水文模型不确定性及集合模拟总体框架

水文过程集合模拟将多种确定性和不确定性方法及物理模型和数值模型进行耦合集成,是当前减少水文过程模拟预报不确定性影响的一种有效方法。本文在回顾水文模型发展历程的基础上,从模型输入、模型参数和模型结构三方面的不确定性出发,剖析了水文模型不确定性的原因,最后对水文过程集合模拟的特点、总体框架及主要方法进行了评述。     

黄河流域水沙变化趋势多模型预测及其集合评估

黄河水沙变化情势深刻影响着黄河流域水沙调控工程布局、流域内外水资源配置和跨流域调水工程建设等黄河保护与治理开发重大问题的决策。但受研究时段、方法及其边界条件等影响,黄河水沙变化预测成果差异大,难形成共识。本研究基于水沙变化归因和预测结果的不确定性解析,构建了多模型预测成果集合评估技术,预测了黄河流域未来50 a水沙量。结果表明:既有流域水沙变化归因与预测成果差异大,原因在于不同方法因数据输入、变量构成及精度评价方法差异带来的不确定性;提出了基于输入-结构-输出的模型适用性判别准则和评价技术,并基于标准化的数据输入,从数据需求、物理基础、应用效率、输出尺度和预测精度等五个维度,集合评价了现有水沙变化预测模型的适用性;构建了流域水沙变化多模型集合评价-多结果加权融合-BMA集合预测的集合评估技术,根据9类模型预测成果,集合预测了黄河流域未来50 a年径流量为240亿m³,年均输沙量为2.5亿t。     

结构不确定性分析的集合有限元法及其应用

用非概率凸集模型[3,4]反映结构参数的不确定性,结合响应面有限元法和优化理论,提出进行结构不确定性分析的集合有限元方法;该方法能解决不确定性数据信息较少、参数概率统计特性无法给出的结构可靠性问题,对于大型复杂结构不确定性分析有重要的意义;简述了响应面有限元法和非概率凸集模型,并对两种常用的凸集模型进行了比较,然后介绍了集合有限元法及其应用.     

气象集合预报的研究进展

集合预报是数值预报发展的一个重要方向,相对于单一的确定性预报,它考虑了初值及模式的不确定性,其结果反映了未来天气的多种状况,能为用户提供确定性预报所不能提供的信息(如预报结果的可信度等)。降水信息是水文预报系统的核心输入,单一的降水预报存在着不确定性,从而使得水文预报也存在不确定性。这种不确定性制约了水利工程调度的科学性。集合预报在一定程度上能解决这种不确定性。从而在水文领域,气象集合预报具有较高的应用价值。为了水文工作者能够更好地应用集合预报,本文首先基于系统的角度,对集合预报系统中的初值扰动、模式扰动和集合预报产品等研究现状及成果进行了评述,然后分析了降水集合预报产品在水文预报领域中的应用情况,最后对集合预报在水文领域中的应用进行了展望。     

水环境模型中不确定性方法研究进展

不确定性是自然现象中普遍存在的,在水环境中不确定性因素众多,也使得不确定性研究逐渐成为水环境模型研究的热点之一。对不确定性在水环境模型研究中的产生与发展进行了总结,介绍了水环境模型中常用的不确定性研究方法及其特点,并结合国内外的水环境模型,对其不确定性研究的发展趋势进行了展望。     

基于SODA方法的HyMOD模型不确定性分析

为了改进水文建模过程中的不确定性处理,采用一种融合全局优化和数据同化(Simultaneous Optimization and Data Assimilation, SODA)的混合框架,对HyMOD模型进行了不确定性分析,并与经典SCEM-UA方法进行了比较。SODA方法具有如下特点①具备较高的参数搜索效率和寻优能力;②明确考虑包括输入、输出、参数以及模型结构在内的重要不确定性来源。SODA方法在渭河流域的实例应用结果表明与SCEM-UA方法相比,SODA方法不仅显著提高了预报精度,而且推求出了性质更为优良的预报区间。SODA方法的成功应用,有助于模型概念的改进及对水文系统功能的理解。     

非点源污染不确定性研究进展

与点源污染相比,非点源污染具有随机性、间歇性、滞后性、复杂性等特点,不易控制和治理。围绕非点源污染不确定性的来源、分类和研究方法进行综述,对国内外非点源污染不确定性的研究进行概括。国外对于非点源污染不确定性问题研究较多,但是不够系统,国内则基本未见报道,非常有必要对其进行系统研究。对非点源污染不确定性研究的发展趋势进行了评述和展望。     

土壤可蚀性因子制图及其不确定性研究进展

土壤可蚀性因子是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标,也是进行土壤侵蚀预报的重要参数。为促进今后相关研究的发展,较为系统地阐述了土壤可蚀性因子、土壤可蚀性因子的空间预测以及土壤可蚀性因子制图中的误差和不确定性的国内外研究现状。分析指出,准确地制作土壤可蚀性因子空间分布图具有重要的现实意义,然而,影响土壤可蚀性因子的因素相当复杂,将土壤类型、高程、遥感等辅助信息融入空间预测,量化、分析空间预测过程中的不确定性,降低制图误差、提高精度、控制风险,成为今后研究的方向。     

基于多卫星降雨产品和多降雨径流模型的西江流域径流集合模拟

由于水文模拟不确定性的存在,单一模型获得的径流模拟结果难以满足水文精度要求。集合模拟则是减少不确定性,提高模拟精度的有效方法。现有研究多考虑水文模型的结构不确定性,将不同水文模型的径流模拟结果综合起来。但模型输入的不确定性也是水文模拟不确定性的重要来源。因此,基于贝叶斯加权平均(BMA)方法,考虑模型结构和输入的不确定性,设置了3种集合方案,对2种卫星降雨产品(TRMM、CMORPH)输入到3种水文模型(DDRM模型、新安江模型、GR4J模型)得到的径流序列进行集合,对各集合方案的模拟精度和不确定性进行分析。结果发现,不同卫星降雨产品输入到分布式水文模型中所得到的不同模拟序列具有较好的互补性,采用BMA方法对其进行集合模拟可以有效提高模拟精度,减小径流模拟不确定性。     

流域水文模型不确定性研究进展

流域水文模型不确定性显著影响模拟结果的精度,科学分析流域水文模型的不确定性是实际应用过程中的重要环节,对流域水污染科学管理具有重要意义。针对不确定性的分类,着重对近年来流域水文模型在输入数据、参数以及结构方面的不确定性研究进行总结,概述每种不确定性的来源及影响,并从降低流域水文模型不确定性的角度展望未来的研究重点和方向：(1)空间输入数据具有尺度效应,应权衡好模型尺度与计算量、精度的矛盾;(2)优化多源数据融合算法,提高降水数据的完整性和准确度;(3)探究参数动态变化和空间异质性对参数组合的影响;(4)推动并行和集群等高算力手段在多模型耦合模拟中的应用。     

水文模型参数敏感性分析方法评述

针对水文模型敏感性分析中存在的诸多问题,分析水文模型参数敏感性分析在模型构建及应用过程中的主要作用及其与不确定性分析和参数优化之间的联系,总结敏感性分析方法的3种分类,并探讨水文模型中常用的筛选法、回归分析法、基于方差的分析方法及基于代理模型技术的分析方法等4种关键技术方法,剖析水文模型参数敏感性分析方法的适用条件及优缺点,回顾各种方法在水文模型中的研究现状,提出水文模型参数敏感性分析的研究框架与步骤,指出水文模型参数敏感性分析的计算效率、可靠性和参数的相关性是未来的主要研究方向。     

Rockfill material uncertainty inversion analysis of concrete-faced rockfill dams using stacking ensemble strategy and Jaya optimizer

Numerical simulation of concrete-faced rockfill dams (CFRDs) considering the spatial variability of rockfill has become a popular research topic in recent years. In order to determine uncertain rockfill properties efficiently and reliably, this study developed an uncertainty inversion analysis method for rockfill material parameters using the stacking ensemble strategy and Jaya optimizer. The comprehensive implementation process of the proposed model was described with an illustrative CFRD example. First, the surrogate model method using the stacking ensemble algorithm was used to conduct the Monte Carlo stochastic finite element calculations with reduced computational cost and improved accuracy. Afterwards, the Jaya algorithm was used to inversely calculate the combination of the coefficient of variation of rockfill material parameters. This optimizer obtained higher accuracy and more significant uncertainty reduction than traditional optimizers. Overall, the developed model effectively identified the random parameters of rockfill materials. This study provided scientific references for uncertainty analysis of CFRDs. In addition, the proposed method can be applied to other similar engineering structures.     

A new methodology for the CFD uncertainty analysis

With respect to the measurement uncertainty, this paper discusses the definition, the sources, the classification and the expressions of the CFD uncertainty. Based on the orthogonal design and the statistics inference theory, a new verification and validation method and the related procedures in the CFD simulation are developed. With the method, two examples of the CFD verification and validation are studied for the drag coefficient and the nominal wake fraction, and the calculation factors and their interactions which would significantly affect the simulation results are obtained. Moreover, the sizes of all uncertainty components resulting from the controlled and un-controlled calculation factors are determined, and the optimal combination of the calculation factors is obtained by an effect estimation in the orthogonal experiment design. It is shown that the new method can be used for the verification in the CFD uncertainty analysis, and can reasonably and definitely judge the credibility of the simulative result. As for CFD simulation of the drag coefficient and the nominal wake fraction, the results predicted can be validated. Although there is still some difference between the simulation results and the experiment results, its approximate level and credibility can be accepted.     

基于多模式耦合的赣江流域设计暴雨估算

基于3种不同排放情景下LARS-WG天气发生器内嵌的6种大气环流模式结果,预估了21世纪3个时期赣江流域不同重现期下的设计暴雨值变化。研究表明,使用LARS-WG方法得到的暴雨系列,能得到可信的频率分析结果,基于贝叶斯模型平均方法的多模式耦合能降低预估结果的不确定性。赣江流域绝大多数站点未来设计暴雨值相对基准期减小,且变化幅度随重现期的大小而变化。设计暴雨增加或部分增加和减少的站点分别位于赣江流域上中游和中下游。在未来气候变化影响下,赣江流域按照我国现有规范计算的设计暴雨整体偏大。     

A framework for implementing spatial and temporal uncertainty in integrated water resources modelling

This study discusses research that develops a general framework and presents a specific implementation of a stochastic modelling system, using linked overland flow and routing simulation models. The specific implementation uses the Gridded Surface Sub‐surface Hydrological Analysis (GSSHA) overland flow model, and the reservoir routing and quality model CE‐QUAL‐W2, to develop the stochastic modelling system. For stochastic simulations, modellers can define up to six GSSHA parameters for stochastic treatment, select the appropriate probability density functions and range, and determine the number of runs in the simulation. The tools described herein then create the correct input and output files, run the linked simulation models using the defined stochastic parameters, and aggregate the voluminous results. Interactive tools were developed to compute credible intervals from the results, and create reports that present the variability in a manner that is easily understood and communicated. Model set‐up and development, stochastic and statistical parameter input, stochastic simulation execution and results analysis were implemented using the Watershed Modeling System, model pre‐ and postprocessing system. This study presents the tools, algorithms and user interfaces developed to implement the linked stochastic modelling system, as well as a simple example demonstrating the tools and the type of analysis supported by this system.     

贝叶斯框架下大坝渗流参数反演组合代理模型研究

渗流参数贝叶斯反演的关键在于解决对渗流正演模型大量调用而导致的计算耗时问题.现有提高贝叶斯反演计算效率的研究大多采用基于单一机器学习算法的代理模型,计算精度较低.针对上述问题,本文提出一种贝叶斯框架下大坝渗流参数反演组合代理模型.该方法在贝叶斯框架下集成支持向量回归(SVR)、Kriging和多元自适应回归样条(MAR...     

基于风险的非一致性设计洪水及其不确定性研究

研究非一致性条件下的设计洪水对水利工程规划设计、防洪决策等具有重要意义,当今国内外研究方法主要集中于时变矩法,然而,该方法对于某一设计频率推求出的每年一个设计值很难用于实际。水利工程设计需要量化两方面的基础信息,工程设计使用年限及设计使用年限内水文风险。本文尝试将水文风险的概念引入到非一致性条件下设计洪水研究当中,其中选取更具物理意义的气象因子作为洪水频率分析的协变量,进一步结合大气环流模型(General Circulation Model,GCM)输出数据的统计降尺度结果推求特定设计使用年限内某一水文风险下的设计洪水,并与传统以时间为协变量的情况进行比较。选取渭河流域洪水序列作为实例研究。结果表明:两种协变量情况下非一致性设计洪水及其95%置信区间相比于一致性假设情况存在明显差别,并且以气象因子为协变量的非一致性设计结果相比于时间为协变量更为合理。本文方法所得设计结果可为水利工程规划设计及防洪决策提供一定参考依据。     

下凹式绿地环境水文效应及运行 可行性分析

下凹式绿地不仅能很好地解决城市内涝问题,还能补充地下蓄水。通过水量平衡分析得到了不同条件下下凹式绿地的渗蓄能力,并利用对临界绿化率的计算得到了要达到零地表径流所需的绿化程度。最后,根据天津市实际情况分析下凹式绿地的可行性。