基于互信息的SWMM模型参数全局敏感性分析

采用互信息方法对SWMM模型输入参数与输出结果之间的非线性关系进行了全局敏感性分析。以山东大学千佛山校区降雨径流模拟为例,采用拉丁超立方体抽样,研究了SWMM模型模型参数对输出结果的影响程度。结果表明:峰值流量最敏感的参数为透水区曼宁糙率系数;峰现时间最敏感的参数为管道曼宁糙率系数,其次为最小渗透率;总产流最敏感的参数为最小渗透率。     

变水头入渗条件下VG模型参数变化对土壤入渗的影响

为了探究变水头入渗条件下van Genuchten模型各参数对不同质地土壤入渗特性的影响,基于HYDRUS-1D模型,采用局部分析法对不同土壤质地不同输出变量下VG模型各参数的敏感性进行分析。结果表明:各参数对压力水头的影响均随土壤质地变细而减小,且同质地土壤各参数敏感性在降雨结束时达到最大,之后随时间增加而减小;同一参数的正负扰动对累积入渗量的影响程度基本相同;n、K_s、θ_s对压力水头和累积入渗量的影响较大;VG模型各参数对不同质地土壤湿润锋运移距离的影响差异较大,各参数敏感性大小排序为:θ_sK_sαnθ_r(砂壤土)、αθ_sK_sθ_rn(壤土)、nαθ_rθ_sK_s(黏壤土)。边界条件是VG模型参数敏感性的重要影响因素之一。因此在模型应用时,应注意边界条件的选择以及参数θ_s、α、n、K_s的准确性。     

基于HYDRUS-1D模拟的降雨入渗条件下VG模型参数敏感性分析

为了定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D模型输出变量10 cm层土壤水分动态分布、累积入渗量及湿润锋运移距离的影响,分别对HYDRUS-1D模型中的VG模型的5个土壤水力参数进行单因素扰动,采用修正的Morris筛选法分析降雨入渗条件下各土壤水力参数的敏感性。结果表明:模型参数的敏感性并不是一成不变的,针对不同的输出结果,参数敏感性随时间变化规律不同,根据研究需要确定参数敏感性区间对简化试验工作具有重要意义;边界条件也是影响模型参数敏感性的重要因素之一;对于不同的受影响研究对象,5个参数的敏感性不同。因此在应用模型模拟时,应该确保高敏感性参数的准确性及边界条件的真实性。     

基于偏相关法的SWMM模型参数全局敏感性分析

基于拉丁超立方采样和偏相关分析方法,对暴雨管理模型(SWMM)中的水文水力参数进行了全局敏感性分析。以某小区为例,构建SWMM模型进行径流模拟,研究参数变化对模型输出结果的影响。结果表明:在设计降雨情景下,对峰值流量最敏感的参数是不透水区曼宁系数和子汇水区宽度比例因子;对峰值时间敏感的参数是不透水区曼宁系数、子汇水区宽度比例因子和子汇水区坡度比例因子,其他参数敏感性较小;对总产流最敏感的参数是子汇水区面积比例因子。通过分析,量化评估了各个参数的敏感性,可为精确构建模型提供指导。     

MIKE URBAN参数敏感性分析

MIKE URBAN的降雨-径流模型在国内外流域城市内涝模拟中得到广泛应用。在模型中,水文水力参数较多,各参数的变化对输出结果的影响程度有较大差异。参数敏感性分析是模型构建与应用的重要环节,其目的在于定性或定量评估模型参数对模拟结果的影响,确定参数重要程度,识别敏感参数,以提高模型参数率定的效率。以贺州城区水系流域为例,利用扰动分析的方法对Mike Urban模型中的主要参数进行敏感性分析,并采用实测数据对比较敏感以及一般敏感参数进行验证。结果表明,对洪峰流量影响最大的参数是沿程损失系数;对峰现时间影响最大的参数是集水速度;对径流总量影响最大的参数是沿程损失系数。     

基于偏相关法的暴雨管理模型参数敏感性分析

基于拉丁超立方抽样法对暴雨管理模型(SWMM)输入参数进行采样,采用偏相关法对参数进行全局敏感性分析。取某小区为研究区域构建SWMM模型,分析水文水力参数变化对模型输出变量的影响大小。研究发现,峰值流量最敏感的参数是透水区糙率系数,但该系数并不起决定性作用,它和其他较敏感参数共同决定着峰值流量的大小;峰现时间最敏感的参数是最小渗透率,但是所有参数的敏感性都较低,对峰现时间的影响都很小;总产流量最敏感的参数依次是最小渗透率、面积修正因子、渗透衰减系数和最大渗透率。通过敏感性分析识别出敏感参数,可提高参数率定效率和模拟结果的可靠性。     

WRF-Hydro模型参数在河西内陆河流域的敏感性分析

为研究WRF-Hydro模型参数在河西内陆河流域的敏感性，以西营河流域九条岭水文站以上区域为研究区，在离线模式下利用2015—2018年的全球预报系统(GFS)数据驱动WRF-Hydro模型。基于LH-OAT方法对WRF-Hydro模型的6个主要参数对不同评价指标和空间分辨率的汇流演算网格的敏感性进行了分析，定量计算了各参数的敏感性指标，划分了敏感度等级，并结合典型洪水分析了各参数对洪水过程线的具体影响。结果表明：河道曼宁糙率乘子(MANNFAC)为极敏感参数，入渗系数(REFKDT)、土壤饱和导水率(REFDK)、深层导水系数(slope)为敏感参数，地表糙率乘子(OVROUGHRTFAC)为一般敏感参数，地表持水深度乘子(RETDEPRTFAC)为不敏感参数；各参数的敏感性并不是一成不变的，参数敏感度会受到评价指标的影响，有一定程度的变化；随着汇流演算网格空间分辨率的变化，各参数全局敏感度也会有小幅变化，但参数的全局敏感度等级不发生改变；MANNFAC对峰现时间的调节效果最好，REFKDT和REFDK对洪量和洪峰流量的调节效果显著，slope可以很好地调节洪水过程线的形状。     

基于改进响应面的邓肯-张E-B模型参数全局敏感性分析

为研究邓肯-张E-B模型参数及参数之间的交互作用对大坝变形的影响,以某均质黄土坝为研究对象,利用改进的响应面方法分析了邓肯-张E-B模型参数的全局敏感性。通过部分因子设计筛选出对土坝变形影响较为显著的5个参数为R_f、γ、φ₀、K_b、K,再利用响应面方法中的中心复合设计对筛选结果做进一步的全局响应面分析,考察参数及参数之间的交互作用对土坝变形的影响。结果表明,R_f、γ、φ₀是对大坝位移敏感性最强的3个参数,这3个参数之间的交互作用对于大坝变形的敏感性同样重要,且高于单个因素的敏感性,在类似工程计算中应考虑参数之间的交互作用。     

基于Sobol方法的新安江模型参数敏感性分析

采用敏感性分析方法对复杂模型和系统的输入和输出进行定性和定量的分析,有利于模型结构的诊断、模型参数的识别和模型的应用。现以桓仁水库流域为例,使用Sobol方法,以确定性系数、总水量误差系数、低水误差系数和高水误差系数作为敏感性分析模型的目标函数,分别对模型单参数和多参数的敏感性进行了评价。结果表明不同目标函数下参数的敏感性不同;Sobol能定量地给出参数的总敏感度和参数间相互作用的敏感度,适合于分析水文模型的参数敏感性。     

基于水源热泵的地下含水层的温度场分析

地下水源热泵采能是20世纪90年代开始得到大力推广,利用该技术提出低品位、分布零散、无法直接利用的地热能源,并将其转化成高品味、高利用价值的能源。基于水源热泵分析了含水层中热量运移的数学模型的假设、模型建立、地下水流动方程、含水层中热量运移的基本数学模型的数值解法;在对井抽灌系统地温场的简析中,分析了对井系统的物理模型、对井系统的地温场表现,这一研究对于进一步推广地下水源热泵技术具有一定的理论指导意义。     

三峡库区典型支流水质模型及其参数敏感性分析

参数敏感性分析旨在确定水质模型中各参数对模型精度的影响,在利用水质模型分析时,可根据参数的敏感性精简模型中的大量参数。以三峡库区支流草堂河为例,建立相应生态动力学模型,并对模型结果进行验证,再进一步采用扰动分析法对模型中26个参数的敏感性进行了计算分析。研究结果表明:生化参数中浮游植物的最大生长率(R0)、适应温度下限(T1)、死亡线性系数(RDIE1)、光照最低值(IOPT)、消光系数(KC)、遮光系数(KW)及磷酸盐半饱和系数(KPO4)是敏感性最高的参数,其他参数敏感性相对较低;对同一参数而言,其敏感性亦会随季节改变发生变化,其敏感性一般在冬春季较低,夏秋季较高。     

二维河流水质模型方程解析解参数灵敏度分析

利用局部灵敏度分析方法和Morris全局灵敏度分析方法,分析了二维瞬时投源河流水质模型方程解析解输入参数的误差对计算结果的影响程度,分别对模型方程输入参数的灵敏度进行计算并比较,讨论了单参数及多个参数相互作用下的系统扰动对污染物浓度计算结果的影响;绘制了局部灵敏度分析法下各参数的灵敏度变化曲线。灵敏度分析结果显示:二维河流水质模型方程解析解对不同参数的敏感程度不同,其中河流的平均流速最为灵敏,而污水排放点的位置坐标的灵敏性最弱;各参数间存在着相互作用,各参数灵敏度大小顺序为|S_u|>|S_Dy|>|S_y0|>|S_x0|,但定量地分析各参数的灵敏度值却是不同的,Morris全局灵敏度分析方法综合考虑了多个参数间的相互作用,故其结果较局部灵敏度法更为可靠,更能反映实际情况。     

Multi-Objective Sensitivity Analysis of a Fully Distributed Hydrologic Model WetSpa

The application of fully distributed watershed models has the advantage of providing location-specific outputs. However, the calibration of these models is very challenging due to over-parameterization. A typical strategy is to aggregate parameters and screen out insensitive parameters in order to decrease the dimension of the problem for calibration. To ensure the validity of calibration, it is important to identify important physical processes and parameter interactions, and examine how different model setups affect model simulation. In this paper, a two-step multi-objective sensitivity analysis approach is applied to a distributed hydrologic model, the WetSpa (Water and Energy Transfer between Soil, Plant and Atmosphere), with case studies in the Chaohe Basin in China and the Margecany Basin in Slovakia respectively. This two-step global sensitivity analysis technique, incorporating the Morris method and the SDP (State Dependent Parameter) method, has proved to be effective in the two case studies. The results of two case studies show that (i) a warm-up period is essential for minimizing the impact of initial state variables to the model simulation, (ii) different objective functions lead to different sensitivity results, (iii) evapotranspiration is the most sensitive process to the model result in the two study watersheds followed by the groundwater and soil water process, and (iv) the sensitivity of snowmelt process is case dependent.     

SWAT模型的参数灵敏度分析——以贡嘎山海螺沟不同植被类型流域为例

目前分布式水文模型在我国各种流域的水文过程模拟中已得到广泛的应用,为了深入了解不同分布式水文模型参数在水文循环过程中的影响程度,文中针对贡嘎山海螺沟4种不同植被类型流域,采用扰动分析方法定义模型参数的灵敏度并根据灵敏度的取值分为5级,基于SWAT(Soil&Water Assessment Tool)分布式水文模型研究了模型参数灵敏度在年内夏季和冬季的变化及其对水文过程模拟结果的影响。计算结果表明:冬季模型参数的灵敏度普遍偏高,会出现枯水期径流过程模拟误差较大的现象,而夏季模型参数的灵敏度相对降低;但在同时模拟汛期和枯期的径流过程情况下,前者的误差会小于后者。通过对SWAT模型参数在不同植被类型流域的灵敏度分析,将会有助于减少水文模拟的不确定性或能获得更好的估计结果。     

水文模型参数的灵敏度分析

利用RSA和Sobol’两种全局灵敏度分析方法,对新安江模型中的主要产汇流参数进行了灵敏度分析,分析中采用Latin超立方采样方法,设定了模型参数的合理取值范围。参数灵敏度分析结果表明,两种方法得到的结果比较一致,流域蓄水容量是最敏感的参数,其次为汇流参数。灵敏度分析为水文模型有效的参数率定提供了技术支持。     

Comparing global sensitivity analysis for a biofilm model for two-step nitrification using the qualitative screening method of Morris or the quantitative variance-based Fourier Amplitude Sensitivity Test (FAST).

Two different methods for global sensitivity analysis were compared exemplarily for a biofilm model for two-step nitrification. Especially for biofilm models, local sensitivity analysis is not very useful as parameters can vary over a large range. Parameters that were evaluated included kinetic and stoichiometric parameters, and also biofilm parameters, such as internal and external mass transfer, the biofilm thickness, and the biomass density. Global sensitivity analyses were performed for a range of operating conditions of a biofilm reactor. The results of the qualitative screening method of Morris were compared with the results of the quantitative variance-based method FAST regarding the input parameters indicated as unimportant. Both methods resulted in similar sets of parameters with a small influence on the model output, but the screening method of Morris required a much smaller number of model evaluations to compute the sensitivity measures than the FAST method.     

一种SWAT模型参数识别的改进方法

参数的敏感性分析和不确定性分析是分布式水文模型构建的先决条件。在辽河流域建立SWAT模型,利用SWAT-CUP中的SUFI-2算法进行参数的率定,在此基础上提出一种更为简便的参数识别方法。将研究区域辽河干流的主要支流分别进行参数识别,再将SWAT-CUP中率定的最佳参数的从TXINOUT文件中提取出来,分别覆盖到SWAT模型中各对应支流子流域的TXINOUT文件中,即可得到按主要支流经过参数识别后的SWAT模型,避免了SWAT-CUP调参工具涉及众多子流域导致参数识别过于复杂的问题。结果表明,辽河干流主要支流招苏台河、清河、柴河等子流域主要水文断面率定期的平均纳什效率系数分别为0.60、0.65、0.68,验证期分别为0.60、0.72、0.77,参数率定的结果相对于全局调参有较大的改进。采用本文提出的参数识别方法,可以解决SWAT-CUP全局调参时上下游断面结果难以同时匹配或伪匹配的问题,又可以避免分区参数识别时对不同子流域的土地利用类型、土壤类型以及坡度等参数的繁琐设定,同时降低了SWAT模型手动调参的复杂程度,可较好地应用到SWAT模型参数识别过程中。