分布式水文模型参数群组敏感性快速定量评估研究.pdf

水文水资源水利规划与设计 年第 期:/分布式水文模型参数群组敏感性快速定量评估研究韩 睿(辽宁省铁岭水文局 辽宁 铁岭)摘要:为提高分布式水文模型参数敏感性分析的效率 首次结合 方法 对分布式水文模型 模型进行参数群组的敏感性分析 结果表明:其下垫面综合影响参数 值对 模型水量目标影响程度最高 其参数群组的敏感度均值为 计算单元坡比 对洪水过程影响程度最低 研究成果对于分布式水文模型参数群组的敏感度快速分析具有重要参考价值关键词:分布式水文模型 参数群组 敏感性分析 方法中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:辽宁省科技攻关项目:融合多源遥感降水信息的流域暴雨洪水预报方法研究()作者简介:韩 睿(年)男 高级工程师:近些年来 随着流域下垫面数据提取技术的快速发展 分布式水文模型已经逐步成为流域水文模拟的一种有效手段 尤其是当前水利部推行以流域为控制单元 在流域内实现“预报、预警、预演、预案”亟需对流域进行分布式水文模拟后 对流域内各预报控制节点进行分布式水文模拟 分布式水文模型将流域划分成不同计算单元 对各计算单元设置参数进行洪水模拟计算 由于对不同计算单元进行参数设置 因此其分布式水文模拟参数率定的工作量较大 一次洪水模拟计算的时间较长 为提高分布式水文模型计算效率 国内针对其参数组群的敏感性分析取得一定研究成果但这些方法对于大型流域分布式水文模型参数群组敏感性分析的适用性还不高 且很难实现参数群组的快速率定 当前 一种基于曲面响应的参数群组敏感性快速分析的方法得到应用 但在分布式水文模型中还未得到相关应用 为提高分布式水文模型参数敏感性分析的效率 首次结合 方法 对分布式水文模型 模型进行参数群组的敏感性分析 研究成果对于分布式水文模型参数群组的敏感度快速分析具有重要参考价值 参数群组敏感性分析方法 方法采用抽样方法 通过建立参数之间的非线性方程进行抽样计算:()()()式中 分布式水文模型参数群组敏感度 分布式水文模型评估参数 方法对不同参数群组的组合方程进行计算:()()式中()参数群组组合计算方程 各模型参数之间的方差计算值 分布式水文模型各计算单元下的方差组合计算值 不同循环计算阶数下的方差组合计算值 不同循环阶数下的单变量参数的方差组合值按照不同循环阶数对不同参数组合方差进行敏感度计算:一阶指数:()二阶指数:()全阶指数:()式中 参数组合下的方差总值 不同单一参数的敏感度 分布式水文模型不同参数之间的关联敏感度 全部计算阶数下的参数敏感 年第 期水利规划与设计水文水资源度 分布式水文模型的参数方差总和各水文模型参数由于具有高度非线性的特点主要采用蒙特卡洛方法进行方差计算:()()()()()()()()()()()()()()()式中 蒙特卡洛算法下计算样本序列总数模型参数循环计算下的样本序列、不同参数抽样计算的序列样本群()不同抽样样本参数组群序列、抽样参数 下的样本数据序列、抽样参数 下的样本数据序列抽样函数值 抽样样本方差总值 第 组抽样样本数据序列 第 组抽样样本数据序列 不同抽样样本数据系列下方差差值不同抽样样本数据系列下方差求和值()、()不同组参数在抽样参数 和 下的抽样样本数据系列以洪水过程拟合度、相关系数、相对误差作为 方法参数评估的目标函数:/()()/()()()/()/()()()()/()式中、流量计算值和实测值/流量均值数据系列 数据系列计算长度 模型参数群组敏感性分析 模型主要参数结合 模型主要参数 以铁岭地区松树水文站以上集水区域为研究实例 模型将流域划分成 个计算水文响应单元 每个单元设置一组模型计算参数 共 组参数组合 各参数组合中重点对 模型的 个主要参数进行敏感性分析 各参数取值范围见表 表 各主要参数物理意义及变化区间参数名称物理变量意义取值范围产流影响参数 河床断面糙率 流域汇流调整系数 计算单元比降 土壤蒸发折算比例 土壤饱和含水量 地下水消退比例 基流消退比例 地下水出流下限值 不同目标函数下参数组合敏感性分析分别以水量、拟合过程、相对误差、相关系数作为 模型参数组合敏感性分析的目标函数值 分别对其不同抽样参数下一阶和全阶敏感指数进行分析 结果见表 并对各目函数下的全阶敏感指数分布进行分析 结果如图 所示从表 中可看出水量目标函数下一阶敏感程度最高的为参数 而参数 值对于过程拟合影响程度相对较低 参数 主要为流域下垫面综合影响参数 其对流域产流影响程度较高 但对于汇流影响程度相对较低 此外模型对于地下水影响的 个参数其对水量和相关系数影响程度最高对于东北地区而言 其地下水量相比较大 从全阶抽样参数下 模型各目标函数参数敏感指数分析结果可看出 各参数组合在全阶抽样参数组合下敏感指数分析结果总体和一阶抽样参数组合下敏感指数阶级 不同阶抽样参数对 模型参数敏感性总体影响程度不高 全阶参数下各目标函数下 模型参数敏感指数随着抽样阶数的变化差异程度较低 这主要因为不同阶抽样参数对 模型参数敏感性总体影响程度不高所致 从各参数组合敏感指数分布可综合分析 下垫面综合影响参数 值对 模型水量目标影响程度最高 其参数群 组 的 敏 感 度 均 值 为 计 算 单 元 坡 比 对洪水过程影响程度最高 其参数群组的敏感度均值为 水文水资源水利规划与设计 年第 期表 一阶抽样参数下 模型各目标函数下参数敏感指数参数 注:、分别为抽样参数 和 下的参数敏感指数 为水量平衡目标函数、为洪水过程拟合度目标函数、为实测值和模型计算值相关系数目标函数、为实测值和模型计算值之间相对误差目标函数 下同表 全阶抽样参数下 模型各目标函数下的参数敏感指数参数 图 全阶参数下各目标函数下 模型参数敏感指数分布 年第 期水利规划与设计水文水资源 各参数组合相关敏感指数分析在 模型单一目标函数对不同阶抽样参数组合敏感指数分析的基础上 考虑到各目标函数之间的相关性 结合 方法对 模型不同目标函数之间参数组合的相关性敏感指数进行分析 结果见表 从各目标函数下 模型参数相互作用敏感指数分析结果可看出 采用 方法分析的表 水量和过程拟合度目标函数下 模型参数相互作用敏感指数 表 相对误差和相关系数目标函数下 模型参数相互作用敏感指数 (下转第 页)年第 期水利规划与设计科研与管理研究.长江科学院院报():.吕阳阳 杨路华 王凡 等.墩头结构及间距变化对竖缝式鱼道水力 特 性 的 影 响.水 电 能 源 科 学 ():.李少科.韩江高陂水利枢纽过鱼设施研究与设计.水利规划与设计():.曹庆磊 杨文俊 陈辉.同侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟.长江科学院院报():.曹庆磊 杨文俊 陈辉.异侧竖缝式鱼道水力特性试验研究.河海大学学报(自然科学版)():.:.():.():.:():.张艳艳 何贞俊 何用 等.低水头闸坝工程鱼道过鱼效果评价.水利学报():.王晓 高雷 王珂 等.峡江水利枢纽鱼道过鱼效果的初步研究.中国水产科学():.涂志英 袁喜 韩京成 等.鱼类游泳能力研究进展.长江流域资源与环境 ():.叶智峰 朱冬舟 孙干.某鱼类栖息地修复工程实施效果研究.水利规划与设计():.杨秀荣 朱成冬 范穗兴.鱼道设计关键技术问题探讨.水利规划与设计():.王福军.计算流体动力学分析:软件原理与应用.北京:清华大学出版社:.(上接第 页)各目标函数下 模型各参数相互作用的敏感指数均低于考虑单一变量和目标函数下的参数组合敏感指数值 在多目标函数分析下各参数组合敏感指数总体差异不大 均为 值和 对各目标函数的影响程度最高 且参数组合的敏感指数也最高 由于 方法采用非线性抽样方法对分布式水文模型参数组合下进行敏感指数进行分析 也一定程度较低了单一目标函数和多目标函数下各参数组合以及相互作用敏感指数的差异性 结论()在采用 进行分布式水文模型不同计算单元参数组合的敏感性分析时 主要针对其主要参数进行敏感性分析 尤其是对产汇流影响较为主要的参数 应尽量列入 方法的不同抽样参数的样本数据序列中()采用 方法进行分布式水文模型参数组合敏感性分析时 进行分阶抽样时 其阶数应低于 阶 以免因抽样阶数过多 影响其抽样计算的时效性()本文对 进行大尺度流域分布式水文模型参数组合敏感性分析的时效性还未进行分析 存在不足 在后续研究应重点针对流域面积超过 的参数组合敏感指数进行分析参考文献 张鑫 张明浩.空间离散化对流域水文特征的影响研究.水利技术监督():.李非.法的参数群组敏感性快速定量评估分析.水利技术监督 ():.胡晓松.扩展傅里叶幅度函数在分布式水文模型参数敏感性分析中的应用.水利技术监督 ():.李谦 张静 宫辉力.基于 算法和 模型的妫水河流域水文模拟及参数不确定性分析.水文 ():.赵士鹏 廖卫红 雷晓辉 等.分布式洪水预报模型在密云水库流域的应用.中国农村水利水电():.徐会军 张鹏程 董爱红.多参数敏感度方法在分布式水文模型的应用.水利科技():.刘徽 唐仲华.基于 模型的岩溶地区地下水资源评价.安徽农业科学 ():.宋万祯 贾更华 杜小聃 等.北京市漫水河流域山区洪水模拟研究.水电能源科学 ():.徐会军 陈洋波 李昼阳 等.基于 分布式水文模型参数敏感性分析.人民长江 ():.翟春玲 余钟波 郝振纯 等.陆面 水文耦合模型系统在淮河流域的构建及应用.冰川冻土 ():.尹雄锐 章光新 杨帆 等.东北半干旱地区流域分布式水文模拟:以洮儿河流域为例.吉林大学学报(地球科学版)():.雷晓辉 田雨 贾仰文 等.模型全局参数敏感性分析及其在汉江上游流域的应用.水文 ():.雷晓辉 蒋云钟 王浩 等.分布式水文模型():应用实例.水利学报 ():.雷晓辉 廖卫红 蒋云钟 等.分布式水文模型():理论方法.水利学报 ():.雷晓辉 廖卫红 蒋云钟 等.分布式水文模型 模型.水利信息化():.