[发明专利]一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法

说明书

本发明公开了属于河道水动力数值模拟技术领域的一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法。包括以下步骤：步骤1：以观测断面水位和流量水文要素的纳什系数和最大为目标函数，以水位或流量误差和断面间距为约束条件，建立基于一维非恒定流数学模型的河道断面自动插补优化模型；步骤2：确定河道断面自动插补优化模型的参数取值范围；步骤3：采用以形定位模式或以位定形模式的逐次逼近法对河道断面自动插补优化模型进行求解。本发明实现了对缺少地形资料的山区河道插补断面的个数、位置、形状和河道糙率等参数的自动优化；可避免人工调试的主观任意性和不确定性，提高模拟精度。

技术领域

本发明涉及河道水动力数值模拟技术领域，尤其涉及一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法。

背景技术

河道地形资料是河道水动力建模的重要依据，但常存在河道地形资料不足或资料粗糙等现象。为此，可充分利用有限的地形和水文资料，适当插补断面以更好地模拟河道的沿程水位和流量变化情况。

目前现有技术多是采用人工试算法，首先给定插补断面形状和位置的初始值，然后代入一维非恒定流数学模型进行计算，比较观测断面水位流量计算值与实测值之间的差距，再人工调整插补断面形状和位置参数的取值重新进行计算，重复这一过程直至观测断面水位流量计算值与实测值之间的差距满足精度要求，从而选出最优的插补断面形状和位置参数。采用人工试算法进行调参不仅费时费力、工作量大，且具有较大的经验性和任意性，精度难以保证。尤其是插补断面时还要考虑插补断面形状和位置之间的相互作用，计算难度较大，人工试算法不一定能够找出最优的插补断面形状和位置参数，使得观测断面水位流量计算值与实测值拟合误差较小。所以，有必要研究一种成熟有效的河道断面自动插补方法。

针对人工试算法在河道断面插补中的问题，基于逐次逼近算法，需要一种河道断面自动插补方法，在缺少地形资料的情况下，实现对河道断面的自动插补，得到最优的插补断面形状和位置参数。与人工调参相比，利用计算机智能调参不仅更省时省力，还可避免人工调试的主观任意性和不确定性，提高模拟精度。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以观测断面水位与流量水文要素的纳什系数之和最大为目标函数，以水位、流量误差和断面间距为约束条件，建立基于一维非恒定流数学模型的河道断面自动插补优化模型；

步骤2：根据河道的长度、宽度和比降，确定河道断面自动插补优化模型的参数取值范围；所述参数包括河道糙率、插补断面个数、插补断面位置、插补断面形状参数，其中插补断面形状参数包括断面底宽、河底高程和边坡系数；

步骤3：根据基于逐次逼近法的并行求解方法，采用以形定位计算模式或以位定形计算模式对河道断面自动插补优化模型进行求解。

所述步骤1中河道断面自动插补优化模型为：

目标函数：

式中，i为观测断面的序号；N为观测断面总数；NSE(i)为观测断面i的纳什系数值，具体为：

式中，T为计算周期，y_t(i)为i断面的水位或流量实测值；为i断面水位或流量实测序列的平均值；为i断面水位或流量计算值；

约束条件：

式中：abs为绝对值函数，ε_i为第i个断面的最大水位或流量误差；

L_min≤L(k)≤L_max   (4)