2024年5月7日发(作者：)

第２８卷第１期　

２０１２年３月　

北京建筑工程学院学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　

Ｖｏ１．２８　ＮＯ．１　

Ｍａｒ．２Ｏｌ２　

文章编号：１００４—６０１１（２０１２）０ｌ一００４５—０４　

暴雨管理模型ＳＷＭＭ水文参数的敏感性分析案例研究　

张胜杰，　宫永伟，　李俊奇　

（北京建筑工程学院城市雨水系统与水环境省部共建重点实验室，北京　１０００４４）　

摘　要：结合北京地区的实际案例，根据实测降雨数据，运用摩尔斯筛选法对城市暴雨管理模型　

ＳＷＭＭ中的水文参数进行敏感性分析，为参数率定提供参考．分析结果表明，对径流峰值流量最敏　

感参数为汇水区面积，而对径流系数最敏感参数为不透水率；不同降雨强度时，与下渗有关参数的　

敏感性也是不同的．　

关键词：ＳＷＭＭ模型；摩尔斯筛选法；敏感性分析　

中图分类号：ＴＵ９９２．４　文献标志码：Ａ　

Ｃａｓｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｕｓｉｎｇ　ＳＷＭＭ　

Ｚｈａｎｇ　Ｓｈｅｎｇｊｉｅ，　Ｇｏｎｇ　Ｙｏｎｇｗｅｉ，Ｌｉ　Ｊｕｎｑｉ　

（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｓｔｏｒｍ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＢＵＣＥＡ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　Ｍｏｒｒｉｓ　ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｓｔｏｒｍｗａｔｅｒ　

Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌ（ＳＷＭＭ）ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒａｉｎｆａｌｌ　ｄａｔａ．Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ａ　ｂａｓｉｃ　

ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｆｏｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｕｎｏｆｆ　

ｐｅａｋ　ｆｌｏｗ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｓｕｂ—ｃａｔｃｈｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｒｕｎｏｆｆ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗａｓ　ｔｈｅ　

ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｉｍｐｅｒｖｉｏｕｓｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｉｎｄｉｃｅｓ　ｒａｎｋｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ＳＷＭＭ　ｍｏｄｅｌ　

ｒｅｌａｔｅｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒａｉｎｆａｌｌ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＷＭＭ；Ｍｏｒｒｉｓ　ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

随着城市化的发展，城市不透水区比例的增加，　

而实现对研究区的可靠模拟．复杂模型的参数通常　

较多，实践表明并不必要对所有的参数都进行率　

定　．模型的众多参数中有些参数的取值变化对　

模拟结果的影响较大，但是有一些影响微乎其微，因　

此需要对模型参数进行鉴别分类，即参数敏感性分　

析．通过研究参数对模型输出结果的影响，识别敏　

降雨径流量随之增加，降雨径流污染问题日渐突出．　

利用模型对降雨径流的水文水质模拟是对降雨径流　

污染管理和控制的重要手段．暴雨管理模型　

（ＳＷＭＭ）是由美国环保部（ＥＰＡ）开发的暴雨管理　

模型，在国外降雨径流管理方面得到了广泛的应　

用…．近年来，在国内也有一些研究和应用．　

感参数，为模型参数的率定和不确定分析提供重要　

参考　，从而提高参数率定的效率和模型模拟的可　

靠性．　

参数率定是水文模拟研究中的一项重要内容，　

通过率定可以确定适用于研究区的模型参数值，从　

收稿日期：２０１２—０２—２８　

基金项目：北京市城市雨水系统与水环境生态技术学术创新团队项目［ＰＨＲ２０１１０６１２４］　

作者简介：张胜杰（１９８６～），男，硕士研究生，研究方向：城市雨洪控制利用．　

４６　北京建筑工程学院学报　

１研究材料与方法　

１．１研究区概况及降雨数据　

选择北京市某住宅小区为研究区，研究区面积　

为２８　ｈａ，其中：住宅占地３．９　ｈａ，道路和停车场占地　

６．０　ｈａ，绿化占地１５．３０　ｈａ，人工湖占地３．８　ｈａ．研　

究区内地势低洼，未使用雨水管线，雨水径流首先通　

过低势绿地、渗透铺装、植草浅沟等设施滞留消纳，　

最终排人人工湖．　

降雨数据由布设在研究区的雨量计获得．选取　

两场典型不同降雨强度的降雨分别进行敏感性分　

析，两场降雨的降雨强度变化过程见图１、图２．　

图１　２０１１０７２９降雨强度变化过程　

昌　

皇　

鳗　

怪　

世　

一

ｆ｜一目

ｌ　ｎ—ｌ　ｌ＿　＿日　

图２　２０１１０８１４降雨强度变化过程　

２０１１０７２９降雨的降雨量为２０．０　ｍｍ，降雨历时　

接近２．５　ｈ，降雨初期降雨强度迅速增大，在降雨开　

始近２０　ｍｉｎ后达到最大降雨强度，并在８：５Ｏ左右　

降雨强度出现反复，之后降雨强度逐渐减小，直至停　

止；２０１１０８１４降雨量为２３．６　ｍｍ，降雨历时为２　ｈ左　

右，初期降雨强度较小，降雨开始１　ｈ后，降雨强度　

逐渐增大至峰值，之后逐渐减小至降雨停止．气象　

学上一般规定每小时降雨量１６　１３３／／１以上，或连续１２　

ｈ降雨量３０　ｍｍ以上，或连续２４　ｈ降雨量５０　ｍｍ以　

上为的降雨为暴雨．两场实际监测降雨根据定义均　

非暴雨，但这两场降雨的特征很适合揭示城市雨洪　

设施的效果，因此选择这两场降雨进行研究．　

１．２敏感性分析方法　

摩尔斯筛选法是目前应用较广的一种敏感性分　

析方法．摩尔斯筛选法是选定众多参数中的其中一　

个变量　，进而在变量值域范围内随机改变　，运行　

模型得到不同　的目标函数Ｙ（　）＝Ｙ（　。，　：，　，　

…

，

ｚ　）的结果，最终运用影响值ｅ　判断参数变化对　

输出值的影响程度　．　

Ｐ　＝（Ｙ　一Ｙ）／Ａ　（１）　

式中Ｙ　一参数变化后的输出值；　

ｙ一参数变化前的输出值；　

△　一参数ｉ的变化幅度．　

本研究采用修正摩尔斯检验法进行参数的敏感　

性分析．修正的摩尔斯检验法采用自变量以固定步　

长百分率变化，最终敏感性判别因子取摩尔斯系数　

的多个平均值，其计算公式为　：　

５Ⅳ＝　／ｎ　

式中　ｓⅣ一敏感性判别因子；　

ｌ，　一模型第ｉ次运行输出值；　

ｙ…一模型第ｉ＋１次运行输出值；　

一

参数调整后计算结果初试值；　

Ｐ　一第ｉ次模型运行参数值相对于校准后参　

数值的变化百分率；　

Ｐ　一第ｉ＋１次模型运算参数值相对于校准　

后初始参数值的变化百分率；　

Ⅳ一模型运行次数．　

本研究以１０％为固定步长对各个水文水力参　

数进行扰动，取值分别为一３０％、一２０％、一１０％、　

１０％、２０％、３０％．某一水文参数值变化时，其它参　

数保持固定不变．分析在两种不同降雨情形时水文　

参数对峰值流量和径流系数的敏感性．　

１．３模型参数取值　

ＳＷＭＭ模型中水文参数参考实测及经验参数，　

模型中水文参数的取值范围　，见表１．　

根据参数的敏感度值，将参数的敏感性分为　

四类　：　

１）当参数敏感度值Ｉ　ＳＮＩ≥１时，为高敏感参数；　

２）当参数敏感度值０．２≤Ｉ　ＳＮ　Ｉ＜ｌ时，为敏感　

参数；　

３）当参数敏感度值０．０５≤　

ＳＮ　Ｉ＜０．２时，为中　

等敏感参数；　

４）当参数敏感度值０≤ＩＳＮ　

＜０．０５时，为不敏　

第１期　张胜杰等：暴雨管理模型ＳＷＭＭ水文参数的敏感性分析案例研究　４７　

表１　ＳＷＭＭ模型中水文参数取值范围　

感参数　

２结果与分析　

ＳＷＭＭ模型水文参数对径流峰值流量的敏感　

性分析结果见表２．　

表２　ＳＷＭＭ模型水文参数对径流峰值量的敏感性分析结果　

由表２可知，对于两场不同强度的降雨，影响径　

流峰值流量最敏感的参数为Ａｒｅａ，Ｗｉｄｔｈ、Ｉｍｐｅｒｖ、　

Ｓｌｏｐｅ、Ｎ－ｉｍｐｅｒｖ和Ｄｓｔｏｒｅ・ｐｅｒｖ为敏感参数，其余参　

数为不敏感参数．参数在降雨强度不同时的敏感性　

顺序略有不同，存在一定的波动性．对于径流峰值　

流量，与下渗有关的参数ＭａｘＲａｔｅ、ＭｉｎＲａｔｅ、Ｄｅｃａｙ、　

Ｄｒｙｉｎｇ　ｔｉｍｅ在两场降雨时均为不敏感参数．Ｂａｒｃｏ　

等人的研究显示对于降雨径流峰流量最敏感的参数　

为Ｉｍｐｅｒｖ，而Ｎ　ｐｅｒｖ为不敏感参数　；Ｇｏ｜ｄｓｔｅｉｎ等　

人的研究显示对于降雨径流峰值流量最敏感的参数　

为Ｉｍｐｅｒｖ和Ｎ．ｉｍｐｅｒｖ　１０　３．这些研究与本研究的结　

果有一定的差异，原因在于对于不同降雨特征、土地　

利用方式、下垫面类型的研究区域，模型参数的敏感　

性是不同的．　

ＳＷＭＭ模型水文参数对径流系数的敏感性分　

析结果见表３．　

表３　ＳＷＭＭ模型水文参数对径流系数的敏感性分析结果　

ＳＷＭＭ模型中参数Ｉｍｐｅｒｖ、Ｗｉｄｔｈ和Ａｒｅａ对径　

流系数为敏感参数，Ｓｌｏｐｅ、ＭａｘＲａｔｅ和ＭｉｎＲａｔｅ为中　

等敏感参数，其余参数为不敏感参数．刘兴坡对径　

流系数敏感性分析显示对于径流系数Ａｒｅａ、Ｉｍｐｅｒｖ、　

Ｗｉｄｔｈ、Ｎ—Ｉｍｐｅｒｖ和Ｓｌｏｐｅ参数都为敏感参数…　．对　

于强度较大的降雨，与下渗有关的参数ＭａｘＲａｔｅ、　

ＭｉｎＲａｔｅ由不敏感参数变为中等敏感参数，降雨强　

度较大时透水区积水速度超过了渗透速度，使得透　

水区产生径流，从而使与渗透有关的参数显示出一　

定的敏感性　，降雨强度对参数敏感性具有一定的　

影响的，尤其是对与下渗有关的参数，　

通过对ＳＷＭＭ中水文参数敏感性的分析，得出　

４８　北京建筑工程学院学报　２０１２焦　

了对径流峰值流量及径流系数敏感的参数，从而为　

参数率定奠定了基础，减少了率定工作量，提高了参　

数率定的效率和模拟的可靠性．本研究的成果可以　

为未建设雨水管网区域模型模拟过程中的率定工作　

提供参考依据．　

３　结论　

１）ＳＷＭＭ模型中不同状态的变量一径流峰值　

流量与径流系数的敏感参数是不同的．对径流峰值　

流量敏感参数有Ａｒｅａ、Ｗｉｄｔｈ、Ｉｍｐｅｒｖ、Ｓｌｏｐｅ、Ｎ—ｉｍ—　

ｐｅｒｖ和Ｄｓｔｏｒｅ—ｐｅｒｖ，对径流系数敏感的参数只有Ｉｍ．　

ｐｅｒｖ、Ｗｉｄｔｈ和Ａｒｅａ．对径流峰值流量的最敏感参数　

参数为Ａｒｅａ，而对径流系数最敏感参数为Ｉｍｐｅｒｖ．　

２）不同降雨强度时ＳＷＭＭ模型中与下渗有关　

参数的敏感性不同．降雨强度较大时ＭａｘＲａｔｅ、Ｍｉｎ—　

Ｒａｔｅ为中等敏感参数，降雨强度较小时为不敏感　

参数．　

参考文献：　

［】］Ｔｓｉｈｒｉｎｔｚｉｓ　Ｖ　Ａ，Ｈａｍｉｄ　Ｒ．Ｒｕｎｏｆｆ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　

ｓｍａｌｌ　ｕｒｂａｎ　ｃａｔｃｈｍｅｎｔｓ　ｕｓｉｎｇ　ＳＷＭＭ［ｊ］．Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　

Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，２００８，１２（２）：３１１—３２９　

［２　Ｊ　Ｗａｎ　Ｂ，ＪａＩｌｌｅＳ　Ｗ．ＳＷＭＭ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏ—　

ｒｉｔｈｍｓ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００４，３５（３）：　

７６７—７７３　

［３］　王磊，周玉文．微粒群多目标优化率定暴雨管理模型　

（ＳＷＭＭ）研究［Ｊ］．中国给水排水，２００９，２５（５）：７０　

７４　

［４］　Ｓｉｅｂｅｒ　Ａ，Ｕｂｌｅｎｂｒｃｏｋ　Ｓ．Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　ａ　ｄｉｓｔｒｉｂ—　

ｕｔｅｄ　ｃａｔｃｈｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，２００５，３１０（４）：２ｌ６—２３５　

［５］　

Ｆｒａｎｅｏｓ　Ａ．Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ－　

ｔａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｓ：ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　

ｉｎ　ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃａｔｃｈｍｅｎｔ　ｓｃａｌｅ［Ｊ］．Ｒｅｌｉａ—　

ｂｉｌｉｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓａｆｅｔｙ，２００３，７９（２）：２０５　

２ｌ８　

［６］　黄金良，杜鹏飞，何万谦，等．城市降雨径流模型的　

参数局部灵敏度分析［Ｊ］．中国环境科学，２００７，２７　

（４）：５４９—５５３　

［７］　

Ｈｕｂｅｒ　Ｗ　Ｃ，Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ　Ｒ　Ｅ．Ｓｔｏｒｍ　ｗａｔｅｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　

ｍｏｄｅｌ　ｖｅｒｓｉｏｎ　５，ｕｓｅｒ’Ｓ　ｍａｎｕａｌ［Ｒ］．Ｒｅｐｒｏ　ＥＰＡ一６００／　

３—９８－００１ａ．Ａｔｈｅｎｓ，ＧＡ，ＵＳＡ：ＵＳ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏ—　

ｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｇｅｎｃｙ，１９９８　

［８］　

Ｌｅｎｈａ￣Ｌ，Ｅｃｋｈａｒｄｔ　Ｋ，Ｆｏｈｒｅｒ　Ｎ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　

ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ—　

ｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｏｆｔｈｅ　Ｅａｒｔｈ，２００２，２７（２）：６４５～６５４　

［９］　

Ｂａｒｃｏ　Ｊ，Ｗｏｎｇ　Ｋ　Ｍ，Ｓｔｅｎｓｔｒｏｍ　Ｍ　Ｋ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃａｌｉｂｒａ—　

ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕ．Ｓ．ＥＰＡ　ＳＷＭＭ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｕｒｂａｎ　

ｃａｔｃｈｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，　

１３４（４）：６７８—７９３　

［１０］　

Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ　Ａ，Ｇｉｏｖａｎｎｉ　Ｋ　Ｄ，Ｍｏｎｔａｈｏ　Ｆ．Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｂｌｏｃｋ－・ｓｃａｌｅ　ｕｒｂａｎ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｍｏｄ・－　

ｅ１．Ｗｏｒｌｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　

２０１０：Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｅ［Ｃ］．ＡＳＣＥ，２０１０：４２７０—　

４２７９　

［１１］　刘兴坡．基于径流系数的城市降雨径流模型参数校　

准方法［Ｊ］．给水排水，２００９，３５（１１）：２１３—２１７　

［１２］　

王浩昌，杜鹏飞，赵冬泉．城市降雨径流模型参数全　

局灵敏度分析［Ｊ］．中国环境科学，２００８，２８（８）：　

７２５—７２９　

［责任编辑：王克黎］