一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法和系统技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法和系统，该方法和系统具体为利用预先得到的遥感影像提取河道的水体边界，生成河道平面正交贴体网格的节点高程值；获取河道的边界数据，并生成冲积河流水沙模型的初始场数据；根据节点高程值和初始场数据离散求解贴体坐标系下的冲积河流水沙模型；设定冲积河流水沙模型的模型参数范围，并生成多组参数样本组；运算冲积河流水沙模型，分别计算参数样本组对应的目标函数响应值；对冲积河流水沙模型的输入输出关系进行近似仿真，生成响应曲面模型，并对冲积河流水沙模型的模型参数进行优选。通过对模型参数的优化，从而能够使用户根据该模型得到预测结果能够贴合真实水沙运动状态。

A real time correction method and system for model parameters of alluvial river water and sediment model

The embodiment of the invention provides a method and a system for real-time calibration of model parameters of alluvial river water and sediment model. The method and the system are specifically for extracting the water body boundary of the river course by using the remote sensing image obtained beforehand, generating the node elevation value of the plane orthogonal body-fitted grid of the river course, obtaining the boundary data of the river course, and generating the alluvial river course. The initial field data of the runoff-sediment model; the water-sediment model of alluvial river in body-fitted coordinate system is solved discretely according to the node elevation and initial field data; the parameters range of the model is set up, and many sets of parameters are generated; the water-sediment model of alluvial river is calculated, and the corresponding targets of the parameter sample groups are calculated respectively. The input-output relationship of the alluvial river water-sediment model is simulated, and the response surface model is generated, and the model parameters of the alluvial river water-sediment model are optimized. By optimizing the parameters of the model, users can get the predicted results according to the model, which can fit the real state of water and sediment movement.

【技术实现步骤摘要】
一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法和系统
本专利技术涉及水利工程
，特别是涉及一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法和系统。
技术介绍
对于目前的大江大河，因全球气候变化、流域下垫面变化以及大坝修建等自然变异和人类活动的原因，改变了天然的来水来沙情势以及水沙输移边界条件，由此可能引发的溃坝等极端事件发生更会导致活跃的水沙运动和快速的河床变形，给科学认知冲积河流过程水沙相互作用机理及模拟预测水沙运动变化带来了困难和挑战。冲积河流过程水沙模型作为预测水沙运动变化和有效分析水沙运动规律的重要工具，一直是河道整治、防洪调度、生态保护、水利工程建设等生产实践活动的重要手段之一，是国内外学者重点关注和研究的对象，其发展水平日益成熟。但在模型的使用过程中，一直存在输入条件及模型参数误差等不确定性因素，这些不确定性因素的存在成为制约模型精度提高的主要瓶颈。如河道地形不确定性就会严重影响预测的质量。随着测量技术的提高，初始数据和输入数据越来越趋于精确。然而，对冲积河流过程水沙模型来讲，即使有精确的初始数据和输入数据，模型参数的不准确表达也会导致误差的增长，影响模型准确预测真实水沙运动状态的能力，成为水沙模型不确定性的关键因素。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法和系统，用于对冲积河流水沙模型的模型参数进行实时优化，从而使该模型的预测结果更能真实反应河道的真实水沙运动状态。为了解决上述问题，本专利技术公开一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法，包括如下步骤：利用预先得到的遥感影像提取河道的水体边界，生成河道平面正交贴体网格，并利用预先采集的河道高程点，插值生成所述河道平面正交贴体网格的节点高程值；获取所述河道的边界数据，并根据所述边界数据进行插值运算，生成所述冲积河流水沙模型的初始场数据；根据所述节点高程值和所述初始场数据离散求解贴体坐标系下的冲积河流水沙模型；设定所述冲积河流水沙模型的模型参数范围，并根据假定的参数分布从所述模型参数范围中进行抽样，生成多组参数样本组；运算所述冲积河流水沙模型，分别计算所述参数样本组对应的水流变量值、流量变量值、泥沙含量变量值和河床高程状态变量值，并根据预先确定的目标函数和所述水流变量值、所述流量变量值、所述泥沙含量变量值和所述河床高程状态变量值计算所述参数样本组对应的目标函数响应值；采用响应曲面模拟函数对所述冲积河流水沙模型的输入输出关系进行近似仿真，生成响应曲面模型，并基于所述响应曲面模型和所述目标函数响应值对所述冲积河流水沙模型的模型参数进行优选。可选的，所述边界数据包括所述河道的水位数据、流量数据和泥沙含量数据中的部分或全部数据。可选的，所述冲积河流水沙模型包括所述离散求解贴体坐标系下的水流连续方程、水流动量方程、悬移质不平衡输沙方程、推移质不平衡输沙方程、河床变形方程和床沙级配调整方程。可选的，所述模型参数范围包括所述河道糙率的范围、紊动粘滞系数的范围、悬移质泥沙恢复饱和系数的范围、推移质泥沙恢复饱和系数的范围、水流挟沙力公式系数的范围和推移质输沙率公式系数的范围中的部分或全部范围。可选的，还包括步骤：基于优选后的模型参数对所述模型参数范围进行进一步优选，并利用基于启发式算法的全局优化算法对所述模型参数进行全局优化；利用实时获取的所述河道的边界数据，并基于全局优化后的模型参数对所述河道的水沙过程进行预测。另外，本专利技术还提供了一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正系统，包括：第一计算模块，用于利用预先得到的遥感影像提取河道的水体边界，生成河道平面正交贴体网格，并利用预先采集的河道高程点，插值生成所述河道平面正交贴体网格的节点高程值；数据获取模块，用于获取所述河道的边界数据，并根据所述边界数据进行插值运算，生成所述冲积河流水沙模型的初始场数据；第二计算模块，用于根据所述节点高程值和所述初始场数据离散求解贴体坐标系下的冲积河流水沙模型；数据处理模块，用于设定所述冲积河流水沙模型的模型参数范围，并根据假定的参数分布从所述模型参数范围中进行抽样，生成多组参数样本组；第三计算模块，用于运算所述冲积河流水沙模型，分别计算所述参数样本组对应的水流变量值、流量变量值、泥沙含量变量值和河床高程状态变量值，并根据预先确定的目标函数和所述水流变量值、所述流量变量值、所述泥沙含量变量值和所述河床高程状态变量值计算所述参数样本组对应的目标函数响应值；参数优选模块，用于采用响应曲面模拟函数对所述冲积河流水沙模型的输入输出关系进行近似仿真，生成响应曲面模型，并基于所述响应曲面模型和所述目标函数响应值对所述冲积河流水沙模型的模型参数进行优选。可选的，所述边界数据包括所述河道的水位数据、流量数据和泥沙含量数据中的部分或全部数据。可选的，所述冲积河流水沙模型包括所述离散求解贴体坐标系下的水流连续方程、水流动量方程、悬移质不平衡输沙方程、推移质不平衡输沙方程、河床变形方程和床沙级配调整方程。可选的，所述模型参数范围包括所述河道糙率的范围、紊动粘滞系数的范围、悬移质泥沙恢复饱和系数的范围、推移质泥沙恢复饱和系数的范围、水流挟沙力公式系数的范围和推移质输沙率公式系数的范围中的部分或全部范围。可选的，还包括：优选处理模块，用于基于优选后的模型参数对所述模型参数范围进行进一步优选，并利用基于启发式算法的全局优化算法对所述模型参数进行全局优化；河道预测模块，用于利用实时获取的所述河道的边界数据，并基于全局优化后的模型参数对所述河道的水沙过程进行预测。从上述技术方案可以看出，本专利技术实施例提供了一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法和系统，该方法和系统具体为利用预先得到的遥感影像提取河道的水体边界，生成河道平面正交贴体网格，并利用预先采集的河道高程点，插值生成河道平面正交贴体网格的节点高程值；获取河道的边界数据，并根据边界数据进行插值运算，生成冲积河流水沙模型的初始场数据；根据节点高程值和初始场数据离散求解贴体坐标系下的冲积河流水沙模型；设定冲积河流水沙模型的模型参数范围，并根据假定的参数分布从模型参数范围中进行抽样，生成多组参数样本组；运算冲积河流水沙模型，分别计算参数样本组对应的水流变量值、流量变量值、泥沙含量变量值和河床高程状态变量值，并根据预先确定的目标函数和水流变量值、流量变量值、泥沙含量变量值和河床高程状态变量值计算参数样本组对应的目标函数响应值；采用响应曲面模拟函数对冲积河流水沙模型的输入输出关系进行近似仿真，生成响应曲面模型，并基于响应曲面模型和目标函数响应值对冲积河流水沙模型的模型参数进行优选。通过对模型函数的优化，可以使冲积河流水沙模型更加精确，从而能够使用户根据该模型得到预测结果能够贴合真实水沙运动状态。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法的步骤流程图；图2为本专利技术实施例提供的另一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法的步骤流程图；图3为本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法，奇特在于，包括如下步骤：利用预先得到的遥感影像提取河道的水体边界，生成河道平面正交贴体网格，并利用预先采集的河道高程点，插值生成所述河道平面正交贴体网格的节点高程值；获取所述河道的边界数据，并根据所述边界数据进行插值运算，生成所述冲积河流水沙模型的初始场数据；根据所述节点高程值和所述初始场数据离散求解贴体坐标系下的冲积河流水沙模型；设定所述冲积河流水沙模型的模型参数范围，并根据假定的参数分布从所述模型参数范围中进行抽样，生成多组参数样本组；运算所述冲积河流水沙模型，分别计算所述参数样本组对应的水流变量值、流量变量值、泥沙含量变量值和河床高程状态变量值，并根据预先确定的目标函数和所述水流变量值、所述流量变量值、所述泥沙含量变量值和所述河床高程状态变量值计算所述参数样本组对应的目标函数响应值；采用响应曲面模拟函数对所述冲积河流水沙模型的输入输出关系进行近似仿真，生成响应曲面模型，并基于所述响应曲面模型和所述目标函数响应值对所述冲积河流水沙模型的模型参数进行优选。

【技术特征摘要】
1.一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正方法，奇特在于，包括如下步骤：利用预先得到的遥感影像提取河道的水体边界，生成河道平面正交贴体网格，并利用预先采集的河道高程点，插值生成所述河道平面正交贴体网格的节点高程值；获取所述河道的边界数据，并根据所述边界数据进行插值运算，生成所述冲积河流水沙模型的初始场数据；根据所述节点高程值和所述初始场数据离散求解贴体坐标系下的冲积河流水沙模型；设定所述冲积河流水沙模型的模型参数范围，并根据假定的参数分布从所述模型参数范围中进行抽样，生成多组参数样本组；运算所述冲积河流水沙模型，分别计算所述参数样本组对应的水流变量值、流量变量值、泥沙含量变量值和河床高程状态变量值，并根据预先确定的目标函数和所述水流变量值、所述流量变量值、所述泥沙含量变量值和所述河床高程状态变量值计算所述参数样本组对应的目标函数响应值；采用响应曲面模拟函数对所述冲积河流水沙模型的输入输出关系进行近似仿真，生成响应曲面模型，并基于所述响应曲面模型和所述目标函数响应值对所述冲积河流水沙模型的模型参数进行优选。2.如权利要求1所述的模型参数实时校正方法，其特征在于，所述边界数据包括所述河道的水位数据、流量数据和泥沙含量数据中的部分或全部数据。3.如权利要求1所述的模型参数实时校正方法，其特征在于，所述冲积河流水沙模型包括所述离散求解贴体坐标系下的水流连续方程、水流动量方程、悬移质不平衡输沙方程、推移质不平衡输沙方程、河床变形方程和床沙级配调整方程。4.如权利要求1所述的模型参数实时校正方法，其特征在于，所述模型参数范围包括所述初始场河道糙率的范围、紊动粘滞系数的范围、悬移质泥沙恢复饱和系数的范围、推移质泥沙恢复饱和系数的范围、水流挟沙力公式系数的范围和推移质输沙率公式系数的范围中的部分或全部范围。5.如权利要求1～4任一项所述的模型参数实时校正方法，其特征在于，还包括步骤：基于优选后的模型参数对所述模型参数范围进行进一步优选，并利用基于启发式算法的全局优化算法对所述模型参数进行全局优化；利用实时获取的所述河道的边界数据，并基于全局优化后的模型参数对所述河道的水沙过程进行预测。6.一种冲积河流水沙模型的模型参数实时校正系统，奇特在于，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：冶运涛，梁犁丽，曹引，蒋云钟，尚毅梓，张双虎，杜龙江，龚家国，王浩，杜军凯，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11