目标函数对滦河流域SWAT模型径流模拟不确定性的影响

针对水文模型参数和径流模拟结果不确定性问题,选取2Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)、改进的决定系数(R_m²)、相对误差(PBIAS)、Kling-Gupta效率系数(KGE)4种目标函数,对构建的滦河流域潘家口水库上游SWAT模型进行参数率定及验证,分析了不同目标函数下模型参数的敏感性差异及径流模拟的不确定性。结果表明：参数敏感性会随迭代次数增加和抽样范围变化发生改变,不同目标函数下率定的参数范围和最优值显著不同;NSE和KGE作为目标函数在各站点径流模拟中更稳健,分别表现出较高的模拟精度和较低的模拟不确定性。     

银北平罗地区含水层参数率定模型

为了分析我国北方地下水特性，考虑到地下水位变化受大气降大，地表水、和地下水三者相互转化的综合影响，在地下水长期观测资料基础上，以地下水水量均衡原理为依据建立了宁夏平罗地区含水层参数率定模型。率定模型共选取了降雨入渗补给量、潜水蒸发量，渠系渗漏补给量、田间入渗补给量、机井开采量、回归补给量、排向黄河排泄量、沟排量等９个因子系列，并对资料系列进行了处理改进，利用ＢＡＳＩＣ程序在计算机上进行线性回归求解     

目标函数不确定性对流域径流预报效果的影响

水文模型参数率定过程中,不同的目标函数及其组合将导致不同的径流模拟结果,进而影响到流域水文预报的精度.为此,以湿润区的嘉陵江流域为研究对象,通过设定不同目标函数及其组合方案集,采用多目标优化算法(NSGA-Ⅱ)对模型参数进行优选,并探究了不同目标函数及其组合对模型的模拟精度、不同量级流量和月尺度径流模拟的影响.结果表明...     

参数率定方案对水温数值模拟结果的影响

建立了立面二维水动力-水温模型,运用建库前天然河道及邻近区域同类型水库两组不同实测资料对模型进行参数率定。根据这两组计算参数分别模拟了验证时段内D水库水温分布,以及A水库库区水温变化过程。数值模拟结果表明,在其他条件保持一致的情况下,天然河道及邻近区域同类型水库资料均可用于数值模拟参数的率定,将两组验证参数用于实际计算时,所得结果表现出相同的规律,但具体数值存在一定差异。分析认为,邻近区域同类型水库资料验证更符合实际情况,故在此类水库水温的数值模拟中,应尽量选择邻近区域同类型水库资料作为验证资料,若在条件不足的情况下,相关的天然河道资料也可以作为参考。     

函数曲面参数率定方法在SAC 模型中的应用

传统优化算法和现代优化算法均是基于目标函数曲面寻求优值,而大多数参数率定方法的目标函数均为误差平方和。直观看来,基于误差平方和的目标函数曲面往往较参数函数曲面更为复杂。此外,这些算法常常无法证明寻得的优值是全局优值,而且计算过程较复杂,效率较低。鉴于此,提出函数曲面参数率定方法,并应用于SAC理想模型和实际模型的参数率定。首先,通过理想模型验证了该方法的可行性;其次,通过东张流域13年日资料和13场洪水验证了该方法的实际应用效果。结果表明,该方法在实际应用中是可行的、效率与精度皆较高,是一种有效的参数优选方法。     

径流与土壤湿度数据联合率定水文模型参数研究

近年来,遥感技术的进步为获取大面积连续的水文变量带来了很大的便利.为探究在流域缺资料的情况下引入其他遥感水文变量进行水文模型参数率定的可行性,以新安江模型为研究模型,使用SCE-UA(Shuffled Complex Evolution)算法对水文模型进行参数率定,分析在短序列径流资料的情况下,联合遥感土壤湿度和径流资...     

单目标和多目标优化在 SWAT 模型率定中的对比

为评估不同优化方法在分布式水文模型参数率定中的效率和效果,分别使用基于代理模型的多目标优化方法(multi-objective adaptive surrogate modeling-based optimization,MO-ASMO)、NSGA-Ⅱ和SCE-UA对SWAT模型进行参数率定。基于四湖流域2008—2021年的实测流量数据以及高程、土地利用、土壤类型等数据,构建SWAT模型,并针对3种不同优化方法的参数率定结果,采用相对误差百分比(P_BIAS)、Nash-Sutcliffe效率系数(E_NS)、均方根误差(E_RMS)和Kling-Gupta效率指标(E_KG)4种评价指标对比不同优化算法的优化效果,此外还创新性地量化不同统计指标的不确定性,以更全面地评估不同算法优化结果的稳健性与可靠性。结果表明,与单目标优化方法 SCE-UA相比,多目标优化方法的参数率定结果表现出更好的可靠性和稳健性,在多目标优化方法中,MO-ASMO方法能以显著更少的模型运行次数达到与NSGA-Ⅱ相似的优化效果。     

应用分布式水文模型优化黑龙港及运东平原农田灌溉制度Ⅰ：模型参数的率定验证

为了应用分布式水文模型优化该地区的农田灌溉制度,本文首先运用洗牌复形演化(SCE-UA)算法在曲周和吴桥两个试验站对分布式水文模型(SWAT)中的作物参数进行了率定,接着以遥感监测实际蒸散(ETa)数据为目标,在该区域应用拉丁超立方-单次单因素(LH-OAT)方法对SWAT模型中的参数进行敏感性分析,选出了对ETa最敏感的参数,用序贯不确定性(SUFI-2)算法优化出一套参数范围,最后对冬小麦-夏玉米轮作体系产量的长期模拟结果进行了验证。这些参数率定和模拟验证的结果为进一步深入研究该地区节水农业中的水分生产函数和优化灌溉制度奠定了基础。     

基于GPU加速的水文模型参数率定

针对水文模型参数率定问题,为显著提升计算效率,选择SCE-UA算法和新安江模型为研究对象,围绕SCE-UA算法并行化与程序化实现、并行SCE-UA算法在图形处理器(GPU)上的加速效果这两个关键科学问题,以GPU硬件平台和通用计算设备架构(CUDA)软件平台为工具,采用时空复杂度分析、算法并行性挖掘、代码深度优化、数值模拟实验等多种手段相结合的方法,进行了水文模型参数率定提速研究。内容包括:①搭建基于CUDA和GPU的并行计算软硬件平台,进行配置与调优;②并行SCE-UA算法及其程序化实现;③并行SCE-UA算法在GPU上的加速效果。研究结果表明:所提出的方法显著提升了参数率定效率,能够促进水文模拟、最优化方法、计算机科学与技术等多学科的交叉、融合与发展,对水文模拟与预报、防洪快速应急响应具有科学意义和实用价值。     

率定新安江模型(三水源)产汇流参数

详细介绍了新安江模型 (三水源 )结构及计算公式 ,以及如何利用优化技术 ,率定模型产汇流参数的方法 ,并给出了实际算例。计算结果表明 ,率定的模型参数 ,能够有效提高洪水预报精度。     

长江源区和黄河源区降水量变化分析

利用长江源区和黄河源区22个气象站1961—2010年的逐日降水量资料,基于正态分布和Gamma分布,从概率角度讨论了两个源区的年、季节和日降水量的变化特征。结果表明：黄河源区年平均降水量和标准差均大于长江源区,近年来长江源区降水量明显增多,两者之间差异减小。两个源区年内降水量分布很不均匀,长江源区降水量大多集中于夏季,年际间丰枯差异显著;黄河源区降水量集中于夏季,年际变率随时间变化减小,降水稳定性增加;两个源区的日降水量以小雨为主,极端日降水量可达暴雨程度,近年来,随着形状参数和尺度参数的增大,日降水量概率分布有偏度和陡峭度减小的趋势,导致日降水量有所增大,进而影响到极端日降水量,使其有增大趋势。     

气候变化对长江、黄河源区水资源的影响

利用1961—2010年长江、黄河源区22个气象站的月降水量和月平均气温资料,分析长江、黄河源区的气候特征,用降水与蒸发的差值作为水资源量的代表,分析了气候变化对水资源的影响。结果表明,长江源区和黄河源区降水、气温和蒸发都有明显变化,尤其是近20年有明显增加趋势,但是两个源区的变化并不一致,黄河源区水资源量一直呈波动变化,而长江源区在最近10多年水资源量有明显增多现象。降水增多可直接增加水资源量,但是气温升高会促进蒸发,导致更多的水资源消耗,因此降水和气温的变化可相互抵消对水资源的影响,这是黄河源区水资源量变化不大的原因。但是近10多年长江源区气温显著增加,导致更多冰川融化,这可能是近年来长江源水资源量增多的原因。     

不同潜在蒸发估算方法对黄土高原渭河径流模拟的影响研究

蒸散发是地表水文过程的重要环节,潜在蒸散发对水文过程模拟和预报具有重要影响。以渭河北道水文站上游作为研究区域,采用Penman-Monteith法和E-601型蒸发皿的潜在蒸散发数据(PET601)分别驱动SWAT模型,使用SUFI-2优化算法进行参数敏感性分析与模型率定、验证以及不确定性分析。结果表明,不同方法所得潜在蒸散发量值差异较大,都具有相似的年内分布,PET601法潜在蒸散发量低于Penman-Monteith法。使用PETP-M和PET601驱动水文模型模拟径流过程,结果显示这2种数据下的水文模拟精度较好,PET601法更适合黄土高原的渭河流域,潜在蒸散发的偏差对于水文模拟的影响由于模型参数的调整明显削弱很多。研究成果将在黄河流域生态保护中为区域蒸散发量的管理提供参考。     

黄河源区水域离子特征分析

运用数理统计方法对源区水样、土样的离子质量浓度进行分析,确定源区离子变化特征。离子的典型变化通过趋势图加以表现,具体说明当地气候条件、岩石、土壤以及水文特征对于源区干流离子质量浓度的影响,为源区水资源的保护提供依据。分析结果表明:源区作为黄河产水区,由于受到人类影响相对较小,水质较好。干流中离子质量浓度的变化主要是受当地气候、支流、土样以及水体水文特征的影响。     

黄河源区径流变化特征及影响因素研究

近年来,黄河源区水资源状况发生了较大变化,为探究黄河源区径流变化特征及影响因素,基于1961-2018年共58 a的径流和气象资料,采用Mann-Kendall检验和小波分析等方法对其进行了分析。结果表明：黄河源区径流量整体上呈现出不显著减少趋势,递减速率为-0.63×10⁸ m³/a,夏、秋季减少幅度大,冬、春季减少幅度较小;1990年前后径流量均呈现不显著增加趋势,且1990年后增加趋势明显加速,后者增幅是前者的3.09倍;1990年后,降水量和气温递增高值区高度重合,且降水量是影响径流量变化的最重要因素。说明暖湿化加速和空间迁移过程导致了黄河源区冰川的加速消融,这也是1990年后径流快速增加的主要原因。     

黄河源区多源融合降水产品综合评价及其水文效应评估

以黄河源区为研究区,对多源融合降水产品(DML-TPP)进行了综合评价,并将其与纯红外遥感降水产品PERSIANN-CCS、卫星降水产品GSMaP＿G、再分析数据集ERA5-L进行了比较。结果表明：ERA5-L对降水量存在一定程度高估,但较好地反映了整个黄河源区降水的时空格局;GSMaP＿G在降水量估算方面较其他产品表现更优秀,在以气象站插值数据率定栅格新安江模型参数的方案中,GSMaP＿G对黄河源区门玛区间的水文效应评估结果更好;在采用降水产品对栅格新安江模型进行参数率定的方案中,基于DML-TPP和ERA5-L的径流模拟在平水年表现最佳,基于GSMaP＿G的模拟结果则更好地复现了丰水年的洪峰。     

黄河源头地区泥沙来源的初步分析

黄河源头扎陵湖、鄂陵湖为吞吐湖泊,是黄河源头二大主要湖泊。扎陵湖、鄂陵湖等众多的湖泊的滞洪拦沙,使大量泥沙淤积在湖泊中,黄河源头控制站黄河沿站实测输沙量、含沙量、输沙模数也难以全面反映整个黄河源头产沙状况。在统计分析黄河沿站实测输沙量的基础上,初步分析了黄河源头泥沙来源和分布。黄河沿站泥沙主要来源于鄂陵湖出口—黄河沿站区间,同时估算了进入扎、鄂二湖沙量,年平均进入扎、鄂二湖泥沙量约为13万t左右,大部分淤积在扎陵湖内。黄河源头输沙模数呈自东向西递减的分布规律,认为在鄂陵湖以上多年平均输沙模数一般为5～10t(km·a),鄂陵湖出口以下多年平均输沙模数在20～40t(km2·a)之间。     

GLUE框架下似然函数对水文模型不确定性的影响

似然函数的选取对模型参数不确定性结果存在较大影响。本文以淮河上游大坡岭水文站控制流域为例,采用GLUE不确定性分析方法、SCE-UA优化算法与流域水循环系统模型(HEQM)耦合,探索Nash-Sutcliffe系数与水量平衡系数这两个似然函数对模型参数敏感性、取值分布特征以及不确定性的影响。结果表明:从敏感性分析结果来看,Nash-Sutcliffe系数作为似然函数时,所选择的9个参数均为敏感性参数,而水量平衡系数作似然函数时,仅有1个敏感性参数,Nash-Sutcliffe系数更适合作似然函数;从不确定性区间评价结果来看,水量平衡系数作为似然函数时,模拟结果的覆盖率和对称性均优于Nash-Sutcliffe系数。以上研究可为GLUE方法似然函数的选取提供参考,也为多目标GLUE方法中权重的分配提供理论依据。