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。     

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...     

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。     

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。     

基于VIC的中小尺度黄泥庄流域径流模拟

为对黄泥庄流域水资源进行评价与规划,探讨VIC大尺度分布式水文模型在中小尺度流域上的适用性,采用VIC模型对黄泥庄流域的径流进行模拟,结果表明:VIC模型在黄泥庄流域具有较好的适用性,说明VIC大尺度水文模型在中小尺度流域具有一定适用性;月径流模拟的Nash-Sutcliffe效率系数均在0.80以上,相对误差大部分在0.10以内,满足该流域水资源评价与规划的要求;模拟过程中部分较大洪峰,VIC模型的径流模拟效果稍显欠佳,参数率定结果的不确定性也给模拟结果带来一定误差,需进一步研究改进。     

基于ＳＷＡＴ模型的汉江流域径流模拟

为建立可靠的水文水动力耦合模型,首先探讨水文模型在汉江流域的适用效果。以汉江流域汉中水文站以上区域为研究范围,以中国大气同化数据集（ＣＭＡＤＳＶ１．０）为气象驱动,建立分布式水文模型,并以水文站实测日径流资料进行参数的率定及验证。结果表明:模拟结果与实测值吻合较好,日径流模拟在校准期（２０１０年—２０１３年）纳什效率系数和决定系数达到了０．７７和０．７８,在验证期（２０１４年—２０１７年）纳什效率系数和决定系数分别为０．７４和０．７５,表明ＳＷＡＴ模型在该地区有良好的适用性。     

参数变化对HEC-HMS模型流域洪水模拟结果的影响

为分析圩院式防洪模式对流域防洪的影响,以秦淮河流域为研究区,构建HEC-HMS水文模拟模型,分析不透水率、允许水深、排涝模数的变化对流域洪峰和洪量模拟结果的影响。研究结果表明:随着流域不透水率从20%增大至70%时,圩垸式防洪模式下流域洪量和洪峰均呈现增大趋势;当圩垸允许水深增大时,圩垸式防洪模式下流域洪量呈递减趋势,而流域洪峰呈递增趋势;随着排涝模数的降低,流域的洪峰和洪量呈递减趋势。研究成果对秦淮河流域及相似流域的HEC-HMS模型洪水模拟及参数设置具有借鉴和指导意义。     

新安江模型参数线性化率定研究

包为民教授提出了非线性函数参数的线性化率定方法,解决了以误差平方和为目标函数求解非线性函数参数增加不相关的局部优值问题。为此,研究将参数线性化率定方法应用于新安江模型,并通过理想流域和实际流域验证了该方法的合理性和高效性。选取湖北乌溪沟流域43场洪水对次洪8个敏感参数同时进行线性化率定,各参数取不同的初始值均可以较快地收敛到稳定的最优值。31场洪水参与模拟,全部合格;12场洪水参与检验,全部合格。次洪模拟的合格率达到100%,确定性系数为0.923,预报等级为甲级。     

Combination of Runoff Simulation with Sediment Modeling in Rivers and Its Application in the Lower Yellow River

Abstract

Previous research on runoff show flow and sediment movement in rivers, and river bed variations are usually separated. This paper, from the point of view of the basin as a whole system, presents an integrated approach by combining runoff simulation with numerical model of sediment transport in rivers to simulate the whole processes of hydrological variables and flow-caused bed variations from the very upper part of the basin to the river mouth. To accomplish this purpose, BTOPMC, a rainfall-runoff model, and NUSTM-1D, a well-developed numerical model for sediment transport and river bed variations, are selected to form a combined model. The application of the proposed model to the lower Yellow River shows that it can properly simulate rainfall-caused runoff, the change of suspended sediment concentration along the river, and river bed variation.     

基于SWAT模型的长江源区巴塘河流域径流模拟

为了分析长江源区巴塘河流域气候变化与径流的水文响应关系,根据研究区的DEM(digital elevation model)、气象数据、土壤类型和土地利用数据,建立了SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,并选用SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting)算法进行SWAT模型参数的矫正及验证。模拟结果表明:矫正期与验证期的模拟径流量与实测流量的峰值出现月份基本一致,均在巴塘河流域的6—9月份,最小值出现月份均在巴塘河流域的1,2月份,地下水延滞参数为影响模拟结果的首要因子。矫正期与验证期的模拟径流量与实测径流量之间的确定性系数及效率系数都高于0.8,该模型对巴塘流域的模拟效果良好,但受冻土影响较大。通过径流模拟及影响因子分析,可为巴塘河流域的山洪泥石流灾害预测、风险分析与管理提供参考。     

黄河源区径流变化及原因分析

采用斯波曼秩次相关法分析了黄河源区20世纪60年代以来径流变化情况,并从降水、气温、下垫面等影响因素探讨了黄河源区径流变化原因。结果表明:①黄河源区的径流年际变化从60年代以来有明显的阶段性变化,从年内变化来看,唐乃亥站的汛期和非汛期径流量占年径流量的比例也具有阶段性变化,从80年代中期到90年代末,汛期径流量占年径流量的比例一直减少,非汛期径流量所占比例一直增大。②过去40多a来,玛多站年降水量呈现出缓慢上升的趋势,玛曲站则呈现出下降的趋势;从降水年内变化来看,雨季降水量占年降水量的比例呈减少趋势,旱季降水量占年降水量的比例呈增加趋势。因此,黄河源区降水量的变化是影响径流变化的主要原因,90年代小雨多、降雨历时长是导致径流减少的另一个原因。③黄河源区径流的变化,特别是90年代径流量的偏小和气温的直接关系不大。④植被覆盖面积的变化并不是引起径流减少的原因。     

黄河下游平面二维水沙运动模拟的有限元方法

本文以水流和泥沙运动规律的研究成果为基础，建立了平面二维水沙模型。用有限元方法导出了本模型的离散方程式，用质量集中和预估校正法处理，迭代求解方程组。     

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。