基于GLUE法的多指标水质模型参数率定方法

目前对水质模型进行参数率定通常利用计算机算法来实现,但由于水质模型日趋复杂的非线性结构往往会导致"异参同效"现象,无法通过单个似然度判断参数的取值是否能够取得真值.为避免这一情况,本文提出了一套基于GLUE法的多目标模型参数率定方法,并以WASP水质模型的应用为例,通过Sobol方法确定模型的敏感参数,并利用DO、CBOD、氨氮、硝态氮4项指标的似然函数对参数同时进行率定.结果表明,该方法既可以有效地避免因追求"过拟合"而造成模型参数取值不当,也可以减小模型参数的不确定性,为具有"异参同效"现象的复杂模型的参数率定工作提供了一个更为可靠的方法.     

基于全局敏感性分析方法的WASP模型不确定性分析

为了定量讨论WASP(The water quality analysis simulation program,水质分析模拟程序)模型中各参数对模拟结果的影响及其不确定性,本文在Simulink环境下对模型进行重组,利用Sobol方法,对影响DO、CBOD、NH3-N、NO3--N等4项输出的各参数敏感性进行了研究,重点讨论了输入条件如时空变化对参数敏感性的影响.结果表明:Sobol全局敏感性分析方法能够有效地筛选出WASP模型中对DO、CBOD、NH3-N、NO3-变化模拟较为敏感的参数,在实现模型参数“本土化”中具有较大的应用潜力;对比总敏感性与一阶敏感性指数之间的差异, WASP模型当中的若干参数(如GP1、PNH3、anc等)耦合性较强,不宜使用一次一个变量法对这些变量进行敏感性分析;在参数敏感性变化方面,即使对于同一条河流,WASP的参数敏感性指数会因边界条件的时空变化而发生改变.敏感性受空间变化的影响不大,但受时间(季节)变化的影响显著;输入变量随时间的变化,会引起模型不确定性在各季节上的较大的差异;WASP模型当中存在明显的“异参同效”作用,仅靠传统方法进行全局寻优率定,并不能体现水体各组分之间相互转化的过程,还需要结合实验对关键参数进行率定.     

半干旱半湿润地区HSPF模型水文模拟及参数不确定性研究

本研究选取半干旱半湿润地区北京妫水河流域2005—2007年和2008年月径流数据为率定期和验证期,建立HSPF水文模型进行径流模拟,结合人工率定和PEST自动率定程序进行参数优选,并通过GLUE方法分析模型参数不确定性.通过Monte-Carlo随机采样得到30000组参数组合,分析参数与似然值散点图,把参数分为敏感参数(LZSN、AGWRC)、区间敏感参数(BASETP)和不敏感参数(AGWETP、INFILT、CEPSC、DEEPFR、UZSN、INTFW、IRC).针对比较敏感的参数LZSN、AGWRC和BASETP分析其相关性,发现LZSN和AGWRC相关性较强.模型存在大量"异参同效"现象,表明影响结果的是参数组合而不是单一参数.进一步计算90%置信度下的不确定性范围,发现不确定性范围与径流大小密切相关,径流愈大其不确定性范围愈大,反之亦然.本文对参数不确定的分析研究可为HSPF模型在区域尺度水文预测等提供参考和依据.     

基于Matlab软件自动化求取参数的HEC-RAS模型构建

水质模型是水环境模拟的重要工具,近年来越来越多的应用于水环境预测与管理中,但平原河网水质模拟一直是个难点.本研究采用HEC-RAS模型开展湖州市长兴城区平原河网水动力和水质模拟.模型的水质模块率定采用Matlab软件自动化求取参数,代替常规试错法求参率定,减少了人工干预,提高了模型率定效率.HEC-RAS模型在平原河网地区水动力模拟结果较好,水质模拟结果基本符合要求,证明了HEC-RAS模型在平原河网应用的可行性,但模型的精度通常受水系概化、水文状况、污染源信息等因素影响,对于信息比较充分的短时段水质模拟其精度相对较好.     

完全均匀混合质量平衡水质模型在滇池中的应用

介绍了完全均匀混合假设下以质量平衡为基础的湖泊水质模型,运用滇池的实测数据对模型进行了参数率定、验证,给出了模型在滇池水质预测中的应用实测,最后讨论了模型的几个假设条件对滇池的适应性。实例研究表明,该模型可适用于滇池水质有机污染长期浓度预测。      

福州城区内河河网水质数学模型

本文分析了福州市内河河网的水力和水污染特征，根据圣维南方程和污染物迁移扩散转化原理，建立了一个适合潮汐河网的水质数学模型，该模型采用了较先进的网联合解法，并利用实测资料对模型参数进行了率定，该模型采用底部校正的方法，较好地解决了低流量的计算问题，基本上满足了区域水质规划和污染源控制规划的要求，在福州市城区内河综合整治方案研究中取得了很好的效果。     

贾鲁河郑州段污染源与水质响应关系的模拟研究

以贾鲁河郑州段为研究对象,建立其污染源与水质响应关系的二维EFDC模型。首先,采用Delft3D针对贾鲁河郑州城区段建立了曲线正交网格,基于2014年上半年污染源流量数据和河流水文数据模拟该段河流流场,利用实测值率定河道糙率,采用2014年下半年数据对河流水动力模型进行验证;其次,在河流水动力模拟的基础上,以COD为主要指标构建水质模型,同样采用2014年上半年数据对模型进行率定,用2014年下半年数据进行模型验证;最后对模型建立结果进行了总结分析。     

多时间尺度HSPF模型参数不确定性研究

模型参数的不确定性是水文模型应用研究领域的重点与难点.本研究以密云水库东北部的潮河流域为例,构建了潮河流域HSPF水文模型,并采用1998~2010年逐月地表径流量数据对模型参数进行校准与验证,并结合GLUE算法分析了模型参数的敏感性和不确定性.结果表明:(1)经过参数调整,HSPF模型径流模拟取得了较好的效果,率定期和验证期的纳什系数分别为0.84和0.55;(2)可将影响HSPF模型的参数分为3类,即全局敏感性参数(LZSN、INFILT、IRC和AGWRC)、局部敏感性参数(UZSN)和不敏感参数(DEEPFR、BASETP、AGWEPT、INTFW和CEPSC);(3)不同敏感性参数间存在复杂的相关关系,参数组合(LZSN与INFILT)、(INFILT与UZSN)和(UZSN与AGWRC)间均呈极显著负相关关系;(LZSN与UZSN)和(UZSN与AGWRC)呈极显著正相关;(4)HSPF模型参数存在大量复杂的"异参同效"现象,证实影响模拟结果优劣的是参数组合而非某一参数值;(5)模型不确定性发现,模型预测的不确定性范围与降雨量密切相关,即降雨量越大,模型预报的不确定性就越大,反之亦然;(6)不同时间尺度下HSPF模型的模拟效果总体较好,但是也存在一定差异性,年尺度、季节尺度和月尺度下不确定性范围分别包含了81.80%、78.70%和80.56%的观测值,即年尺度效果略优于月尺度和季节尺度;该研究结果可为HSPF模型在相似区域应用与参数本土化提供科学参考和借鉴.     

苏州河干流水质模型的开发研究

对《苏州河水质模型的开发》课题完成的大部分内容进行了介绍，包括水质模型的选择及其原理、模型研究的内容与开发方法、干流水质模型的率定与验证，并据此给出了关于苏州河水环境特性的一些参数值，计算的基准时间为1999年夏季苏州河第3次调水试验时期。需要指出的是，苏州河正处于动态的综合整治过程中，模型中有关参数也会随其相应改变。     

水质模型参数识别与验证的探讨

参数识别与模型验证是水质模型应用的两个重要步骤。在对模型参数的本质含义进行辨析的基础上,对模型参数的时变性、集成性和可识别性进行了分析。采用科学哲学的方法,对水质模型验证的必要性和不足进行了讨论,指出虽然模型验证必不可少,但也不能证实模型本身就是实际物理和生化过程的反映,因此应充分地意识到“经过验证的”模型在预测中的风险。     

滇池大清河河口二维水环境模型研究与应用

以滇池大清河河口为对象,根据其水动力特征,建立了二维水环境模型.其中水动力模块采用交替方向迭代法进行数值求解,水质模块中参数的取值通过2006年和2007年现场原位实验和实验室模拟实验获得,并利用2007年的实际监测数据对模型进行率定和验证.运用率定的模型,模拟了生态修复工程实施后大清河人湖控制断面的水质变化情况,以期为治理方案的优化和效果评价提供参考.     

基于多重优化灰色模型的三峡库区香溪河支流回水区水华变化趋势预测研究

三峡水库蓄水后,支流香溪河夏季水体富营养化严重,水华现象暴发频繁,水质污染严重.为预知香溪河库湾水华暴发程度与分布区域,以叶绿素-a为指标,引入灰色伯努利模型,并运用参数优化、含参马尔科夫误差修正、子序列独立优化等多重优化理论对模型进行改进,验证模型的优化效果.同时,利用该优化模型对2015年夏季香溪河近10个点位的叶绿素-a平均浓度变化趋势进行短期预测,结果表明,预测值与实际值相差较小,该模型能够基本反映香溪河近几年的水华变化趋势,目前香溪河库湾XX06~XX08和XX02点位区域分别为水华暴发高危区和局部次高危区,叶绿素-a浓度远高于水华阈值,有较高的水华暴发风险.与传统灰色预测相比,该预测方法的精确度和对波动序列的适应性更好.     

生态动力学模型在太湖水质模拟中的应用

考察了西澳大利亚大学水研究中心开发的生态动力学模型CAEDYM与三维水动力模型ELCOM的耦合模型在太湖的应用效果,用该模型模拟了2005年5月~6月太湖的水温、总氮、硝氮、氨氮、总磷、磷酸盐、叶绿素a,通过实测数据进行参数率定。并用2005年8月的实测资料作为初始条件,9月的模拟资料与实测资料进行对比,对模型进行了验证。结果显示模型较好地模拟了太湖的水质变化和分布。     

下水道中微生物反应及水质转化的数值研究

以污染物对流扩散理论为基础,在分析下水道系统水环境中各种物理、化学和生物现象的基础上,结合活性污泥数学模型(ASM)的相关理论,建立了下水道系统的微生物和水质转化数学模型,该模型考虑了多个水质变量间的耦合计算及其相互转化和迁移过程。应用实验室实测资料对模型进行验证分析,计算结果和实测值吻合较好,表明该模型可为下水道系统的设计、水质评估等提供指导,也可为污水处理厂等提供前期水质参考。     

闽江干流下游河段纳污能力的研究

建立闽江干流下游河段二维非稳态水质水量模型,根据2004年实测资料对模型中的水质参数进行率定;对各排污口进行概化,应用模型模拟出闽江干流下游河段浓度场,并得出排污口混合带长度与排污量的响应关系;根据概化排污口在限定混合带长度下的平均纳污能力扩展到有效纳污能力计算长度后得到整个水体的纳污能力。经计算,闽江干流下游河段对COD的纳污能力为58195t/a。     

RMA2和RMA4在大沙河水库水质模拟中的应用研究

使用RMA2和RMA4模型对大沙河水库水文水质状况进行模拟,对模型主要参数进行了率定。模拟结果表明,当Peclet取15,糙率取0.045,COD降解系数为0.0055时,运行RMA2、RMA4模型运算得到的COD浓度分布与实测结果基本吻合;模拟了入库支流富食河发生环境污染事件导致COD浓度激增时对取水口水质的影响,模拟结果可为大沙河水库水质预警提供科学依据。     

太湖磷循环的生态动力学模拟研究

构建了太湖水生态动力学模型(CAEDYM),依据已有相关研究成果对模型参数进行了初选,利用2005年的水文、气象、水质等监测数据对模型参数进行了率定,分析了湖泊水体磷的循环机制和沉积物内源磷的释放机制.结果表明,水温和溶解氧的模拟结果与实测数据非常吻合,TP、PO43-和Chl-a的变化趋势也与实测结果基本相同.浮游植物优势种的演替模式表现为:冬季隐藻和硅藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势;磷的内源释放对太湖磷循环影响的模拟结果表明,在不改变外源输入的情况下,降低底泥中磷的再悬浮作用能够有效降低水体中Chl-a的浓度,但对水体中TP及PO43-的影响较小.     

基于HYDRUS-1D模型的不同生物滞留池中水分及溶质运移特征模拟

通过生物滞留池中试和HYDRUS-1D软件,构建了水分和溶质在不同填料生物滞留池中的运移模型,研究了不同情景下生物滞留池对水量和水质的调控效果.同时,利用Morris筛选法对模型参数的不确定性进行分析.结果表明,V、h、θs、n、Ks等参数对水分运移的影响较大,V、c、h、Kd等参数对溶质运移的影响较大.选取试验1~4的数据对模型进行率定,试验5~9的数据对模型进行验证,水量及溶质的Nash-suttcliffe模拟效率系数(Ens)均在0.85以上.采用率定后的模型对预设情景进行模拟,结果表明,人工填料层为粉煤灰+沙的生物滞留池对水量综合削减率为70.54%,对污染物负荷综合削减率为83.88%,效果最佳;增加填料层的厚度可以提高水量削减效果和污染物去除效果,在30、40、50 cm 3种厚度下,填料厚度为50 cm时,水量综合削减率为64.00%,污染物负荷综合削减率为77.71%,效果最佳.进水水量的增大会降低水量削减效果和污染物去除效果,1年重现期下比10年重现期下水量综合削减率大35.97%,污染物负荷综合削减率大20.19%.污染物的去除效果随进水浓度的增大而降低,高、低浓度进水下污染物负荷综合削减率相差7.49%.     

大型浅水湖泊磷模型参数不确定性及敏感性分析

以太湖作为大型浅水湖泊的代表,以EFDC模型为基础建立关于磷的沉积成岩模型,运用拉丁超立方抽样方法、普适似然不确定性分析方法和区域敏感性分析方法,对成岩模块中与磷迁移转化有关的16个参数进行敏感性分析.结果表明,太湖全湖区磷酸盐和总磷的时间空间分布都极不均匀,成岩模块参数的不确定性在磷酸盐和总磷的模拟方面都存在强烈影响.以上覆水磷酸盐为输出目标,"沉积物-水"界面遭受的风浪扰动在水深相对更浅的湖区更为直接,湖湾区水的流通性较差,利于沉积物中溶解态磷释放.以上覆水总磷为输出目标,湖心区颗粒态磷和溶解态有机磷的质量浓度受成岩模块参数不确定性的影响较大.敏感参数主要是动力特性与和氧相关的两类参数.对于大型浅水湖泊,底泥沉积成岩模块敏感参数的重要性不弱于水动力、水质模块,针对不同水质、底泥分布的水域,模拟磷元素时应注重敏感参数的取值率定.     

不确定性方法耦合水质模型研究综述

水质模型是模拟和预测水体中污染物迁移和转化的重要工具.水质模型作为水环境保护的有效工具,已经广泛应用于环境污染控制和水质规划管理中.详细清晰地阐述了水质模型的研究进展、几种常用的确定性水质模型的特点及适用范围、在模型构建的过程中产生的不确定性的研究方法、模型结构的不确定性研究方法以及不确定性方法与水质模型耦合的研究现状,并说明了水质模型未来的研究方向和发展趋势包括:加强对模型的不确定进行数学描述与评价,在模型构建过程中,各种不确定性方法应相互渗透;将不确定性研究方法与传统的水质模型进行耦合,构建各种不确定性水质模型的多样化、复杂化、耦合化;将水质模型与“3S”技术结合,使应用水质模型实时、动态的反应水质变化成为可能.