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基于NSGA-Ⅱ的水文模型参数多目标优化研究黄晓敏;雷晓辉;王宇晖;蒋云钟【摘要】为了对水文模型中难以直接测算的参数进行调试和优化,将带精英策略的非支配排序遗传算法( NSGA-Ⅱ)应用于水文模型( HYMOD)参数多目标优化计算中,得到最优解Pareto集合.通过多目标距离函数法从Pareto集中求出一组协调集.采用非支配解集覆盖度和非支配解的空间分布两个性能度量指标,对NSGA-Ⅱ算法与多目标粒子群算法(MOPSO)的优化结果进行比较分析.结果表明,NSGA -Ⅱ优化得到的非支配集比MOPSO算法得到的支配比例高;但前者的非支配解的空间分布较MOPSO算法相对均匀.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2012(043)002【总页数】6页(P16-21)【关键词】水文模型;多目标参数优化;遗传算法;非支配排序【作者】黄晓敏;雷晓辉;王宇晖;蒋云钟【作者单位】东华大学环境科学与工程学院,上海201620;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;东华大学环境科学与工程学院,上海201620;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038【正文语种】中文【中图分类】P334.92自然过程中的降雨-径流过程被广泛简化和概化为多种水文模型[1]。
然而水文模型中常常含有一些难以直接测算，只能通过试错法或者自动优化过程调试的参数。
传统校准法是采用人工方法对参数进行调整，存在花费大、时间长、正确率依靠经验等缺点。
借助计算机功能强大和速度快的优势，采用自动优化法进行模型校准工作时，具有相对客观并且容易操作的优点，因而得到了广泛的应用[2]。
现在多种算法被应用于水文模型参数优化中，例如，非支配排序遗传算法(NSGA)[3]，多目标粒子群算法(MOPSO)[4]，以解决水文模型中同时涉及相互冲突、相互竞争的多个目标的优化问题。
本文对NSGA-Ⅱ进行简要介绍，以汉江向家坪水文站上游流域为例，并将其应用于HYMOD参数多目标优化计算中，并与MOPSO算法的计算结果进行了比较分析。
基于 Sobol 方法的新安江模型参数敏感性分析张小丽;彭勇;徐炜;王本德;王海霞【摘要】采用敏感性分析方法对复杂模型和系统的输入和输出进行定性和定量的分析，有利于模型结构的诊断、模型参数的识别和模型的应用。
现以桓仁水库流域为例，使用Sobol方法，以确定性系数、总水量误差系数、低水误差系数和高水误差系数作为敏感性分析模型的目标函数，分别对模型单参数和多参数的敏感性进行了评价。
结果表明不同目标函数下参数的敏感性不同；Sobol能定量地给出参数的总敏感度和参数间相互作用的敏感度，适合于分析水文模型的参数敏感性。
%Sensitivity analysis was performed to analyze the inputs and outputs of the complex model and system qualitatively and quantitatively ,which can benefit the inspection of model structure ,identification of model parameters ,and model application .In this paper ,Sobol method was applied to evaluate the sensitivity of single parameter and multiple parameters of the model in the Huanren reservoir catchment .The objective functions of sensitivity analysis included the deterministic coefficients and error co-efficients of total water ,low flow ,and highflow .The results showed that the sensitivity of parameters was different under dif-ferent objective functions ,and Sobol method can provide the sensitivity for all parameters and sensitivity between each parame-ter ,which is useful for sensitivity analysis of hydrological models .【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】6页(P20-24,33)【关键词】新安江模型;Sobol方法;敏感性分析【作者】张小丽;彭勇;徐炜;王本德;王海霞【作者单位】大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116024;大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116024; 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098; 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065;大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116024;大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116024;大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】P334.92敏感性分析是指定性或定量地分析包括模型参数在内的模型输入对模型输出的影响[1]。
Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2019, 8(1), 33-43Published Online February 2019 in Hans. /journal/jwrrhttps:///10.12677/jwrr.2019.81004Comparison and Application of Hydrological Models in Mountain Flood SimulationYan Huang1, Yanjun Zhang1*, Zhengying Yuan2, Jinjin Wu1, Wenxun Dong1, Peirong Lin11State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan Hubei2Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources, Wuhan HubeiReceived: Feb. 2nd, 2019; accepted: Feb. 17th, 2019; published: Feb. 25th, 2019AbstractMountain flood disasters occur frequently, causing major economic losses to society. Therefore, hydro-logical simulation has important practical significance for the prevention and control of mountain flood disasters. In order to study the simulation consequence of different hydrological models in mountain flood forecasting, taking the Guanshan river basin as an example, Xin’anjiang model, TOPMODEL model and improved SCS model were used to simulate multi-field floods. The model parameters were deter-mined using the time by day rainfall runoff data from 1973 to 1987, and 15 typical floods were used for model verification. From the simulation results of the three models, the simulation effects are general. The TOPMODEL model fitted the peak flow better. The average relative error is 23.14%, and the pass rate is 40%. The improved SCS model and the TOPMODEL model have better peak-to-peak time simula-tion, and the pass rate is 93%; the improved SCS model’s simulation effect on the flood amount is the best, the relative error is 20.73%, and the pass rate is 67%. The TOPMODEL semi-distributed hydrological model can describe the flood peak flow response process in the natural world from the physical level more realistically. The improved SCS model improves the contribution of underground runoff and makes the flood simulation effect relatively better.KeywordsTOPMODEL Model, Xin’anjiang Model, Improved SCS Model, Flood Simulation, Flash Flood Warning水文模型在山洪模拟中的比较应用黄艳1，张艳军1*，袁正颖2，吴金津1，董文逊1，林沛榕11武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉2长江水利委员会水文局，湖北武汉作者简介：黄艳，女，广西河池人，硕士研究生，主要从事水文水资源方面研究。
HEC-HMS水文模型参数初损率和波速率定的循环渐近法刘传铭;陈兴伟;吴杰峰【摘要】初损率(λ)和波速(V)是HEC-HMS洪水模型的两个关键参数,其率定对于提高水文模型的模拟精度具有重要意义.针对这两个参数的特点,提出对其率定的循环渐近法,以福建晋江西溪流域为例,率定相应参数,构建HEC-HMS洪水模型.结果表明:①循环渐近法可以较好地率定初损率和波速,参数率定结果合理,模型模拟精度整体较高;②起涨流量与初损率密切相关,起涨流量越大,初损率就越小;降雨强度对洪水波波速具有显著影响,降雨强度越大,波速也越大;这两组经验关系的建立有助于拓展模型在洪水预报等工作中的应用.%Initial abstraction ratio and flood wave velocity are two key parameters in HEC-HMS model.Their values determinated reasonably during the calibration are of great significance to improve the simulation accuracy of the model.Approximate circulating method is proposed and Xixi watershed is selected as a study area to set up the HEC-HMS model.Results showed that:(1) Values of initial abstraction ratio and flood wave velocity were properly determinated and the accuracy of the model is high with the application of Approximate Circulating method in the calibration of the model.(2) Regression analysis indicated that the initial abstraction ratio was closely related to the initial discharge and flood wave velocity was depending on rainfall intensity.The establishment of two empirical formulas is helpful for the model's application in flood forecast.【期刊名称】《灾害学》【年(卷),期】2017(032)004【总页数】5页(P219-223)【关键词】参数率定;循环渐近法;洪水;HEC-HMS;西溪流域【作者】刘传铭;陈兴伟;吴杰峰【作者单位】福建师范大学地理科学学院,福建福州350007;福建师范大学地理科学学院,福建福州350007;福建省陆地灾害监测评估工程技术研究中心,福建福州350007;湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福建福州350007;福建师范大学地理科学学院,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】X43;TV122洪水是指由于降水或冰雪融化，大量径流汇入河道，导致水量激增，水位快速上涨的现象[1]。
一、试题简述流域水文模型的类型及其应用问题水文模型的基本类型有哪些？各有哪些作用？论述流域水文模型的类型及其特征？水文模型的分类水文模型分为物理模型和数学模型两类。
物理模型是一种比尺或比拟模型模拟，前者将研究对象的原型按一定的比例在实验室内建成物理模型，先对模型进行观测分析，然后根据相似律再对原型的物理过程进行定性或定量分析，后者是以一些物理量来比拟水的某些特性的模型。
数学模型则首先针对人们已掌握的流域径流形成的物理机制，应用物理定律建立其数学描述方程式，然后用数学方法时行求解，从而获得各种情况下流域降雨与径流之间的定量关系。
数学模型又可分为确定性模型和随机模型两类。
确定性模型是描述水文现象必然规律的数学结构；随机模型描述水文现象随机性规律的数学结构。
确定性模型可分为集总式和分散式模型两种，前者忽略水文现象的空间分布差异。
比尺模拟物理模型比拟模拟水文模型集总式模型确定性模型数学模型分散式模型随机模型数学模型相对于物理模型的优点：1、数学模型的所有条件都可以由原型所观测的数据直接给出，不受比尺的限制，即数学模型无相似律问题。
2、数学模型的边界及其它条件既可严格控制，也可随时按实际需要改变。
3、数学模型的通用性强，只要研制出一种适合的软件就可用于解决不同的实际问题。
4、数学模型具有理想的抗干扰能力，只要条件不变，重复模拟可得到完全相同的结果，不会因人、因地而异。
5、数学模型的研制费用相对便宜，运行处理费用更加便宜。
流域水文模型的分类流域水文模型以流域为研究对象，对流域内发生降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟，即把流域上的降雨过程，模拟计算出流域出口断面的流量过程。
从流域水文模型的发展和应用来看，流域水文模型属于数学模型，可分为确定性模型和随机模型，我们通常所说的是指确定性模型。
从反映水文运动物理规律的科学性和复杂性程度而言，流域水文模型通常被分为三大类：系统模型（即黑箱模型，back-boxmodel）、概念性模型（conceptualmodel）、物理模型（physically-basedmodel）。
VIC模型参数的敏感性分析1张续军，吴志勇，陆桂华(河海大学水问题研究所，江苏 南京 210098）E-mail：zhwzxj@摘要：本文运用敏感度分析理论，采用中国湿润地区八个典型流域的实测资料，对大尺度分布式水文模型VIC（Variable Infiltration Capacity）模型七个主要参数的敏感性进行了分析。
结果表明，在这七个参数中，第二层土壤厚度对产流量相对较为敏感；入渗能力形状参数对出口断面流量过程吻合程度较为敏感，其他参数都不太敏感。
关键词：水文；VIC模型；模型参数；敏感度水文模型参数揭示了流域的水文特征[1]，是水文模型的重要组成部分，对于水文模型的模拟结果起到至关重要的作用。
随着水文模型的不断发展，尤其是分布式水文模型的出现，参数具有了更加明确的物理意义，反映了流域下垫面和气象因素的空间变化[2]。
不同参数对模拟结果的影响因其物理意义和模型结构的不同而有所差异，因此研究参数的敏感性对于水文模型的应用非常重要，是率定水文模型参数以及校正模拟结果的基础。
水文模型是包含多个参数的复杂系统，各个参数不仅自身对模型产生影响，而且参数之间还通过相互的作用共同对模型产生影响。
因此对参数的敏感性分析，在单独考虑每个参数的基础上，还应把所有参数作为整体来考虑。
本文基于中国湿润地区，对VIC 模型主要参数的敏感性进行了分析。
1．VIC模型及其参数VIC模型是一种基于SVATS（Surface Vegetation Atmospheric Transfer Schemes）思想的大尺度分布式水文模型，最初基于Wood等人的思想[3]、由Stamm等人[4]构建起来的VIC模型把土壤分为两层，称为VIC-2L模型[5]，Liang等人把土壤分为三层，模型改进为VIC-3L模型[6]。
该模型可同时对水循环过程中的能量平衡和水量平衡进行模拟。
模型定义地表由不同植被类型及裸土覆盖，覆盖类型由植物叶面面积指数(LAI) 、叶面气孔阻抗以及根系在不同土层之间的分配比例来确定。
改进的新安江模型多目标参数优化——以临涣集流域为例陈曦;陈喜;程勤波;张志才;黄日超【摘要】In plain irrigation areas,human exploitation and irrigation have a great impact on local hydrological processes,and material and energy exchange frequently between surface flow and groundwater.In these areas,single-objective calibration methods cannot effectively simulate river discharge and groundwater depth at the same time.Therefore,we established a surface-groundwater coupling model based on Xin′anjiang model combined with a groundwater reservoir,and we built a multi-objective function containing discharge and groundw-ater data.Then we used SCE-UA to calibrate the sensitive parameters selected by MCAT and we compared the results of single-objec-tive and multi-objective calibration.Results showed that the multi-objective calibration method used in this study worked more efficiently than many former ones.It can effectively and accurately simulate discharge and water level simultaneously.The coupling model does well in simulating the hydrological processes in Linhuanji catchment.It can provide reference for surface-groundwater dynamic simulation and water resources assessment in plain irrigation areas.%平原灌区水文过程受人类开采灌溉影响较大,地表水与地下水物质能量交换频繁,单目标率定方法难以同时有效模拟该区流量和地下水埋深过程.对此,在新安江模型基础上加入地下水蓄水库,构建地表-地下水耦合模型,建立包含流量与地下水埋深信息的多目标函数.采用MCAT分析流量和埋深单目标以及多目标下的参数敏感性,用SCE-UA算法率定遴选出的敏感参数,比较单目标和多目标率定结果.结果表明,该多目标参数优化方法显著提高了工作效率,解决了单目标率定中无法同时达到流量与地下水埋深过程模拟高精度的问题.模型在临涣集流域的耦合模拟中取得较好效果,为平原灌区地表水与地下水动态模拟和水资源评价提供参考.【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2018(016)001【总页数】8页(P35-41,56)【关键词】地表-地下水耦合模型;地下水蓄水库;临涣集流域;敏感性分析;多目标参数率定【作者】陈曦;陈喜;程勤波;张志才;黄日超【作者单位】河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098;河海大学水文水资源学院,南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098;河海大学水文水资源学院,南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098;河海大学水文水资源学院,南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098;河海大学水文水资源学院,南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098;河海大学水文水资源学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV121平原区河川径流-地下水交换频繁，流量与地下水埋深过程模拟是该区的研究重难点。
基于多目标GLUE算法的新安江模型参数不确定性研究曹虎【摘要】文章以辽河流域为例对新安江水文模型进行研究分析,利用新安江日模型模拟径流过程对辽河流域进行模拟分析,然后对模型参数利用SCE-UA最优法和两个目标函数进行率定,分别对不同目标函数的径流过程模仿能力进行分析;对径流模拟的不确定性区间分别采用NSGA-Ⅱ多目标优化法和GLUE法进行分析,并给出了多目标GLUE法.研究表明:径流模拟性能随目标函数的不同而存在较大差异;对于多目标较小的不确定性区间可利用NSGA-Ⅱ法进行优化,然而实测值对区间的覆盖率程度较低;多目标GLUE算法相对于单目标算法表现出更好的区间覆盖率.【期刊名称】《黑龙江水利科技》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】5页(P13-17)【关键词】多目标GLUE算法;模型参数;新安江模型;不确定性【作者】曹虎【作者单位】辽宁省铁岭水文局,辽宁铁岭112000【正文语种】中文【中图分类】P333.90 引言基于参数先验分布的GLUE其本质是对参数的后验概率分布利用参数似然函数值阈值的主观判断进行推导，从而可对水文模型在一定置信区间的不确定范围进行确定[1]，并对模拟区间特征可利用覆盖率、对称性以及和区间宽度等参数要素进行描述。
然而，水文过程模拟的不确定性区间可由目标函数的不同而存在显著差异，因此在水文过程中的某些特定状态可利用单目标函数促进其聚集，并因此造成对其他状态的忽视，如Yapo等[2]认为需要从不同角度并利用各种观测数据对水文过程特性进行度量，即对水文模型参数利用多目标进行率定。
多目标参数率定往往存在帕累托最优解集而非唯一解，率定结果通常为某一不确定性区间范围。
当前，对多目标模型的求解方法研究较多如AMALCAM、MOCOM-UA以及NSGA-Ⅱ法等，而对多目标不确定性区间特性的研究分析相对较少。
据此，文章利用新安江日模型模拟径流过程对辽河流域进行模拟分析，然后对模型参数利用SCE-UA最优法和两个目标函数进行率定，分别对不同目标函数的径流过程模仿能力进行分析；对径流模拟的不确定性区间分别采用NSGA-Ⅱ多目标优化法和GLUE法进行分析，并给出了多目标GLUE法；通过对比分析多目标和单目标GLUE法，给出了模型参数不确定性的多目标GLUE法优势和特征[3-7]。
基于Sobol方法的新安江模型参数敏感性分析作者：张小丽彭勇徐炜王本德王海霞来源：《南水北调与水利科技》2014年第02期摘要：采用敏感性分析方法对复杂模型和系统的输入和输出进行定性和定量的分析，有利于模型结构的诊断、模型参数的识别和模型的应用。
现以桓仁水库流域为例，使用Sobol方法，以确定性系数、总水量误差系数、低水误差系数和高水误差系数作为敏感性分析模型的目标函数，分别对模型单参数和多参数的敏感性进行了评价。
结果表明不同目标函数下参数的敏感性不同；Sobol能定量地给出参数的总敏感度和参数间相互作用的敏感度，适合于分析水文模型的参数敏感性。
关键词：新安江模型；Sobol方法；敏感性分析中图分类号：P334.92文献标识码：A文章编号：16721683（2014）02002005Sensitivity Analysis of Xinanjiang Model Parameters using Sobol MethodZHANG Xiaoli1，PENG Yong1，2，3，XU Wei1，WANG Bende1，WANG Haixia1（1.Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.State KeyLaboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）Abstract：Sensitivity analysis was performed to analyze the inputs and outputs of the complex model and system qualitatively and quantitatively，which can benefit the inspection of model structure，identification of model parameters，and model application.In this paper，Sobol method was applied to evaluate the sensitivity of single parameter and multiple parameters of the model in the Huanren reservoir catchment.The objective functions of sensitivity analysis included the deterministic coefficients and error coefficients of total water，low flow，and high flow.The results showed thatthe sensitivity of parameters was different under different objective functions，and Sobol method can provide the sensitivity for all parameters and sensitivity between each parameter，which is useful for sensitivity analysis of hydrological models.Key words：Xinanjiang model；Sobol method；sensitivity analysis敏感性分析是指定性或定量地分析包括模型参数在内的模型输入对模型输出的影响[1]。
分布式水文模型（日志）分布式水文模型是在分析和解决水资源多目标决策和管理中出现的问题的过程中发展起来的，所有的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深入探讨自然变化和人类活动影响下的水文循环与水资源演化规律。
一、分布式水文模型- 特点与传统模型相比，基于物理过程的分布式水文模型分布式可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。
二者具体的区别在于处理研究区域内时间、空间异质性的方法不一样：分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，它充分考虑了流域内空间的异质性。
采用数学物理偏微分方程较全面地描述水文过程，通过连续方程和动力方程求解，计算得出其水量和能量流动。
二、分布式水文模型- 尺度问题、时空异质性及其整合尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题。
水文学研究的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。
当三种尺度一致时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比较理想的反应，但要想三种尺度一致是非常困难的。
尺度转换就是把不同的时空尺度联系起来，实现水文过程在不同尺度上的衔接与综合，以期水文过程和水文参数的耦合。
所谓转换，包括尺度的放大和尺度的缩小两个方面，尺度放大就是在考虑水文参数异质性的前提下，把单位面积上所得的结果应用到更大的尺度范围的模拟上，尺度缩小是把较大尺度的模型的模拟输出结果转化为较小尺度信息。
尺度转换容易导致时空数据信息的丢失，这一问题一直为科学家所重视，却一直未能得到真正解决，这也是当今水文学界研究的热点和难点。
尺度问题源于目前缺乏对高度非线性的水文学系统准确的表达式；于是对于一个高度非线性的、且没有表达式的系统，人们用“分布式”方法来“克服” 它。
然而事实上，无论是“ subwatersheds ”是“ rid Cells ”其内部仍然是非线性的且没有表达式。
但是，人们认为他们是“均一”的，于是就产生了尺度问题。
比如，自然界中水文参数存在很大的时间、空间异质性，野外实验证明，传统上认为在“均一”单元，且属于同一土壤类型的小尺度土地上，其水力传导度的变化范围差异可以达到好几个数量级。
