断面化学需氧量输入单位污染源时对控制断面的影响系数;评价了各污染源对控制断面的贡献率,其中,饮马河输入对第二松花江出口断面的松林断面水质贡献率最大,为24.46%,镇江口、西大嘴子断面紧随其后,贡献率分别为15.29%和14.25%;可以确定河流城市段是水质改善优先控制区域.建立的输入响应模型可靠,可为制定流域水环境管理和污染防治规划提供科学依据.     

水环境中非点源污染的研究

对水环境中非点源污染的来源、特点、危害3方面进行了阐述.分析了非点源污染的研究方法,并回顾了非点源污染数学模型的发展.随着地理信息系统(GlS)、全球定位系统(GPS)和遥感技术(RS)的发展,3S技术已经成为非点源污染研究的重要工具.展望了非点源污染的研究前景.最后依据非点源污染产生的机理,从技术防治和管理防治两方面提出了非点源污染防治的有效措施.     

三峡库区香溪河流域污染负荷研究

针对三峡库区香溪河流域点源和面源污染负荷特点 ,分别建立了模糊预测模型和降雨～输沙量～污染物相关模型 ,并对污染负荷进行了分析预测 .结果表明 ,所建预测模型较传统方法有所改进 ,在香溪河流域具有很好的适用性 .在污染负荷预测基础上 ,根据三峡建库前后不同的边界条件 ,对其最大容许污染负荷量进行了初步分析计算     

缺资料流域的非点源污染模拟研究

针对非点源污染模型在缺资料流域应用较为困难的问题,以赣江袁河流域为例进行研究。通过插补延长、参数移用等技术手段处理分析,构建了基于分布式SWAT模型的袁河流域非点源污染模拟方案。对流域内水量、泥沙及主要污染物氨氮（NH3-N）和总氮（TN）模拟计算结果显示,纳西效率系数和相关系数基本达到0.7以上,模拟精度较为满意,说...