水文系统模拟不确定性研究进展

摘要/Abstract

摘要： 从水文系统模拟的基本特点出发，分析了水文模拟中广泛存在的不确定性的来源，对与水文系统模拟不确定性相关的研究进展进行了分类回顾，并介绍了贝叶斯概率水文预报理论的一般流程。研究回顾表明，数理统计是定量描述水文不确定性的有利工具。其次，完善水文机理研究，提高降水及下垫面相关参数的观测水平，以及提高降水预报的精度、概率水文算法的效率和精度是进一步减少水文模拟的不确定性的发展方向。

关键词: 水文, 模拟, 不确定性, 贝叶斯理论

Abstract:

Based on the basic characters in hydrologic simulation, the authors analyzed the causes of uncertainty widely existed in hydrologic simulation, reviewed on research progress in various hydrologic simulation uncertainty, and introduced the general flow of Bayesian Probability Hydrology Forecasting System. It has been found that the mathematical statistics is a helpful tool for quantitatively describing hydrologic uncertainty, besides, to further limit the uncertainty of hydrologic simulation needs efforts in following studies: to perfect the research on hydrologic mechanism, to improve the observation level of precipitation and the related parameters of underlying surface, to increase the precipitation forecast accuracy, and to heighten the efficiency and precision of probability hydrology calculation.

Key words: hydrology, simulation, uncertainty, Bayesian theory

中图分类号:

P334.92

武震;张世强;丁永建. 水文系统模拟不确定性研究进展[J]. 中国沙漠, 2007, 27(5): 890-896.

WU Zhen;ZHANG Shi-qiang;DING Yong-jian. Research Progress on Uncertainty in Hydrologic Simulation[J]. JOURNAL OF DESERT RESEARCH, 2007, 27(5): 890-896.

参考文献

［1］Freer J,Ambroise B B.Bayesian estimation of uncertainty in runoff prediction and the value of data:an application of the GLUE approach［J］.Water Resource Research,1996，32(7)：2161-2173.
［2］Vrugt J A,Gupta H V,Bastidas L A,et al.Effective and efficient algorithm for multiobjective optimization of hydrologic models［J］.Water Resource Research,2003,39(8):1214.
［3］陈仁升，康尔泗，杨建平，等.内陆河流域分布式水文模型——以黑河干流山区建模为例［J］.中国沙漠，2004，24（4）：416-424.
［4］高前兆，杵彦卿，刘发明，等.中国内陆河流域尺度的水资源利用率提高研究——黑河流域水生态经济管理试验示范［J］.中国沙漠，2004，24(4)：381-384.
［5］熊立华，郭生练.分布式流域水文模型［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.
［6］郭生练.水库调度综合自动化系统［M］.武汉：武汉水利电力大学出版社，2000:110-118.
［7］Antolik M S.An overview of the National Weather Service’s centralized statistical quantitative precipitation forecasts［J］.Journal of Hydrology，2000，239（1-4）：306-337.
［8］张利平，夏军.短期定量降水预报研究进展［J］.武汉水利电力大学学报，2000，33（1）：63-67.
［9］Krzysztofowicz R，Kelly K S.Hydrologic uncertainty processor for probabilistic river stage forecasting［J］.Water Resource Research，2000，36（11）：3265-3277.
［10］Krzysztofowicz R.Bayesian theory of probabilistic forecasting viadeterministic hydrologic model［J］.Water Resource Research，1999，35（9）：2739-2750.
［11］Kelly K S，Krzysztofowicz R.Precipitation uncertainty processor for probabilistic river stage forecasting［J］.Water Resource Research，2000，36（9）：2643-2653.
［12］Beven K J,Binley A M.The future of distributed models：model calibration and uncertainty prediction［J］.Hydrological Processes，1992,6:279-298.
［13］Beven K J,Binley A.The future of distributed models: model calibration and uncertainty prediction［J］.Hydrological Process,1992;6:279 98.
［14］Obled C H,Wendling Ch J,Beven K J.The sensitivity of hydrological models to spatial rainfall patterns: an evaluation using observed data［J］.Journal of Hydrology,1994,159(1-4):305-333.
［15］陈仁升，康尔泗，杨建平，等.Topmodel 模型在黑河干流出山径流模拟中的应用［J］.中国沙漠，2003,23（4）：428-434.
［16］Romanowicz R J,Keith J,Beven K J.Comments on generalized likelihood uncertainty estimation［J］.Journal of Hydrology,2006,6(1):1315-1321.
［17］Beven K J.A manifesto for the equifinality thesis［J］.Journal of Hydrology,2006,320(1-2):18-36.
［18］Pappenberger F,Matgen P,Beven J.Influence of uncertain boundary conditions and model structure on flood inundation predictions［J］.Advances in Water Resources,2006,29(10):1430-1449.
［19］李胜，梁忠明.GLUE方法分析新安江模型参数不确定性的应用研究［J］.东北水利水电，2006,24:259-261.
［20］Keith J,Beven K J.Estimating transport parameters at the grid scale:on the value of a single measurement ［J］.Journal of Hydrology,1993,143(1-2):109-123.
［21］Pappenberger F,Beven K J,Horritt M,et al.Uncertainty in the calibration of effective roughness parameters in HEC-RAS using inundation and downstream level observations［J］.Journal of Hydrology,2005,302(1-4):46-69.
［22］Gourley J J,Vieux B E.A method for identifying sources of model uncertainty in rainfall\|runoff simulations［J］.Journal of Hydrology,2006,327(1-2):68-80.
［23］Beck M B.Water quality modeling:a review of the analysis of uncertainty［J］.Water Resource Research,1987，23:1393–1442.
［24］Tartakovsky D M,Lu Zhiming.Guadagnini A,et al.Unsaturated flow in heterogeneous soils with spatially distributed uncertain hydraulic parameters［J］ .Journal of Hydrology,2003,275(3-4):182-193.
［25］Schulz H V，Bardossy A.Rainer Helmig Conditional statistical inverse modeling in groundwater flow by multigrid methods ［J］.Computational Geosciences，1999（3）：49-68.
［26］Govindaraju R S,Koelliker J K.Applicability of lineared Boussinesq equation for modeling bank storage under uncertain aquifer parameters［J］.Journal of Hydrology,1994,157(1-4):349-356.
［27］Wagener T,Wheater H S.Parameter estimation and regionalization for continuous rainfall\|runoff models including uncertainty［J］.Journal of Hydrology,2006,320(1-2):132-154.
［28］廖伙木，董增川，负汝安.基于共轭分布的洪水过程动态估计［J］.山东大学学报，2006,36(2):67-70.
［29］王栋，朱元甡.随机观测误差对水环境评价的影响［J］.水利学报,2003,10:23-30.
［30］蓝永超，丁永健，康尔泗，等.黑河流域水资源动态变化及其趋势的灰色马尔科夫链预测［J］.中国沙漠，2003,23(4):395-400.
［31］肖洪浪，程国栋.黑河流域水问题与水管理的初步研究［J］.中国沙漠，2006，26(1)：1-5.
［32］王学全，卢琦，李保国.应用模糊综合评价方法对青海省水资源承载力的评价研究［J］.中国沙漠，2005， 25(6):944-949.
［33］Duckstein L.Fuzzy conceptual rainfall\|runoff models［J］.Journal of Hydrology,2001,253(1-4):41-68.
［34］刘金涛，张佳宝.前期土壤含水量对水文模拟不确定性影响分析［J］.冰川冻土，2006，28（4）：519-525.
［35］Melching C S.An improved first\|order reliability approach for assessing uncertainties in hydrologic modeling［J］.Journal of Hydrology,1992,132(11):157-177.
［36］Kitanidis P K，Bras R L.Real\|time forecasting with a conceptual hydrologic model Analysis of uncertainty［J］.Water Resource Research,1980，16（6）：1025-1033.
［37］Lardet P，Obled C.Real\|time flood forecasting using a stochastic rainfall generator［J］.Journal of Hydrology，1994，162(3-4)：391-408.
［38］Georgakaos A P，Yao H，Mullusky M G，et al.Impacts of climate variability on the operational forecast and management of the upper Des Moines River basin［J］.Water Resource Research,1998，34（4）：799-821.
［39］Stein W,Talati K．Convex fuzzy random variables［J］． Fuzzy Sets and Systems,1981,6：271-283.
［40］杨文发，李春龙.降水预报与洪水预报耦合应用初探［J］.水资源研究，2003，24（1）：38-40.
［41］张洪刚，郭生练，周芬.考虑预见期降水的三峡水库区间洪水预报模型研究［J］.长科院院报，2005（1）：9-12.
［42］周念来，吴泽宇.水文要素模糊因果聚类预报及其应用［J］.郑州工业大学学报，2000，21（1）：58-61.
［43］Srivastava K,Serrano SE,Workman S R.Stochastic modeling of transient stream\|aquifer interaction with the nonlinear Boussinesq equation［J］.Journal of Hydrology,2006,328(3-4):538-547.
［44］张应华，杵彦卿，苏建平，等.额济纳盆地地下水补给机理研究［J］.中国沙漠,2006，26（1）:96-102.
［45］Krzysztofowicz R.The case for probabilistic forecasting in hydrology［J］.Journal of Hydrology，2001，249（1-4）：2-9.
［46］Vicens G J，Rodriguez\|Iturbe I，Schanke J C J R.A Bayesian framework for use of regional information in hydrology［J］.Water Resource Research，1975，11（4）：533-542.
［47］Duckstein L.Bayesian forecasting of hydrologic variable under Changing Climatology［J］.IAHS Publications，1987，168：301-304.
［48］Krzysztofowicz R.Bayesian model of forecasted time series［J］.Water Resource Research，1985，21（5）：805-814.
［49］Krzysztofowicz R，Watada L M.Stochastic model of seasonal runoff forecasts ［J］.Water Resource research，1986，22（3）：296-302.
［50］Krzysztofowicz R，Reese S .Bayesian analysis of seasonal runoff forecasts［J］.Stochastic Hydrology and Hydraulics，1991，5：295-322.
［51］Lye L M.Bayes estimate of the probability of exceedance of annual floods［J］.Stochastic Hydrology and Hydraulics，1990（4）：56-64.
［52］黄伟军，丁晶.水文水资源系统贝叶斯分析现状与前景［J］.水科学进展，1994，5（3）：242-247.
［53］Krzysztofowicz R,Kelly K S.Hydrologic uncertainty processor for probabilistic river stage forecasting［J］.Water Resources Research ,2000,36(11):3265-3277.
［54］Freer J，Beven K J.Bayesian estimation of uncertainty in runoff prediction and the value of data：an application of the GLUE approach［J］．Water Resources Research，1996,32(7):2161-2173．
［55］Maranzano C J,Krzysztofowicz R.Identification of likelihood and prior dependence structures for hydrologic uncertainty processor ［J］.Journal of Hydrology,2004 ,290(11):1221-1229.
［56］Romanowicz R J,Beven K J,Tawn J.Evaluation of predictive uncertainty in nonlinear hydrological models using a Bayesian approach［C］∥ Barnett V,Turkman K F.Statistics for the Environment,vol.2,Water Related Issues.Chichester:Wiley,1994:297 315.

[1]	王晓旭, 严平, 王勇, 董苗, 王一娇, 张潇. 坡度和坡形对爬坡沙丘形成影响的风洞模拟实验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 118-126.
[2]	李玲萍, 卢泰山, 刘明春, 胡丽莉, 王素萍. 基于标准化流量指数(SDI)的石羊河流域水文干旱特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 24-33.
[3]	周立峰, 杨荣, 赵文智. 荒漠人工固沙植被区土壤结皮斥水性发展特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 185-192.
[4]	靳婷, 彭晓庆, 王萍. 脉动风场下跃移沙粒对风的响应时间[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 100-108.
[5]	包岩峰, 王学全, 姚斌, 郝玉光, 刘芳, 辛智鸣, 李永华. 小网窄带防护林叠加防风效果风洞实验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 185-194.
[6]	常学礼, 李秀梅, 白雪莲, 季树新, 王理想. 荒漠绿洲交错区绿洲扩张与主要水文过程[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 204-211.
[7]	鱼燕萍, 肖建华, 屈建军, 李芳, 李万强, 潘多明, 吴青瑞, 洪雪峰, 田永祯. 两种典型高等级公路路基断面风沙过程的风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2019, 39(1): 68-79.
[8]	张志山, 李新荣, 赵洋, 张亚峰, 杨昊天, 虎瑞. 沙坡头生态水文学研究进展及水量平衡自动模拟监测系统[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1119-1135.
[9]	辛林桂, 程建军, 王连, 智凌岩. 基于Design Exploration方法对铁路下导风工程关键设计参数的优化[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1193-1199.
[10]	王敏仲, 徐洪雄, 王寅钧, 买买提艾力·买买提依明, 张建涛. 塔克拉玛干沙漠夏季晴空对流边界层大涡模拟[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1275-1286.
[11]	金莉莉, 李振杰, 何清, 刘永强, 买买提艾力·买买提依明, 辛渝. CoLM模式对塔克拉玛干沙漠北缘陆面过程模拟评估及修正[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1287-1302.
[12]	李成阳, 薛娴, 赖炽敏, 尤全刚, 彭飞, 张文娟. 青藏高原退化高寒草甸生长季承载力[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1330-1338.
[13]	张金鑫, 张景波, 卢琦, 吴波, 朱雅娟, 李永华. 人工模拟降雨变化对白刺(Nitraria tangutorum)生理生态特征的影响[J]. 中国沙漠, 2018, 38(4): 747-755.
[14]	鱼燕萍, 肖建华, 屈建军, 魏明年, 潘多明, 洪雪峰, 田永祯, 李芳. 不同坡角公路路基流场的风洞实验[J]. 中国沙漠, 2018, 38(3): 464-472.
[15]	王婷婷, 冯起, 温小虎, 郭小燕. 基于极限学习机的干旱区潜在蒸发量模拟[J]. 中国沙漠, 2017, 37(6): 1219-1226.