一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法，包括以下步骤：（1）确定逆向预测分期、水位目标；（2）采用多维情景构建和数模试验相结合的方法，挖掘预降水位后期多驱动因子下湖泊水位响应规律；（3）确定水位安全阈值；（4）构建关联规则模型，挖掘预降水位前期关联规则；（5）根据步骤（4）挖掘得到的关联规则和步骤（2）挖掘得到的预降水位后期湖泊水位响应规律，识别未来情景下预降期内水利工程调控方式。本发明专利技术综合关联规则模型和数值模拟技术的优点，攻克了传统技术手段在中长期水位模拟预报中对于预报降雨资料的依赖这一核心难点，为基于特定目标的浅水湖泊水位调控提供了具有实际操作性的技术手段。水位调控提供了具有实际操作性的技术手段。水位调控提供了具有实际操作性的技术手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法及系统，涉及水利技术与数据挖掘领域。

技术介绍

[0002]大型浅水湖泊是河网地区洪水和水资源的调蓄中心，湖泊水位是流域旱涝情势重要的指示指标。科学预测湖泊水位，用以指导复杂河网水利工程群的联合调度，进而调控湖泊水位，对于保障平原河网地区水安全，特别是防洪安全具有十分重要的现实意义。近年来，随着气候变化和强降雨等极端天气气候事件频发，以及湖泊水位研究的深入和防洪调度实践积累，汛前湖泊水位目标确定和中长期预测(超过15天，视较为准确的降雨预报周期而定，下同)已经成为流域防洪调度的必然需要。
[0003]目前，与流域洪水管理相关的水位调控研究主要以水库为研究对象，水库水位主要由上游少数几条入库河流来水和坝址泄水量决定，通过水库控制性工程调节下泄水量实现水库水位调控目标。数值模拟技术是湖泊水位预测和调控研究中常用的技术之一，然而浅水湖泊中长期水位预测难点在于无法事先获得未来较长时间尺度的准确降雨资料，因此无法直接运用传统的数值模拟技术进行水位模拟预测，且实际进出水量与支流进出水量及出入湖控制性工程调控能力有关，因此，平原河网地区浅水湖泊水位预测和调控机制相比较于水库而言，更为复杂多变，是浅水湖泊水位中长期预测的核心难点和亟需突破的关键技术。
[0004]尽管近年来少数平原区浅水湖泊开展了汛前预降水位的尝试，但均是运用传统的预测和调控方法，且主要依赖经验判断和多次试错，对于是否能够实现预降湖泊水位至特定目标要求存在较大不确定性。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术针对浅水湖泊水位预测技术的核心难点，提出一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法及系统，将基于数据挖掘技术的关联规则模型与数值模拟技术相结合，用于实现汛前浅水湖泊水位精准预测和调控，具有很强的可操作性。
[0006]技术方案：第一方面，提供了一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法，该方法包括以下步骤：
[0007](1)、确定逆向预测分期、水位目标；
[0008](2)、采用多维情景构建和数模试验相结合的方法，挖掘预降水位后期多驱动因子下湖泊水位响应规律；
[0009](3)、确定水位安全阈值；
[0010](4)、构建关联规则模型，挖掘预降水位前期“流域降雨
‑
湖泊水位”关联规则；
[0011](5)、根据步骤(4)挖掘得到的关联规则和步骤(2)挖掘得到的预降水位后期湖泊水位响应规律，确定未来情景下预降期内水利工程调控方式。
[0012]在第一方面的一些可实现方式中，步骤(1)进一步包括：
[0013](1
‑
1)、划分逆向预测分期：将预测时段划分为预降水位前期、预降水位后期，其中，预降水位前期包括预降前期起始时间T0、预降前期终止时间T
a
；预降水位后期包括与所述预降前期终止时间T
a
一致的预降后期起始时间、以及结束时间T
b
；
[0014](1
‑
2)、确定水位目标：所述预降前期起始时间T0、预降前期终止时间或预降后期起始时间T
a
、结束时间T
b
对应的水位分别为Z0、Z
a
、Z
b
；Z
a
阈值和湖泊水位目标分别记为thre_Z
a
、obje_Z
b
。
[0015]在第一方面的一些可实现方式中，步骤(2)进一步包括：
[0016](2
‑
1)、构建预降水位后期多维情景集S：选取obje_Z
b
的各驱动因子，包括水文、气象、人工干预等，筛选出关键驱动因子X1,X2,
…
X
i
,
…
X
n
，n为自然数，该序列包含Z
a
；基于关键驱动因子，构建多维情景集S，具体如下：
[0017][0018]为每个驱动因子构建增量序列Δx
ij
；
[0019]X
ij
＝X
i1
+Δx
ij i＝1,2,
…
,n；j＝1,2,..,m
n
[0020]定义一个包含所有驱动因子的一个序列的矩阵为一个情景，由此生成M个多维情景：
[0021][0022](2
‑
2)、建立河网水动力模型，水动力模型基本原理如下：
[0023]连续方程
[0024]动力方程
[0025]式中：x为距离，m；t为时间，s；A为过水面积，m2；Q为断面流量，m3/s；Z为水位，m；α为动量修正系数；R为水力半径，m；q
L
为旁侧入流，m2/s，入流为正，出流为负；v
x
为入流沿水流方向的速度，m/s，若旁侧入流垂直于主流，则v
x
＝0；
[0026](2
‑
3)、采用数模试验方法，挖掘预降水位后期多驱动因子下湖泊水位响应规律：将各情景下的驱动因子序列输入水动力模型，通过模型数值模拟得到各情景下的Z
b
序列，挖掘分析湖泊水位Z
b
对各驱动因子的响应规律Z
b
＝f(X1,X2,
…
,X
n
)。
[0027]在第一方面的一些可实现方式中，步骤(3)在满足Z
bk
≤obje_Z
b
的情景中，取Z
ak
均值作为Z
a
的安全阈值thre_Z
a
：
[0028][0029]式中，M
′
为满足Z
bk
≤obje_Z
b
的情景个数。
[0030]在第一方面的一些可实现方式中，步骤(4)进一步包括：
[0031](4
‑
1)、离散化降雨、水位数据：根据Z0历史数据、预降水位前期流域历史降雨数据P
a
分布特征、步骤(3)确定的thre_Z
a
，将Z0、P
a
以及Z
a
进行以及离散化处理，形成若干分组；
[0032](4
‑
2)、构建“流域降雨
‑
湖泊水位”关联规则模型：X、Y是某些项组成的非空集合，则形如(其中X∈I,并且)的逻辑蕴涵关系称为关联规，X称为关联规则的前件或先决条件，Y称为关联规则的后件或结果；
[0033]通过构建关联模型，挖掘预降水位前期“流域降雨
‑
湖泊水位”关联规则；根据挖掘得到的关联规则，为实现使Z
a
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)、确定逆向预测分期、水位目标；(2)、采用多维情景构建和数模试验相结合的方法，挖掘预降水位后期多驱动因子下湖泊水位响应规律；(3)、确定水位安全阈值；(4)、构建关联规则模型，挖掘预降水位前期“流域降雨
‑
湖泊水位”关联规则；(5)、根据步骤(4)挖掘得到的关联规则和步骤(2)挖掘得到的预降水位后期湖泊水位响应规律，确定未来情景下预降期内水利工程调控方式。2.根据权利要求1所述的一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：(1
‑
1)、划分逆向预测分期：将预测时段划分为预降水位前期、预降水位后期，其中，预降水位前期包括预降前期起始时间T0、预降前期终止时间T
a
；预降水位后期包括与所述预降前期终止时间T
a
一致的预降后期起始时间、以及结束时间T
b
；(1
‑
2)、确定水位目标：所述预降前期起始时间T0、预降前期终止时间T
a
、结束时间T
b
对应的水位分别为Z0、Z
a
、Z
b
；Z
a
安全阈值和湖泊水位目标分别记为thre_Z
a
、obje_Z
b
。3.根据权利要求1所述的一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括：(2
‑
1)、构建预降水位后期多维情景集S：选取obje_Z
b
的各驱动因子，包括水文、气象、人工干预等，筛选出关键驱动因子X1,X2,
…
X
i
,
…
X
n
，n为自然数，序列包含Z
a
；基于关键驱动因子，构建多维情景集S，具体如下：为每个驱动因子构建增量序列Δx
ij
；X
ij
＝X
i1
+Δx
ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
i＝1,2,
…
,n；j＝1,2,..,m
n
定义一个包含所有驱动因子的一个序列的矩阵为一个情景，由此生成M个多维情景：(2
‑
2)、建立河网水动力模型，水动力模型基本原理如下：连续方程动力方程式中：x为距离，m；t为时间，s；A为过水面积，m2；Q为断面流量，m3/s；Z为水位，m；α为动量修正系数；R为水力半径，m；q
L
为旁侧入流，m2/s，入流为正，出流为负；v
x
为入流沿水流方向的速度，m/s，若旁侧入流垂直于主流，则v
x
＝0；
(2
‑
3)、采用数模试验方法，挖掘预降水位后期多驱动因子下湖泊水位响应规律：将各情景下的驱动因子序列输入水动力模型，通过模型数值模拟得到各情景下的Z
b
序列，挖掘分析湖泊水位Z
b
对各驱动因子的响应规律Z
b
＝f(X1,X2,
…
,X
n
)。4.根据权利要求1所述的一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法，其特征在于，步骤(3)在满足Z
bk
≤obje_Z
b
的情景中，取Z
ak
均值作为Z
a
的安全阈值thre_Z
a
：式中，M...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建兵，蔡梅，龚李莉，王元元，潘明祥，石亚东，陆志华，刘增贤，钱旭，韦婷婷，李勇涛，李敏，李蓓，向美焘，白君瑞，
申请(专利权)人：太湖流域管理局水利发展研究中心，
类型：发明
国别省市：