一维水流及溶质运移对VG模型参数的敏感性分析

为了研究VG模型中5个参数的扰动对压力水头和溶质运移的影响,采用Hydrus-1d构建一维非饱和数值模型,以NaCl为模拟溶质,以壤土的经验参数构建基准模型,并在基准情景的基础上对VG模型各参数上下扰动5%、10%,代入模型重新模拟,得到各情景下压力水头和溶质浓度随深度的变化规律,并在此基础上对各参数进行了敏感性分析。结果表明:5个参数对压力水头和溶质运移的影响规律不尽相同,压力水头对5个参数的敏感度大小关系为:θrαnK_sθ_s,而溶质运移对5个参数的敏感度大小关系为:θ_rαK_sθ_sn;θ_r、n、K_s的影响规律均为正相关,其负扰动对压力水头的影响大,而正扰动对溶质运移的影响大;θ_s、α的影响为负相关,其正扰动对压力水头的影响大,而负扰动对溶质运移的影响大;随着模拟时间的推移,θ_s、K_s、n对压力水头的敏感度指数呈上升趋势,而α和θ_r则呈先上升后下降的趋势;n、θ_s、K_s、α、θ_r对溶质运移的敏感度均呈现先增大后减小的趋势。     

SWMM模型参数全局敏感性分析

为有效评估暴雨管理模型(SWMM)输入参数对水文输出变量的影响程度,识别出敏感参数,为高效率定奠定基础,采用两种全局敏感性分析方法对暴雨管理模型(SWMM)中与降雨产流模拟有关的参数进行全局敏感性分析。基于拉丁超立方法对输入参数进行采样,以某小区为例建立SWMM模型进行模拟,分别采用偏秩相关分析法和互信息法分析参数对输出结果的影响。分析得知:对峰值时间影响最大的参数是管道糙率系数,管道糙率系数和峰值时间呈负相关;对峰值流量影响最大的参数是透水区的糙率系数,透水区糙率系数和峰值时间呈负相关;对总产流量影响最大的参数是管道糙率系数,管道糙率系数和总产流量呈负相关。研究表明偏秩相关分析方法和互信息分析方法都有自己的局限性,将两种方法共同使用,能够精确识别所有敏感参数。     

ICM模型的水文参数局部灵敏度及其稳定性分析

将城市综合流域排水模型(ICM,Integrated Catchment Management Model)应用于武汉长江隧道及其周边区域,采用2013年7月的3场独立场次降雨资料对模型进行率定。在此基础上利用修正的Morris筛选法定量分析ICM模型中水文参数的局部灵敏度,并采用统计学方法分析各参数敏感度值的稳定性,为模型的参数率定提供参考。结果表明,对于径流系数,产流表面不透水率是敏感参数;对于流量峰值,产流表面不透水率为高敏感参数,汇水区面积,产流表面坡度和汇流参数为敏感参数。不同场次降雨模型的参数敏感度值具有较大差异性,初损对径流系数和流量峰值的输出影响最不稳定,表现在变异度最大,高达107.7%和244.95%,而管道长度和管道曼宁系数最稳定,变异系数都为0。     

基于LH-OAT的马斯京根模型参数全局敏感性分析

为定性了解参数C_0、C_1、C_2对马斯京根模型模拟洪水流量的影响程度,引入Latin-Hypercube抽样算法,并结合OAT方法,对马斯京根模型参数进行全局敏感性分析。改变了传统通过率定K、x值来计算C_0、C_1、C_2值的方式,直接对参数C_0、C_1、C_2进行全局敏感性分析,模型参数的敏感性分析分别以径流量和洪峰流量为评价目标。研究结果表明,对径流量:河道处于涨水阶段时,参数C_0较敏感,C_1、C_2一般敏感;河道处于落水阶段时,参数C_2较敏感,C_0、C_1一般敏感。对洪峰流量:参数C_0、C_1的敏感性相对前一时段的敏感性减弱,C_2的敏感性相对增加。改变某一组参数的扰动幅度(10%、20%、30%),参数C_0、C_1、C_2的敏感度随着扰动幅度的增大而增大。在敏感性分析的基础上,按敏感性顺序进行参数的率定,可提高69%的率定效率,减少模型参数率定的盲目性。     

BTOPMC模型参数敏感性的定性及定量分析

敏感性分析(SA)是用于识别模型重要参数的最具有影响力的方式。以富士川流域作为研究区,对包含5个具有明确物理意义的参数的分布式水文物理模型BTOPMC进行敏感参数筛选。利用Morris One At A Time(MOAT)方法,在适当的采样设计和有效筛选敏感参数所需的足够样本大小条件下定性分析BTOPMC模型参数敏感性。根据输出结果发现,该模型中的敏感变量有9～12个,涉及到的参数有S_(rmax)(m)、m(m)和n_0。此外,采用基于导数的全局敏感度量(DGSM)这一定量方法验证定性分析的结果并量化所有参数的重要性,该方法所得结果与定性分析结果基本一致。     

基于SWAT模型的西江流域径流模拟研究

采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,在整个珠江流域构建分布式水文模型,对西江流域1951~2008年的月径流过程进行模拟。选取西江流域的迁江、柳州、武宣3个水文站的径流数据,利用SWAT模型自带的敏感性分析模块和自动率定模块,采用LH-OAT敏感性分析方法和SCE-UA算法分别对选取的各参数进行敏感性分析和参数率定,并对率定模型进行验证。敏感性分析结果表明,不同的参数对流域月径流过程表现出不同程度的敏感度,其中CN2、ESCO、SOL_AWC、CH_K2和ALPHA_BF的敏感度较高,是较敏感因子。从率定和验证结果来看,3个水文站的径流模拟效果均较好,Nash-Suttcliffe效率系数ENS均在0.75以上,其中柳州站和武宣站率定期和验证期的ENS在0.8以上。SWAT分布式水文模型在西江流域月径流模拟中的应用效果良好。     

Van Genuchten模型参数变化对土壤入渗特性的影响分析

基于HYDRUS-1D模型,分析不同土壤条件下Van Genuchten模型参数θr、θs、α、n和Ks对入渗特性的影响,结果表明:湿润锋运移距离与n和Ks成正相关,与θs和α成负相关;累积入渗量与θs、n和Ks成正相关,与α成负相关;θr对土壤入渗特性基本无影响;随着土质由细变粗,α和n对入渗特性影响逐渐减小,Ks的影响逐渐增大,而θs对湿润锋的影响逐渐增大,对累积入渗量的影响逐渐减小;对于粉壤土,参数的影响程度为nθsKsαθr;对于壤土,参数的影响程度为θsnKsαθr;对于砂壤土,参数的影响程度为θsKsnαθr;对于砂土,参数的影响程度为θsKsnαθr。因此,在推求VG模型参数时应优先保证θs、n和Ks准确。     

基于偏秩相关-逐步回归法的SWMM模型全局敏感性分析

为了识别影响暴雨洪水管理模型(SWMM)的敏感性因素,给后续的模型率定和不确定性分析提供指导和参考,基于拉丁超立方抽样技术对各个参数进行抽样,分别以逐步回归法和偏秩相关法对SWMM模型进行全局敏感性分析,并以山东大学千佛山校区为例。结果表明:不透水区曼宁系数是对峰值时间和峰值流量最敏感的参数,并且随着不透水区曼宁系数的增大,峰值时间增大、峰值流量变小;汇水区面积比例因子是对总产流最敏感的参数,并且随着汇水区面积比例因子的增大,总产流量增大。逐步回归法和偏秩相关法都是线性分析方法,两种方法的对比使用,能够更加精确的识别SWMM模型的敏感性参数,对于精确建模和高效率定具有一定的借鉴意义。     

基于遗传算法的SWMM模型参数率定研究

针对SWMM模型参数繁多,率定困难的问题,采用Morris法进行全局敏感性分析,选取敏感参数,基于MATLAB遗传算法对敏感参数进行率定。案例研究结果表明,遗传算法能有效地完成率定过程,率定后各参数的取值分别为最大渗透速率50.25,最小渗透速率12.61,管道曼宁系数0.018 2,不透水区曼宁系数0.008 7,该场次降雨下目标函数Nash-Sutcliffe效率系数值为0.726 1。该方案可以应用于实际工程的参数率定过程,并得出与实测结果最接近的参数组合,提高模拟的精度及稳定性。     

连杆式机动水稻插秧机万向联轴系统的运动分析

以 2 ZT-935 型水稻插秧机为例,对不等角速双万向联轴器的输入轴 1与输出轴 3的运动关系进行了深入研究,比较精确地推导出轴1、3与中间轴2的夹角θ_1、θ_3(见图1)随转弯角度β变化的关系式,绘制了轴3的角速度ω_3、角加速度α_3的变化规律曲线图。为分析插秧系统的运动学、动力学问题和插秧质量提供了依据。     

微咸水膜下滴灌条件下西葫芦生长模型及参数研究

为量化不同矿化度灌溉水对西葫芦生长动态过程的影响,采用Logistic、Mitscherlich、Gompertz、Korf和Richards模型对西葫芦生长动态过程进行模拟并对模拟效果进行了分析评价,并进一步揭示了灌溉水矿化度对西葫芦物候期参数和生长参数的影响。动态过程模拟的准确程度依次为:LogisticGompertzRichardsKorfMitscherlich,说明,西葫芦生长动态过程的定量描述宜采用Logistic模型。不同矿化度灌溉水处理下西葫芦线性生长期起始点和结束点出现的快慢程度均表现为:K_(5.1)K_(3.5)K_(1.7),线性生长期持续时间长度表现为:K_(1.7)K_(3.5)K_(5.1)。不同矿化度处理后的西葫芦平均线性生长速率和最大线性生长速率大小均表现为:K_(3.5)K_(5.1)K_(1.7),线性生长量大小表现为:K_(3.5)K_(1.7)K_(5.1)。     

MIKE11模型的参数全局敏感性分析

为了对MIKE11模型计算过程的不确定性进行控制,提高模型率定效率和计算精度,运用LH-OAT参数敏感性分析法对张家港市MIKE11模型参数进行全局敏感性分析。考虑了不同降雨强度、雨型和扰动幅度对参数敏感性的影响,研究选取了3场降雨,10个参数,6种扰动幅度和2项评价指标。研究结果表明河道糙率对洪峰流量影响最大,径流量主要由根区储水层最大含水量、坡面流产流系数和坡面流根区土壤含水量阈值影响。模型的参数灵敏度也会根据降雨强度、雨型和评价目标不同而产生相应波动。通过假定最优参数法证明选用敏感参数可提高59%以上的率定效率。     

塿土土壤水力特性空间变异的多重分形分析

为探讨塿土土壤水力特性的空间分布特征,对杨凌示范区大寨乡小麦与玉米轮作地进行直线分布土壤取样,室内测定了土壤水分特征曲线、饱和导水率、土壤含水率、容重等土壤水力特性,用Brooks - Corey模型对土壤水分特征曲线进行拟合,采用多重分形方法对Brooks- Corey模型参数(θs、α、n)、饱和导水率(Ks)、土壤含水率(θ)、容重(ρ)等进行空间变异性分析.结果表明:在全部采样方向上Ks、α及n的变异性较强,θsθ及ρ表现为弱变异;不同采样方向上土壤水力特性参数具有多重分形特征;不同采样方向上θ,、θ及p的多重分形结构较弱,空间变异性不强;不同采样方向上Ks、α及n的多重分形结构明显,广义分形维数分别为0.7 ～1.9、0.6～1.2、0.9～1.1,空间变异性较强,且Ks比α和n具有更为复杂的空间分布结构.     

灌区用水优化模型参数全局敏感性分析与不确定性优化

灌区水资源优化配置中存在众多不确定性因素，而考虑不确定性因素的优化模型往往存在结构复杂、不确定性参数考虑有限、计算精度和效率较低等问题。本文将LH-OAT（Latin hypercube-One factor at a time）方法与灌区用水优化模型耦合，构建了灌区用水优化模型参数敏感性分析与不确定性优化方法，并以黑河流域中游典型灌区为案例研究区，对模型中6类共25个不确定性参数进行了全局敏感性分析。计算获得了模型中25个不确定性参数的敏感度排序，并从中筛选出10个高敏感性参数，以高敏感性参数作为优化模型不确定性参数输入，获得了不确定性下的灌区用水优化结果。案例分析表明，该方法有效筛选出优化模型中高敏感的关键参数，综合考虑了不确定性参数对模型优化结果的影响，大大减少了模型不确定性参数的表征数量，降低了模型复杂性，有效提高了模型计算效率，可为灌区水资源优化配置问题提供方法参考。     

基于EFAST的CROPGRO-Tomato模型参数全局敏感性分析

为了定量讨论番茄生长模型(DSSAT-CROPGRO-Tomato)中各参数对模拟输出结果的影响,运用扩展傅里叶幅度检验(EFAST)法,对影响番茄物候期、生长及生产等3类模型输出的各参数敏感性进行了研究,重点探讨了模型输入中品种参数、气象及土壤参数变化对模型输出结果的影响。结果表明:影响番茄开花期、坐果期和成熟期等物候期最敏感的品种参数和气象参数分别为初花期积温、日最低温度,而土壤参数对番茄物候期的影响可以忽略。影响番茄叶面积指数和冠层高度最敏感的品种参数为初花期积温,而影响番茄根、茎生长最敏感的品种参数为干物质分配比例,日最高温度和土壤田间持水率分别是影响番茄根、茎、叶生长最敏感的气象和土壤参数。影响番茄干物质量和总产量最敏感的品种参数为初花期积温,而影响番茄收获数量和单果质量的品种参数为最大单籽粒质量,日最高温度和土壤田间持水率也分别是影响番茄生产最敏感的气象和土壤参数。     

尿素浓度对土壤水分特征曲线及持水性的影响研究

为了研究尿素浓度对砂型土壤水分特征曲线及持水性的影响,使用离心机测量了含0%、1%、4%、7%尿素质量浓度土壤的水分特征曲线,将测量结果与VG经典模型拟合,通过拟合结果讨论了尿素质量浓度对该试验条件下VG模型参数的影响,进而从不同角度分析尿素质量浓度持水性指标的影响。结果表明:随着土壤中尿素浓度和基质吸力的增大的土壤水分特征曲线向左运动明显且差异性增大,持水能力逐渐减弱。随着尿素浓度增大参数,α逐渐减小,受尿素影响程度相对较大;随着尿素浓度增大参数n逐渐增大,θs和θr逐渐减小,受尿素影响程度都相对较小。随着尿素浓度的增大,容水度、田间持水量、凋萎系数、全有效水范围梯级减小,持水能力减弱。     

基于全局敏感性分析的WOFOST模型参数优化

敏感性分析是模型参数优化的基础,同时也是作物生长模型本地化过程的重要环节。以中国水利水电科学研究院大兴试验基地2015-2016的夏玉米为研究对象,运用全局敏感性分析方法 EFAST对WOFOST模型的49个作物参数进行分析,在此基础上运用PEST软件对产量、干物质量、叶面积指数的敏感参数进行优化。结果表明:(1)对产量(WSO)敏感的参数主要有二氧化碳(CO2)同化率在12℃下的矫正因子、最大光合速率在30℃下的校正因子、开花到成熟之间的积温等;(2)对干物质量(TAGP)敏感的参数主要有CO2同化率在12℃下的矫正因子、在35℃时叶面积的生命周期、生育期为0时的比叶面积等;(3)对叶面积指数(LAI)敏感的参数主要有根的同化物转换效率、生育期为0时的比叶面积、CO2同化率在12℃下的矫正因子等;(4)参数优化后,WOFOST模型对夏玉米的模拟效果较好,相对误差RE小于5%,一致性指数d均大于0.9,标准均方根误差nRMSE均小于20%。优化后的参数对于北京地区的夏玉米模拟效果良好。     

土壤水-汽-热耦合运移的数值模拟研究与验证

土壤水是自然界水分循环的重要组成部分,在研究土壤水分运移中考虑热量的影响能够提高模拟的精度并反映真实的物理过程.基于土壤水-汽-热耦合运移方程建立土壤含水率和温度的数值模拟模型,通过对VG模型的经验拟合参数n和α、土壤残余含水率θr、饱和含水率θs的率定使模拟结果得到优化;将修改后的参数作为模型的基本参数,连同气象资料,边界条件输入到模型中模拟土壤中含水率、温度的变化过程.结果表明:降雨阶段含水率和温度的模拟效果优于蒸发阶段,降雨阶段含水率、温度模拟精度都"比较好"或"很好",只有3 cm处的表层土壤含水率模拟精度为"一般"(相对均方根误差RRMSE为21.99％),这是由于表层土壤的质地不均匀所致.蒸发阶段含水率和温度在大部分深度模拟精度"很好",只有在深层(28及48 cm处)的温度模拟精度为"一般"(RRMSE为21.18％及22.92％),原因应该是土柱下部会受环境温度显著影响所致.本研究可以应用于水文循环的模拟中,可以提高下渗过程的模拟精度.     

多数据源土壤传递函数模型在水分模拟中的不确定性

基于前馈神经网络的传递函数模型,采用4种不同的数据源预测土壤水分特征曲线,并借助误差统计指标、Hydrus-1D水动力学模型对传递函数模型的预测性能及其应用不确定性进行了分析.结果表明,预测土壤水吸力1 000、10 000、15 000 cm对应含水率θ1000、θ10000、θ15000时,相对于仅有颗粒组成变量的传递函数模型,增加容重和θ60(水吸力60 cm对应的含水率)传递函数模型的平均绝对误差降低了42.86％、23.87％、26.15％;增加θ60和θ15 000模型预测θ100、θ10000、θ15000的平均绝对误差比仅包含θ60模型降低了8.67％、16.96％、15.95％.将模型预测的van Genuchten参数应用于土壤水分模拟,增加θ60模型的平均绝对误差比以颗粒组成为输入变量模型的相应值降低了11.11％;相对于增加θ60的传递函数,额外再增加θ15000并未降低模型应用过程中的不确定性.     

基于Morris和EFAST的CERES-Wheat模型敏感性分析

依据在陕西杨凌获得的冬小麦试验资料,用Morris法和EFAST(extended Fourier amplitude sensitivity test)法分析了CERES-Wheat模型输出变量中小麦开花期、成熟期、产量、地上生物量对品种和生长参数的敏感性,并分析比较了两种方法的一致性。结果表明,光周期影响因子(P1D)、出苗-穗分化期积温(P1)、穗分化-挑旗期积温(P2)和春化影响因子(VEFF)均对开花期和成熟期较敏感,灌浆期积温(P5)对成熟期有较大影响;挑旗前、后的光能利用率(PARUE,PARU2)、P1D、P1和P2均对产量和生物量有较大影响;最适条件下标准籽粒质量(G2)和开花期单位地上生物量的籽粒数(G1)对冬小麦产量有较大影响,第一标准叶的比叶面积(SLAS)对地上生物量有较大影响。Morris法和EFAST法得到的参数敏感性结果具有较高的相关性,表明计算工作量较小的Morris法较适于筛选模型敏感参数。