模型参数与边界条件对滇池水质变化的全局敏感性分析

借助湖泊系统模拟可定量地追踪滇池水质的变化过程,而模型输入水质参数和边界条件对机理模型的结果有显著的影响.然而,目前研究主要关注参数或边界条件对模拟结果的敏感性影响,缺乏兼顾模型内部方程参数与外部输入边界条件对结果的影响,并对比分析其相对大小.以滇池为例,通过对其构建的IWIND水质模型中的90个水体参数、83个底泥参数、6个气象边界条件、51个河流输入边界条件进行联合采样,计算叶绿素a、总氮、总磷、氨氮以及溶解氧5种指标的对数纳什系数（现状为基线）,并进行Sobol全局敏感性分析,获得滇池的敏感性参数和边界条件.结果表明：通过比较两大类输入数据的全局敏感性,气象边界条件敏感性最大,其次是水体参数、底泥参数,河流输入边界条件敏感性最小.其中气象敏感边界条件是风速、气压、气温、相对湿度、辐射且风速敏感性最大,水体敏感水质参数主要是藻类代谢及生长过程、碳循环碳矿化过程、氧循环复氧过程与温度相关的参数（KTG2d、TRc;KTMNL;KTR）,惰性颗粒态有机物沉降速率（WSrp）.底泥敏感参数主要是第二层泥沙浓度（rM2）、底泥中有机碳降解过程中温度相关系数（ThKC1）、惰性颗粒态有机碳转...     

成都市居民生活方式碳排放的不确定性分析

通过拟合调研获取的成都市居民生活方式细节的统计分布,采用蒙特卡洛模拟对居民生活方式的碳排放进行不确定性分析。结果显示:不同居民的生活方式存在着很大的差异。随着调查样本数量的增加,生活方式的分布情况呈现明显的统计规律。居民生活方式碳排放存在着很大的不确定性。大多数居民生活方式的碳排放在全民排放的均值以下。但少部分的居民却贡献了大部分的碳排放。因此,提倡基于生活方式的节能减排,更重要的是关注少数高排放生活方式群体。这也是制定低碳经济相关政策时需要考虑的一个重要因素。     

WASP模型应用于城市区域河网水质模拟研究

WASP7.2是美国国家环保局开发的最新的Windows版水质模拟软件。文章以成都市核心城区为例,应用WASP7.2对城市区域河网水质进行了模拟研究。研究的水质指标包括:BOD和NH3-N,并用2005年成都市成都核心城区河网水质实测值对水质模型模拟结果进行校验。研究结果表明:边界断面BOD、NH3-N模拟的平均相对误差分别为1.084%、0.947%;中间断面BOD、NH3-N模拟的平均相对误差分别为0.315%、3.0%。WASP7.2应用于在城市区域河网水质模拟能够取得满意的结果。     

基于沉积物磷释放的WASP水质模型改进研究

沉积物释放是水体磷污染的重要来源之一.鉴于一般水质模型对沉积物释放项的模拟过于简单,无法充分体现实际河道污染物迁移转化等情况.本研究通过静态和动态相结合的室内沉积物释放模拟实验探讨不同水动力条件下磷释放规律,以此修正现有的水质模型,使沉积物在不同水动力条件下的释放项对河道水质的影响在模型中得到体现,并将其应用于太湖苕溪入湖口的水质模拟中.研究结果表明,在不同水动力条件下,沉积物释放速率与流速呈现指数增长关系.而采用动态底泥释放修正后的水质模拟效果要比采用模型默认值的水质模拟效果好,从而验证了改进模型的合理性,也表明水动力对沉积物释放的影响是水质模拟中不可忽略的因素.     

白洋淀水域WASP富营养化模型改进研究

在美国环保局开发的WASP湖泊富营养化模型的基础上,引入了浮游动物这一影响因子,表征了浮游动物生长动力学及其对营养盐与溶解氧的作用,使得模型对富营养化过程的描述更加全面。建立的湖泊生态模型,涉及浮游植物、浮游动物、氮、磷、溶解氧等9个变量,揭示了变量之间的相互关系以及湖泊富营养化的变化规律。结合白洋淀水域2004年的总氮、总磷、溶解氧、碳生化需氧量的实际监测数据,将WASP模型和改进后的模型的计算结果进行对比分析,表明改进后的模型能更好的与实测值相吻合,尤其是对于浮游植物、总氮和碳生化需氧量的模拟,准确再现了变量在1a内的变化过程。     

环境模型中敏感性分析方法评述

模型本身及其参数的不确定性使其模拟结果的可靠性备受争议,科学地认识模型的不确定性并对其进行定量的评价一直是环境模型研究的前沿,也是环境模型构建和应用过程中不可缺少的环节.通过敏感性分析,研究模型输入参数的变化对模型输出结果的影响程度,有助于了解并简化模型结构、提高参数率定效率、增进模型精度并增加模型应用的可靠性.本研究总结了敏感性分析在环境模型中的作用,并对常见的敏感性分析方法的原理、应用范围和优缺点进行了综述.最后,阐述了敏感性分析在环境模型模拟决策中应用的现状和未来研究方向.     

河道曝气提升河流水质的WASP模型研究

曝气充氧是修复受污染河道的重要技术,数学模型是预测、评估环境污染状况的重要方法.本研究应用WASP水质模型评价不同时段河道曝气对河流水质的提升作用.初期模型验证结果表明,WASP水质模型拟合结果与实际监测结果基本吻合,可为水污染治理工程提供参考依据.在此基础上,对不同曝气条件进行模拟分析,结果表明,河道曝气能够有效降低河水中的化学需氧量(COD)和氨氮(NH+4-N)浓度,改善水质;随着曝气河段内溶解氧(DO)水平的提升,水质虽不断改善,但改善幅度逐渐减小;全年不同月份曝气效果差异显著,5~9月曝气效果较好.结合经济投入和环境效益,最终确定夏季提升DO水平达到4 mg·L-1为河道曝气最优条件.     

基于扰动分析方法的AnnAGNPS模型水文水质参数敏感性分析

参数敏感性分析对于水文水质综合模型的构建及推广应用具有重要的意义.本研究基于AnnAGNPS模型机制,选取可能对模型产生影响的地形、水文气象、田间管理、土壤等4大类31个参数,以太湖地区典型低山丘陵小流域——中田河流域为实验区,利用扰动分析方法评价了模型参数对水文水质模拟结果的敏感性.结果表明,11个地形参数中,LS对径流、泥沙与氮磷等模拟结果普遍敏感,RMN、RS和RVC对泥沙输出分别为一般敏感和弱敏感,其余参数不敏感.水文气象参数中CN对模型径流和泥沙输出特别敏感,对其余结果也都比较敏感.田间管理与植被作物肥料参数中CCC、CRM和RR对泥沙和颗粒态污染物输出弱敏感,6个肥料参数(FR、FD、FID、FOD、FIP、FOP)对氮磷营养盐输出特别敏感.土壤参数中,K对模型除径流之外的所有结果都特别敏感,土壤氮磷含量的4个参数(SONR、SINR、SOPR、SIPR)对相对应的氮磷输出结果弱敏感.通过对中田河流域2005~2010年径流量的模拟和校正检验发现,模拟期与校正期年径流量偏差基本都在10%以内,模拟精度优秀.本研究对AnnAGNPS模型构建中的参数选取与校验调整具有直接参考价值,对研究区的径流模拟结果也证明了模型敏感性分析对于调参过程的可行性和该模型在太湖地区低山丘陵流域径流模拟的适用性,对于模型在国内的推广应用具有重要的指导意义.     

大型浅水湖泊水质模型边界负荷敏感性分析

为探究太湖水质对外源负荷削减的时空响应分异性,阐明不同入湖水量和污染来源条件下对应的外源削减侧重点,基于EFDC模型构建太湖水质模型,将太湖入湖边界划分为7组,以COD和氨氮为输出目标,采用局部敏感性分析方法进行太湖水质边界敏感性分析.结果 表明,各湖区的COD和氨氮改善响应特点为自削减边界向外围递减,边界敏感性指数均...     

北京市生活垃圾填埋场产甲烷不确定性定量评估

为了提高北京市生活垃圾填埋场产CH4评估精度,联合FOD模型和Monte Carlo方法,依靠本地和国家数据及专家经验,对模型进行不确定性识别和敏感性分析,量化各参数对模型输出结果的影响.结果表明,2008年北京市因填埋产CH4量95%的概率分布范围为(11.80～19.76)×104t.a-1,均值为15.58×104t.a-1,排放的不确定范围为-24.26%～26.83%.FOD模型中甲烷修正因子MCF(2000年后)对2008年排放结果的影响最大,其结果不确定性的贡献率为41.4%.研究提高了北京市生活垃圾填埋场CH4排放量评估精度和质量,为指导填埋场温室气体清单改进和数据收集提供科学依据.     

地下水污染模拟模型的不确定性分析

为同时分析源汇项和水文地质参数不确定性对地下水污染数值模拟模型输出结果的影响,以抚顺市某煤矸石堆放场为研究实例展开研究.首先以硫酸根离子作为模拟因子,建立该场地地下水污染数值模拟模型.然后,分别采用局部灵敏度分析和全局灵敏度分析两种方法对模拟模型参数进行灵敏度分析并对比二者的结果,最终筛选出对模型输出结果影响较大的两个参数作为模型的随机参数.为减少反复调用模拟模型产生的计算负荷,分别对3口观测井应用克里格、核极限学习机、支持向量机和BP神经网络4种方法建立模拟模型的替代模型,根据这4种替代模型在不同井的拟合效果,为每口井优选出一个表现最好的替代模型,并利用优选出的替代模型完成蒙特卡洛随机模拟.最后,对随机模拟的结果进行统计分析与风险评估.结果表明,在置信度为80%时,1,2,3号三口井浓度的置信区间分别为:211.48~845.04mg/L,0~406.98mg/L,231.42~958.37mg/L.此外,依据《地下水质量标准》和各井的污染物浓度分布函数曲线得出:1号井和3号井的水质达标Ⅴ类水的概率分别为90.1%和93.1%,2号井达标Ⅲ类水的概率为80.7%,藉此为地下水资源管理和污染防治提供合理依据.     

湖泊水动力模型外部输入条件不确定性和敏感性分析

以我国典型的大型浅水湖泊太湖为研究区域,采用国内外常用的环境流体动力学模型(EFDC),结合拉丁超立方取样(LHS)方法,研究湖泊水动力模型中4个重要的外部输入条件,即3个边界输入条件(出入湖流量、风速、风向)和1个初始输入条件(初始水位),对模型水动力模拟结果(水位、水龄以及流场)的影响与贡献.结果表明,初始水位的设定对模拟全湖水位和水龄产生决定性影响,不确定性的贡献率分别达到85.73%和66.125%,对垂向平均流速影响的贡献率只有3%;风速对表面流速模拟结果影响较大,贡献率达到58.70%,而对水位和水龄的贡献率分别为5.25%和3.00%.在垂向上,各层流速受外部输入条件不确定性的影响规律相似,贡献率排序为风速(55%~60%)>风向(10%~15%)>初始水位≈出入湖流量(1%~5%).因此在模拟大型浅水湖泊水动力过程时,可以根据不同的输出目标能够有针对性地提高外部输入条件的准确度,为提高模型精确度提供有效信息.     

湖泊水动力模型外部输入条件不确定性和敏感性分析

以我国典型的大型浅水湖泊太湖为研究区域,采用国内外常用的环境流体动力学模型(EFDC),结合拉丁超立方取样(LHS)方法,研究湖泊水动力模型中4个重要的外部输入条件,即3个边界输入条件(出入湖流量、风速、风向)和1个初始输入条件(初始水位),对模型水动力模拟结果(水位、水龄以及流场)的影响与贡献.结果表明,初始水位的设定对模拟全湖水位和水龄产生决定性影响,不确定性的贡献率分别达到85.73%和66.125%,对垂向平均流速影响的贡献率只有3%;风速对表面流速模拟结果影响较大,贡献率达到58.70%,而对水位和水龄的贡献率分别为5.25%和3.00%.在垂向上,各层流速受外部输入条件不确定性的影响规律相似,贡献率排序为风速(55%~60%)>风向(10%~15%)>初始水位≈出入湖流量(1%~5%).因此在模拟大型浅水湖泊水动力过程时,可以根据不同的输出目标能够有针对性地提高外部输入条件的准确度,为提高模型精确度提供有效信息.     

WASP4在太浦河水质管理中的应用

运用WASP4模型系统模拟结果表明,太浦河的开通将明显改善黄浦江松浦大桥取水口水质。     

考虑参数和边界条件不确定性的地下水污染随机模拟

为了分析模型参数的随机变化和边界条件的随机变化对地下水溶质运移模型输出结果的不确定性影响,采用蒙特卡洛模拟对一假想算例展开研究,并结合风险评估阐述不确定性分析结果.首先,建立研究区地下水溶质运移数值模拟模型,并综合利用局部灵敏度分析和全局灵敏度分析方法筛选出对模型输出结果影响较大的参数,连同模型的边界条件(第一类边界条件-水头值)一起作为随机变量.然后,利用优化超参数的高斯过程回归(GPR)方法建立模拟模型的替代模型,代替模拟模型完成蒙特卡洛随机模拟.最后,对随机模拟的结果进行统计分析和区间估计,并利用污染物浓度的概率分布函数对1、2、3号观测井进行地下水污染风险评价.结果表明:置信水平>80%时,1,2,3号观测井污染物浓度值的置信区间分别为34.77~35.03,57.74~58.04,100.07~100.69mg/L.此外,1,2,3号观测井为轻度污染的风险分别为6%,100%,100%;为中度污染的风险分别为0%,0%,99.6%;为重度污染的风险分别为0%,0%,0.5%,藉此为地下水污染修复防治和地下水的合理利用提供可靠参考依据.     

基于不确定性拔销器的机构运动可靠性分析

目的 实现拔销器可靠性的定量分析和高效精确评估,研究拔销器工作过程中随机变量对可靠性的影响,提出一种基于不确定性的拔销器机构运动可靠性建模与分析方法。方法 首先,基于应力–强度模型和拔销器的机构运动失效模式,建立极限状态方程;然后,综合考虑工作过程中不确定性因素的影响,采用基于Kriging代理模型逼近极限状态方程的机构运动可靠性分析方法,对拔销器的机构运动进行高效可靠性分析;最后,对拔销器机构运动中的随机变量进行可靠性灵敏度分析,确定随机变量对拔销器的机构运动的可靠性影响程度,为优化设计提供方向。结果 拔销器机构运动的可靠度均大于0.999 9,达到设计要求。影响拔销器活塞启动可靠性最大的是剪切销直径d,其次是A、f、ρ等,影响活塞运动可靠性最大的是A,其次是f、ρ。结论 该方法能够准确描述不确定性因素对拔销器机构运动的影响,提升机构运动可靠性定量分析的精度和效率,为拔销器的精细化设计提供了理论支撑。     

基于替代模型的地下水溶质运移不确定性分析

为分析参数的不确定性对地下水溶质运移数值模型的影响,采用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟对一算例进行分析,并从风险评估的角度对不确定性分析的结果进行了阐释.为减小计算负荷,利用Sobol'法对模型参数进行了灵敏度分析,筛选出较为敏感的参数作为随机变量,建立了模拟模型的克里格(Kriging)替代模型,进而实现Monte Carlo模拟.结果表明:置信度为80%时,井1,2,3浓度值的置信区间分别为23.46~42.06,47.99~66.73,69.54~82.94mg/L;结合风险评估,计算出地下水受污染的风险为0.54,可为地下水污染物防控与修复提供科学依据.     

基于不确定度和敏感度分析的LCA数据质量评估与控制方法

通过提出定量评估并控制LCA数据质量的系统化方法(称为CLCD-Q方法),从LCA案例的原始数据和清单数据算法开始评估不确定度;然后通过两次蒙特卡罗模拟,先后得出单元过程清单数据及LCA结果的不确定度;最后结合敏感度分析,辨识出LCA模型中具有高不确定度和高敏感度的关键数据,从而指出控制和改进数据质量的关键点.结果发现,上述方法可在eBalance软件和CLCD数据库中实现.同时,对中国电网电力生命周期的示例研究表明,上述方法将传统的LCA数据质量评估延伸到了原始数据层面,从而为数据收集过程中的原始数据与算法选择提供了直接的支持,同时也可以针对数据质量不达标的LCA结果,指出最有效的改进方向.