不同目标函数对新安江模型参数的敏感性和不确定性影响分析

目标函数的选择影响流域水文模型的参数率定结果。为深入探究不同目标函数对水文模型参数的敏感性和不确定性及径流模拟结果的影响,本文以福建省金溪池潭流域日径流模拟为例,采用SCEM-UA优化算法率定三水源新安江模型,选择纳什效率系数f_(1)、均方根误差f_(2)和Kling-Gupta效率系数f_(3)作为参数率定的目标函数,同时构建分别偏好f_(1)、f_(2)、f_(3)三者的组合多目标函数F_(1)、F_(2)和F_(3)共6个率定目标,比较不同率定目标下的径流模拟精度差异,采用Sobol全局敏感性分析方法定量对比分析不同目标函数下的新安江模型参数敏感性,最后基于GLUE方法分析丰枯水期和不同流量级别下的径流模拟不确定性。结果表明:(1)6个目标函数下,新安江模型的主要敏感参数识别结果一致;(2)F_(1),F_(2),F_(3)较单目标函数展现出更高的径流模拟精度;(3)在不同水文时期和不同流量级别下,f_(1)表现出较其他目标函数更高的覆盖率和较小的不确定性区间。不同目标函数下均呈现枯水期参数不确定性最小,且随流量级别的增大而径流模拟不确定性增加的规律。

基于正交试验的土体动力等效线性模型参数敏感性分析

针对土体材料具有不均匀性的特点,动力参数存在一定的不确定性问题,基于正交试验法,以一堰塞坝为例,采用等效线性模型,对堰塞坝坝体竖向地震峰值加速度和竖向永久变形进行了等效线性模型参数的敏感性分析。结果表明:动力模型中参数k_(2)、n、λ_(max)对于坝体竖向地震峰值加速度的影响较大,其中k_(2)的敏感性最大,其次是n;参数k_(2)、k_(1)、λ_(max)对坝体竖向永久变形的影响较大,其中k_(2)的敏感性最大,其次是k_(1)。

西北春麦区APSIM-Wheat模型作物参数全局敏感性分析与比较

为提高西北春麦区APSIM-Wheat模型的适应性及校准的效率和精度,需要对作物参数进行重新率定,并对参数的取值范围进行标定,设定±10%、±20%、±30%、±40%和±50%五个参数取值范围,采用EFAST法和Morris法比较不同参数取值范围下模型的18个作物参数对春小麦产量和生物量的敏感性,并分析EFAST方法下最适宜的参数取值范围,同时对比两种敏感性分析方法的一致性。结果表明,对产量敏感的参数分别为每克茎籽粒数量(GPGS)、初花期积温(TFI)、灌浆期积温(TSGF)、出苗期到拔节期积温(TEOJ)、开花期积温(TF)、潜在灌浆速率(PGFR);对生物量敏感的参数分别为出苗期到拔节期积温(TEOJ)、灌浆期积温(TSGF)、初花期积温(TFI)、开花期积温(TF)。模型敏感参数和不敏感参数的适宜取值范围分别为±30%和±5%。不同参数取值范围下EFAST法和Morris法得到的敏感性结果一致性较好,在进行参数的敏感性分析时可以互相替代。

温度升高下APSIM模型春小麦籽粒生长参数敏感性分析及优化

为有效识别基于APSIM模型籽粒生长参数中春小麦产量敏感性参数,快速并准确的估算当地模型参数。使用甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村1971—2018年的气象数据和2000—2018年旱地春小麦大田试验数据,并利用EFAST方法对进行了5个增温梯度(0℃、0.5℃、1.0℃、1.5℃和2.0℃)下32个模型参数进行敏感性分析。粒子群算法对各个增温条件下均敏感的参数进行优化验证。结果表明:不同温度变化梯度下,对旱地春小麦产量影响最大的籽粒生长模型参数有9个,分别为消光系数、每克茎籽粒数量、穗粒数、单株最大籽粒质量、灌浆到成熟积温、出苗到拔节积温、株高、最大比叶面积和光合叶片老化的水分胁迫斜率。并且对产量敏感性强度有着显著的差异,其中消光系数和每克茎籽粒数量是对春小麦产量影响最大的参数,其他参数在不同温度下对春小麦产量的敏感性顺序存在差异。利用粒子群算法针对这9个参数进行优化,相较于优化前,优化后的春小麦产量、开花期和灌浆期籽粒干物质的均方根误差、归一化均方根误差和模型有效性指数均得到了显著改善,参数优化后开花期、灌浆期、成熟期产量的均方根误差平均值分别由13.50 kg hm-2减小到5.99 kg hm-2、183.17 kg hm-2减小到69.44 kg hm-2、141.69 kg hm-2减小到48.51 kg hm-2,归一化均方根误差平均值分别由4.94%减小到2.19%、10.92%减小到4.65%、8.39%减小到2.87%,模型有效性指数平均值分别由0.894提高到0.979、0.893提高到0.981、0.898提高到0.988。优化后的参数有效地提高了模型的预测精度。此研究为APSIM模型在当地应用和模型参数校准提供了科学依据。

基于GRA-GPR的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型

针对滚石运动特征参数间关系模糊等问题,在开展其敏感性分析的基础上,构建准确、快捷的滚石运动特征参数预测系统。首先引入灰色关联法(grey relation analysis,GRA),以水平运动距离、弹跳高度和碰撞能量等滚石运动特征为目标参数,研究了初始速度、边坡摩擦角、滚石质量、法向恢复系数和切向恢复系数等滚石运动影响因素的敏感性和显著性。随后,使用高斯过程回归模型,建立水平运动距离、弹跳高度和碰撞能量等滚石运动特征参数的预测模型,避免了传统的滚石运动数值模拟软件繁琐的建模计算过程。研究表明,高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)模型对滚石的水平距离和总动能的预测精度最高。因此,文中所构建的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型能够快速得出滚石运动特征参数,对支挡结构的设计和施工有重要的参考价值。

离子电喷雾推力器束电流数学模型与敏感性分析

虽然阵列式结构的离子电喷雾推力器具有小体积、高比冲、高推力分辨率等优点,但是其发展受到了缺乏理论研究的限制。针对该问题,基于多点发射现象发展了描述推力器束电流的数学模型,并通过智能优化算法对模型中的经验系数进行了辨识,研究了高、低电压下束电流及发射行为存在的不同特征。基于Sobol方法进行了全局敏感性分析,研究了发射体结构的几何参数对束电流的影响程度。模型计算结果与试验结果基本一致,当电压大于1.5 kV时,发射点基底半径与多孔储层孔隙半径相当,外加电场主要影响束电流的非线性增加;电压小于1.5 kV时,发射点数量较少,基底半径是多孔储层孔隙半径的1.5倍,发射点数量是影响束电流大小的关键因素。敏感性分析结果表明,发射体尖端与提取极之间的距离对束电流的影响程度最大,其1阶敏感性指数为0.841,在加工制造中须严格控制其公差大小。

基于APSIM模型的旱地小麦叶面积指数相关参数敏感性分析及优化

为解决作物模型参数率定过程中参数众多导致的敏感参数定位迟缓和调参效率低的问题,本研究运用敏感性分析和智能优化算法相结合的方法对作物模型参数进行调整,以甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村(2002—2004年)和凤翔镇安家沟村(2015—2017年)大田旱地小麦试验数据(叶面积指数)为参照,利用扩展傅里叶幅度检验法(EFAST),对APSIM-Wheat旱地小麦叶片生长子模型的23个参数进行敏感性分析,得到对模型结果较敏感的部分参数,然后利用粒子群优化算法对部分敏感参数进行优化。结果表明:1)影响旱地小麦叶片生长最敏感的参数依次为叶面积指数为0时最大比叶面积、叶片生长的氮限制因子、出苗到拔节积温、消光系数、拔节到开花积温、蒸腾效率系数;2)旱地小麦叶片生长子模型的参数优化结果:叶面积指数为0时最大比叶面积为26652 mm^(2)∙g^(−1),叶片生长的氮限制因子为0.96,出苗到拔节积温为382℃·d,消光系数为0.44,拔节到开花积温为542℃·d,蒸腾效率系数为0.0056;3)上述参数优化后的叶面积指数实测值与模拟值之间的均方根误差平均值从参数优化前的0.080减小到0.042,归一化均方根误差平均值从11.54%减小到6.11%,模型有效性指数平均值从0.962增加到0.988,优化后叶面积指数的模拟更好。该方法相对于传统的手工试错法,避免了优化参数的不确定性,实现参数自动率定,提高模型参数的率定效率,有利于模型快速地本地化应用,并指导农业生产。本研究方法也对APSIMWheat模型中其他作物模块的参数调整优化具有指导意义。

DNDC模型模拟不同施肥水平下旱作麦田土壤N2O排放及其敏感性分析

【目的】研究陇中黄土高原不同施肥水平下旱作麦田土壤N_(2)O的排放特征,验证DNDC模型对N_(2)O排放模拟的适应性。【方法】以甘肃省定西市旱作麦田为对象,设置不施氮肥(0 kg/hm^(2))、低量氮肥(55 kg/hm^(2))、中量氮肥(110 kg/hm^(2))、高量氮肥(220 kg/hm^(2))4种施肥梯度,采用静态箱-气相色谱法对土壤N_(2)O排放通量排放进行田间原位观测。结合试验点连续监测得到的N_(2)O排放通量等实测数据,运用DNDC模型探究多因子对模拟N_(2)O排放的敏感程度。【结果】不同施肥水平下,旱作麦田土壤N_(2)O排放趋势基本一致,且排放通量的大小与施氮量成正相关关系;DNDC模型对4种施肥水平下N_(2)O排放的模拟效果较好,具体表现为不施氮肥(R^(2)=0.88、EF=0.84、P=0.002),低量氮肥(R^(2)=0.92、EF=0.82、P=0.001),中量氮肥(R^(2)=0.86、EF=0.81、P=0.003),高量氮肥(R^(2)=0.84、EF=0.74、P=0.004),表明DNDC模型能够用于模拟不同施肥水平下旱作麦田土壤N_(2)O排放;敏感性分析则显示,相比其他因子,土壤pH值是影响模型模拟N_(2)O排放最为敏感的参数。【结论】为陇中黄土高原旱作麦田N_(2)O排放模型模拟的参数本地化提供基础依据,为今后农田管理措施的优化提供模型基础技术支撑。

本构模型对面板堆石坝动力特性影响及敏感性分析

为研究堆石料本构模型及模型参数对面板堆石坝动力响应特性的影响,基于有限元方法和动力时程分析,分别采用邓肯-张E-B模型和南水模型对某沥青混凝土堆石坝进行动力计算,比较了两种本构模型下坝体的静动位移、动应力和地震永久变形的分布规律和数值大小,在此基础上针对堆石料参数设计了正交试验,采用极差和方差分析方法研究了参数敏感性。结果表明,两种本构模型下面板坝的动位移分布规律相似但数值大小不同,动应力大小和分布规律均不同,参数K和Rd分别是邓肯-张E-B模型和南水模型中对坝体动位移最敏感的参数。

基于RAMMS-AVALANCHE模型的雪崩模拟参数敏感性分析

以巩乃斯大陆性气候雪崩危险区为研究背景,建立三维数字地形模型对雪崩运动过程进行模拟。研究RAMMS雪崩数值模拟结果的影响因素,分析计算网格分辨率、雪层断裂深度、摩擦系数3种参数值对模拟结果的影响程度及敏感性。通过单因素分析法对比不同参数下模拟结果进而得出3种参数的影响程度,采用灰色关联法分析参数对模拟结果的敏感性。结果表明:选择合适的计算网格分辨率能提高模拟结果的准确性;雪层断裂深度每减少10%,流动高度变化率在5%~7%;流动速度变化率在1%~2%;冲击力变化率在2%~3%;而摩擦系数的大小主要对堆积区特征值和雪崩停止时间产生较大影响,对运动过程中的特征值影响较小。在此基础上进行敏感度计算,根据计算结果确定各特征值最大影响性时参数的主次关系。研究结果明晰了雪崩模拟各输入参数的敏感性,可有效提高雪崩数值模拟参数选取的合理性和计算结果的准确性,为雪崩灾害危险程度分析提供依据。

基于敏感性分析的降参模型更新混合模拟方法

针对敏感性分析在识别参数数目过多时存在识别效率较低甚至无法分析的问题,引入分类敏感性分析和分阶段模型更新,提出基于敏感性分析的降参模型更新混合模拟方法,从而大幅降低分析和更新的参数数目,提升参数识别效率.以钢框架模型为例,选择8个模型参数,分别采用2种降参策略,讨论以不同敏感性占比作为核心参数选择标准时的降参模型更新混合模拟效果.数值模拟结果表明:不同策略下的模型更新误差差距在0.5%以内;采用分类、分阶段降参策略与全参数策略相比,参数识别的运算量减小,收敛步数大幅减少,验证了所提方法提升混合模拟参数识别速度的可行性与有效性.

小应变土体硬化模型参数的敏感性分析及确定方法

小应变土体硬化(hardening soil model with small strain stiffness,HSS)模型能够反映土体小应变阶段的非线性特性和应力相关性,在深基坑工程领域已被广泛应用。但由于模型参数众多,目前对参数确定方法尚缺乏系统研究。分析了HSS模型各参数的意义及常规确定方法,采用数值模拟方法开展了HSS模型参数的敏感性分析,基于统计的大量研究成果,建立了土体参数与孔隙比之间的非线性关系,进一步通过2处深基坑工程的变形分析进行验证。结果表明:在基坑数值分析中,参考动剪切模量G_(0)^(ref)的敏感性最高,参考切线模量E_(oed)^(ref)的敏感性最低,建立的非线性关系能够较好地反映土体模量与孔隙比的相关性,围护结构侧移的计算值及实测值较为吻合,验证了提出的参数确定方法的适用性,可为相关工程提供参考。

三芯电缆接头轴向温度反演模型及其材料参数敏感性分析

三芯电缆中间接头热点温度的实时感知对研究电缆安全运行、温升及动态载流能力评估具有重要意义。因此,以10 kV三芯电缆中间接头为研究对象,针对不同型号中间接头的结构、材料及现场工艺分散性的实际情况,构建了电缆接头温度场仿真模型,分析了中间接头的温度场分布规律。建立了基于轴向热流的导体轴向温度统一反演模型。采用单因子变化与正交组合方式,分析了材料参数分散性对接头导体轴向反演模型的拟合度及灵敏度的影响。仿真结果表明,轴向温度反演模型的灵敏度系数和拟合优度变化均较小,对于不同结构、材料及现场工艺分散性具有较好的鲁棒性。

一种基于敏感性分析的有限元模型优化方法

有限元计算是机械结构分析的重要手段,尤其在机械结构的振动分析方面具有明显优势。然而,有限元计算结果与振动测试结果之间仍存在误差,敏感性分析方法可以通过更新与优化有限元模型减少计算误差。通过对某实际飞机翼箱的实验,采用敏感性分析法进行了有限元模型优化。优化结果表明,采用敏感性分析方法对模型进行更新可显著减小有限元计算的误差。

活性污泥3号模型全局敏感性分析

全局敏感性分析可用于确定影响活性污泥3号模型(ASM3)预测结果的关键参数,从而提高参数校准的精度和效率。为了获得ASM3全局敏感性分析结果,利用Sobol’s法对ASM3进行全局敏感性分析,确定了影响SNH4、CODT等关键预测结果的重要参数。同时,通过比较使用Morris筛选法和Sobol’s法获得的全局敏感性分析结果,发现当重复次数足够大时,Morris筛选法也是一种可用于ASM3参数优先级排序和参数固定化的可靠方法。

锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁寿命预测及敏感性分析

为了探究锈蚀和疲劳作用后钢筋混凝土梁的长期性能,基于试验建立了钢筋混凝土梁含初始损伤的长期性能计算模型.基于该模型建立了锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁的极限状态方程,采用蒙特卡洛模拟研究了梁长期性能的时变可靠度并进行了寿命预测,分析了设计参数和初始损伤对梁使用寿命的影响,研究了试验梁满足100 a使用寿命的临界服役条件.结果表明,锈蚀和疲劳作用会严重削弱钢筋混凝土梁的长期性能,仅含4%锈蚀率和15%疲劳损伤梁的长期性能难以满足服役要求.增加梁的截面高度和钢筋截面面积可以有效地提高梁的长期性能,增大梁的截面宽度只能改善初始损伤小的梁的长期性能.

基于Morris和Sobol法的茶园地上部生物量与氮磷流失模拟敏感性分析

[目的]揭示土壤、地形和作物参数对DNDC模型模拟的茶园地上部生物量与氮磷流失量的影响程度,识别各模型输出的最敏感参数,为模型的率定提供指导方案。[方法]基于天目湖流域茶园径流小区数据和DNDC模型,应用定性的Morris法和定量的Sobol法对模拟的茶园地上部生物量、氮磷流失量(包括氮磷淋失量和含氮气体排放量)和水分渗漏量进行敏感性分析,评估了各个模型输出结果的敏感参数,并借助蒙特卡洛方法量化模型输出的不确定性。[结果]对地上部生物量产生最主要影响的参数为成熟作物中籽粒占总生物量之比;对氮淋失量产生最主要影响的参数为土壤黏粒含量;对磷淋失量产生最主要影响的参数为土壤容重;对水分渗漏量产生最主要影响的参数为坡度;对N_(2)O排放量产生最主要影响的参数为初始土壤有机碳含量;对NO排放量和对NH3排放量产生最主要影响的参数为土壤pH。各输出结果中,磷淋失量的不确定性最大,变异系数为43.84%;水分渗漏量的不确定性最小,变异系数为2.36%。Morris法和Sobol法相比,Morris法优在方便省时,Sobol法优在准确全面,两种方法得到的参数敏感度排序总相关性为0.86,具有一定可替代性。[结论]在率定模型之前,先应用Morris法确定敏感参数的范围,再应用Sobol法精确量化,从而快速准确地筛选出模型敏感参数。在此基础上,固定非敏感参数,先重点校正敏感作物参数,再校正敏感土壤参数。本研究可为DNDC模型参数的本地化提供科学支撑,提高该模型对天目湖流域茶园生态系统的模拟精度和效率。

大沽河流域海水入侵数值模拟及其全局敏感性分析

基于SEAWAT建立三维海水入侵数值模型对胶州湾附近大沽河流域滨海含水层的非稳定海水入侵过程进行了模拟,并利用2010年1月1日至2018年6月1日的地下水位和Cl-质量浓度观测数据对海水入侵数值模型中的水文地质参数进行校准和验证,同时利用全局敏感性分析评估含水层渗透系数和给水度等水文地质参数以及由降水入渗补给和地下水开采组成的源汇项对海水入侵数值模型的影响。结果表明:海水入侵的发展对降水入渗补给和地下水开采最为敏感,而渗透系数的影响则相对次要;增加降水补给量和减少地下水开采量可以有效地降低未来海水入侵的范围。

微观仿真参数敏感性自动化分析方法与实证

微观仿真模型参数标定是仿真技术得以科学应用的前提,针对微观仿真模型参数敏感性分析过程繁杂、实验量大、消耗时间长等问题,提出一种基于决策树方法的微观仿真参数敏感性分析的自动化实现方法,包含实验设计、仿真模型赋值与运行、结果汇总和敏感性分析四大模块。研究对各个模块的实现流程进行详细说明,并以快速路交织区为仿真场景,实证分析微观仿真模型中各类参数对宏观交通流延误、车辆运行速度以及交通流率这三个指标的敏感性。

基于MIKE11和HEC-RAS的模拟水面线比较及敏感性分析

应用HEC-RAS和MIKE11模型对淮河踅孜镇到淮滨站河段进行水面线计算,采用相同河道、断面、流量数据、下游水位流量关系、糙率等,推算水面线并与真实数据对比,计算了模型的精度,并对模型中涉及的主要水文参数——河道坡度和河道糙率进行敏感性分析。计算结果表明,MIKE11水动力模型推算的水面线精确度更高,其水位结果也略高于HEC-RAS模型,更加适用于研究区,经计算,MIKE11模型对糙率更为敏感,两个模型对河道比降均不敏感。