城市降雨径流模拟的参数不确定性分析

第33卷第7期2012年7月

环境科学Vol．33，No．7Jul．，2012

城市降雨径流模拟的参数不确定性分析

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黄金良，林杰，杜鹏飞

（1.厦门大学福建省海陆界面生态环境重点实验室，厦门北京100084）大学环境学院，

361005；2.国家海洋局第三海洋研究所，厦门361005；3.清华

摘要：以厦门城市小流域为例，基于蒙特卡洛随机采样和区域灵敏度分析（RSA）方法，从参数的可识别性和灵敏度分析2个水文水力模块中汇水单元不透水区贮水深度（Dstore-方面来分析城市降雨径流SWMM模型参数的不确定性．结果表明，

Imperv）、Perv）和CN特征曲线（CurveNumber）这3个参数可识别性较好，汇水单元透水区贮水深度（Dstore-区域灵敏度高；水Imperv＞CN＞Dstore-Perv＞汇水单元透水区曼宁糙率（N-Perv）＞传导系数文水力模块的区域灵敏度的排序为：Dstore-（Conductivity）＞管道曼宁糙率（Con-Mann）＞汇水单元不透水区曼宁糙率（N-Imperv）．水质模块冲刷函数中地表冲刷系数（Coefficient）和地表径流幂指数（Exponent）这2个参数以及累积函数中的地表最大可累积的污染物量（Max．Buildup）的识别S距离最小，区域灵敏度较大．而从区域灵敏度的排序来看，3种用地类型的地表累积速率（RateConstant）参数K-性较高，

Max．Buildup、Coefficient和Exponent参数的K-S距离相对较大．

关键词：参数识别；SWMM模型；RSA方法；不确定性分析；城市降雨径流

中图分类号：X143

文献标识码：A

文章编号：0250-3301（2012）07-2224-11

ParameterUncertaintyAnalysisforUrbanRainfallRunoffModelling

HUANGJin-liang1，LINJie2，DUPeng-fei3

（1.FujianProvincialKeyLaboratoryofCoastalEcologyandEnvironmentalStudies，XiamenUniversity，Xiamen361005，China；2.ThirdInstituteofOceanography，StateOceanicAdministrationPeople'sRepublicofChina，Xiamen361005，China；3.SchoolofEnvironment，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China）

Abstract：AnurbanwatershedinXiamenwasselectedtoperformtheparameteruncertaintyanalysisforurbanstormwaterrunoff

Carlomodelingintermsofidentificationandsensitivityanalysisbasedonstormwatermanagementmodel（SWMM）usingMonte-samplingandregionalizedsensitivityanalysis（RSA）algorithm．ResultsshowthatDstore-Imperv，Dstore-PervandCurveNumber

（CN）aretheidentifiableparameterswithlargerK-Svaluesinhydrologicalandhydraulicmodule，andtherankofK-Svaluesin

hydrologicalandhydraulicmoduleisDstore-Imperv＞CN＞Dstore-Perv＞N-Perv＞conductivity＞Con-Mann＞N-Imperv．Withregards

towaterqualitymodule，theparametersinexponentwashoffmodelincludingCoefficientandExponentandtheMax．BuildupparameterofsaturationbuildupmodelinthreelandcovertypesaretheidentifiableparameterswiththelargerK-Svalues．Incomparison，theK-Svalueofrateconstantinthreelanduse/covertypesissmallerthanthatofMax．Buildup，CoefficientandExponent．

Keywords：parameteridentifiability；stormwatermanagementmodel（SWMM）；regionalizedsensitivityanalysis（RSA）；uncertaintyanalysis；urbanrainfallrunoff

在环境研究和管理中，模型是必不可少的工具．由于简单的模型不能满足特定环境系统的管理需

［1］

求，如今用于环境管理的模型都趋于复杂化．复杂的模型往往需要很多的参数，这就存在数据不可信或不可得的问题．而数据的不确定性又导致模型

［2～4］

．模型不确中各个模块不确定性的积累和传递

定性的定量分析可以让人们对数据和模型的可信度

［5］

有一定的了解．另外它还利于人们有针对性地收

［6，7］

．在模型不确定性分析中，集数据模型参数不确

定性的分析是评价模型参数对模型的校正和模型输

［8］

出结果所必不可少的．另外，由于模型参数能够表征模型结构的系统过程，是模型结构不完善的第

［9］

一表征因子，因此，模型结构的不确定性分析也通常从参数不确定性分析开始．

模型不确定性分析方法很多，包括区域性灵敏度分析方法（regionalizedsensitivityanalysis，RSA）、最大似然法、广义的卡尔曼滤波方法等．作为一种基于随机采样统计方法的自动搜索识别

RSA方法由于应用方便，法，不需要太多假设条件，不需要对模型进行修改，因而在模型不确定性

［10］

分析中得到广泛地应用．另外，除了可以用于模RSA方法同时也是一种灵敏型的参数识别之外，

RSA方度分析方法．与传统灵敏度分析方法不同，法克服了传统上只能对单个参数进行灵敏度分析

收稿日期：2011-07-18；修订日期：2012-01-11

基金项目：国家自然科学基金项目（50778098）；福建省青年人才项

目（2007F3093）

作者简介：黄金良（1975～），男，博士，副教授，主要研究方向为城市

，E-mail：jlhuang@xmu．edu．cn降雨径流特征识别与模拟

7期黄金良等：城市降雨径流模拟的参数不确定性分析

2225

的局限性，并考虑了模型结构导致的参数相关性，

［11］

能够深入分析与理解模型系统．近年来RSA方法逐渐地被应用于模型参数识别等研究．例如：邓

［12］

讨论了在稀疏数据条件下用RSA方法义祥等

［13］

识别CATR水质模型参数；徐一剑等用RSA方法研究温州市温瑞塘河的水质参数不确定性；邓

以厦门研究区为例，应用RSA方法较为系统地开展了城市降雨径流水文水力和水质模拟的参数不确定性分析．11.1

材料与方法

流域概况及实验方案

将RSA方法进行了改进，使之参数集从

二元扩展到多元，研究的对象不局限于模型参数义祥等

［15］值分布，也包括模型目标函数分布；Sun等以松

用RSA方法确定了模型参数，用于评估花江为例，

［14］

本研究区位于厦门本岛中西部的筼筜湖西北

岸，厦门市大会堂绿地．公园绿地作为厦门市重要的土地覆盖类型，占全市土地面积的37%，因此本研究选取的绿地为主导土地利用类型的小流域在区域

［23］2

上具有代表性．本区域面积为3.26km，以城市

2人工绿地为主．其中绿地面积2.13km，道路0.65

2

20%、15%，km2，屋面约0.48km，分别占65%、不

结冰水体中突发环境污染事故在冰融合过程中是

否造成二次污染．RSA方法还被用于城市发展的战略环评、流域开发对河流水质的影响评估［16，17］

．等

RSA方法已被引入到城市降雨径流模近年来，

［18～21］

．但总体而言，拟的研究领域对于城市降雨径流模拟的参数不确定性分析的研究尚待进一步的开

展．本研究基于国际主流且应用成熟的城市降雨径

［22］

，流模型（stormwatermanagementmodel，SWMM）

透水率约为35%．本区排水系统为雨污分流制管网

类型．采用雨量筒测定场次降雨的雨量，采用容器法和Hach流量计（SIGMA910）相结合获取场次降雨

24］．选取具体采样方案参见文献［的流量数据，

2008～2009年3场不同降雨强度的降雨分别进行

降雨特征见表1所示．模拟实验，

表1Table1

降雨时间

2008-05-05T09：27～14：132009-03-13T18：55～20：452009-03-27T19：22～20：47

降雨历时

/min28611085

用于模型参数灵敏度分析的场次降雨特征降雨量/mm9.37122.46

总径流量/m377.62109.714.78

平均降雨强度/mm·min－1

0.0330.1090.029

雨前干期长度

/d

1134

样品数/个271212

Characteristicsofrainfalleventsmonitoredinthisstudy

1.2模型概化与参数取值

根据流域的地形和管网特征调查，将流域划分为17个汇水单元，并建立模型参数输入文件．SWMM模型水文、水力和水质模块相关参数的取

表2Table2

参数编号

12345678910111213

参数名称AreaWidthSlopeImpervN-ImpervN-PervDstore-ImpervDstore-PervZero-ImpervCurveNumberConductivityCon-LengthCon-Mann

值方法主要有3种方式：现场调查、模型手册及

相关文献调研、GIS测量参数．本研究中SWMM参数及其取值范围、取值方法如表2和表3所示．

SWMM模型水文水力模块主要参数及其取值范围、取值方法MajorparameterswithrespecttoSWMMhydrologyandhydraulicmodule

物理意义

汇水单元面积/km2

汇水单元坡面漫流宽度/m汇水单元坡度/%汇水单元不透水率/%汇水单元不透水区曼宁糙率汇水单元透水区曼宁糙率汇水单元不透水区贮水深度/mm汇水单元透水区贮水深度/mm

汇水单元无低洼地不透水区所占百分比/%曲线特征值·h－1传导系数/mm管道长度/m管道曼宁糙率

取值范围0.0320～0.7664

9.0～760.3220～0.9329

13～980.005～0.050.05～0.50

0～32.54～65.0～2039～980～6012.23～48.830.011～0.024

参数取值方法GIS数据库GIS数据库GIS数据库调查估计模型手册，文献模型手册，文献模型手册，文献模型手册，文献文献

文献和模型手册文献和模型手册GIS数据库模型手册，文献

2226

表3Table3

参数编号

123456789101112131415

参数代码BL1BL2BL3WL1WL2BRd1BRd2BRd3WRd1WRd2BRf1BRf2BRf3WRf1WRf2

屋面道路土地利用类型

绿地

环境科学33卷

SWMM模型水质模块主要参数及其取值范围、取值方法MajorparameterswithrespecttoSWMMwaterquality（SS）module参数名称Max．BuildupRateConstantRate/Sat．ConstantCoefficientExponentMax．BuildupRateConstantRate/Sat．ConstantCoefficientExponentMax．BuildupRateConstantRate/Sat．ConstantCoefficientExponent

物理意义

·hm－2地表最大可累积的污染物量/kg

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