本发明专利技术涉及水文流量监测技术领域，具体地说是一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，包括数据收集、水动力学模型和数据同化方法，获取三维水动力模型建模所需的水下地形、上下游边界水位数据及参与校正河段流速和水位的HADCP流速和水文站实测断面水位观测数据，选择基于残差重采样的粒子滤波算法作为校正河段流速和水位的数据同化方法，对S2中的三种同化方法校正河段流速和水位的效果进行评估和分析，本发明专利技术采用数据同化方法，融合三维水动力学模型和野外现场数据，通过实测数据校正三维水动力学模型模拟的流速结果，提高河段断面流速模拟精度，为实现水文监测的自动化、智能化、现代化提供技术支撑。现代化提供技术支撑。现代化提供技术支撑。
【技术实现步骤摘要】
一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法
[0001]本专利技术涉及水文流量监测
，具体地说是一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法。
技术介绍
[0002]流量监测是水文行业的基础，也是涉水工程建设的前提。随着我国水文工作重心从防汛抗旱和水利工程建设服务转移到为民生水利、水资源管理、水生态文明建设等涉水项目提供全面服务，对流量监测的精度提出了新的更高的要求。
[0003]作为水文监测中的主要手段之一，现有的流量测量主要分为流速面积法、水力学法、化学法和直接法，但其都有各自的不足之处：
[0004]流速面积法：基于流体流动的连续性原理，通过实测断面的平均流速和过水断面面积推求断面流量。流速测量的精度直接影响推求流量的准确性，而在常用的现代流速测量方法中流速仪法操作复杂、工作强度高、效率低；浮标法无法测量河段断面；声学多普勒流速剖面仪(ADCP)法受水中含沙量影响较大，实时性较差；粒子图像测速法受天气和地形影响较大；声学时差法受水流质量制约较大；电波流速仪只能单点测量；电磁流速仪价格高，对水流量要求较高。
[0005]水力学法：其中溢流法对落差要求高，耗时耗力；水槽法建造难度高，测量范围有限；
[0006]化学法：培训要求高，且会污染水源。
[0007]直接测量法：不适用于较大流量。
[0008]水动力学模型也可以作为获取河段流速的另一个手段，但一维水动力学模型准确性和适宜性不足，不能详细反应河流水深、地形和水动力条件等河流的曲流形态；二维水动力学模型忽略了垂直方向上的流速加速度，局限性较大；虽然现有的三维水动力学模型可以模拟水体的垂直和近地层流动，但在水文测验方面的研究还涉足较少，而且由于天然河流的形状和流速的不规则复杂性，三维水动力学模型在定量估计流速方面会出现较大问题。
[0009]因此，需要设计一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，通过三维水动力学模型耦合数据同化方法来代替现有流速测量技术，弥补现有技术的缺陷，可提高现有测流精度，解决目前流速测量测不准、施测难、风险高等的问题，为流量测验提供新思路、新路径。
技术实现思路
[0010]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供了一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，通过三维水动力学模型耦合数据同化方法来代替现有流速测量技术，弥补现有技术的缺陷，可提高现有测流精度，解决目前流速测量测不准、施测难、风险高等的问题，为流量测验提供新思路、新路径。
[0011]为了达到上述目的，本专利技术提供一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，包括数据收集、三维水动力学模型和数据同化方法，具体步骤为：
[0012]S1，获取三维水动力学模型建模所需的水下地形、上下游边界水位数据及参与校正河段流速和水位的HADCP流速和水文站实测断面水位观测数据；
[0013]S2，选择基于残差重采样的粒子滤波作为校正河段流速和水位的数据同化方法，同化方法包括TELEMAC
‑
3D模型耦合数据同化方法同化HADCP流速数据、TELEMAC
‑
3D模型耦合数据同化方法同化水位观测数据、TELEMAC
‑
3D模型耦合数据同化方法同时同化HADCP流速数据和水位观测数据；
[0014]S3，对S2中的三种同化方法校正河段流速和水位的效果进行评估和分析。
[0015]S1包括水位观测数据和流速观测数据，具体为：
[0016]水位观测数据：在目标河段建立水位站，水位站提供河段上下游边界和水文站实测断面的水位观测数据包括用以建立河段三维水动力模型上下游边界条件的实测水位观测数据和用以校正河段三维水动力模型学模型水深的实测水位数据；
[0017]流速观测数据：通过水平声学多普勒流速剖面仪HADCP获取。
[0018]S2中的同化方法包括TELEMAC
‑
3D、基于Python脚本控制的TELEMAC应用程序接口TELAPY模块和基于残差重采样法的粒子滤波算法。
[0019]TELEMAC
‑
3D模型基于以下假设：
[0020]S4
‑
1，Navier
‑
Stokes方程组的液体表面可自由波动；
[0021]S4
‑
2，质量守恒等式中不考虑液体密度变化；
[0022]S4
‑
3，总压力＝大气压力+上覆液体总重量；
[0023]S4
‑
4，Boussinesq重力项不考虑密度变化。
[0024]TELEMAC
‑
3D模型求解N
‑
S方程的阶段为：
[0025]S5
‑
1，通过求解动量方程的对流项得到平流速度分量；
[0026]S5
‑
2，通过考虑动量方程的扩散项和源项计算新的速度分量；
[0027]S5
‑
3，通过只包含压力
‑
连续性项的连续性方程和动量方程的垂直积分计算水深。
[0028]S2中的同化方法都在TELAPY模块中进行，具体步骤如下：
[0029]S6
‑
1，分别设置粒子个数N，模型误差Err
m
和观测误差Err
o
；
[0030]S6
‑
2，调用FortranAPI中的TELEMAC
‑
3D功能函数，加载TELEMAC
‑
3D模型结构，初始化模型模拟条件；
[0031]S6
‑
3，按时间步长计算每个网格节点处的状态变量；
[0032]S6
‑
4，判断是否存在观测数据，若不存在，则模型按S6
‑
3继续执行；若存在观测数据，则根据观测数据的坐标和每个网格单元的分辨率，确定观测数据在河段网格节点处的位置；
[0033]S6
‑
5，取出观测值节点处的模拟状态变量值，并设置每个观测节点处的状态变量粒子数为N，对其添加服从N～(0，Err
m
)的噪声，生成该时刻观测节点处状态变量粒子；
[0034]S6
‑
6，在观测节点处添加观测数据；
[0035]S6
‑
7，计算每个粒子的权重，并使其归一化，公式如下：
[0036][0037]X为模型状态变量，p为模型状态变量在某一时刻的先验分布，y为观测值，q为重要性分布，t为时间；
[0038]S3中的评估方法为：
[0039]选用均方根差RMSE、模型性能指标SKILL和数据同化技术评分DASS作为评估单独使用TELEMAC
‑
3D模型系统模拟河段流速和水深与TELEMAC
‑
3D模型系统耦合数据同化方法校正河段流速和水深的指标本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，其特征在于，包括数据收集、三维水动力学模型和数据同化方法，具体步骤为：S1，获取三维水动力学模型建模所需的水下地形、上下游边界水位数据及参与校正河段流速和水位的HADCP流速和水文站实测断面水位观测数据；S2，选择基于残差重采样的粒子滤波作为校正河段流速和水位的数据同化方法，所述同化方法包括TELEMAC
‑
3D模型耦合数据同化方法同化HADCP流速数据、TELEMAC
‑
3D模型耦合数据同化方法同化水位观测数据、TELEMAC
‑
3D模型耦合数据同化方法同时同化HADCP流速数据和水位观测数据；S3，对所述S2中的三种同化方法校正河段流速和水位的效果进行评估和分析。2.根据权利要求1所述的天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，其特征在于，所述S1包括水位观测数据和流速观测数据，具体为：水位观测数据：在目标河段建立水位站，所述水位站提供河段上下游边界和水文站实测断面的水位观测数据包括用以建立河段三维水动力模型上下游边界条件的实测水位数据和用以校正河段三维水动力学模型水深的实测水位数据；流速观测数据：通过水平声学多普勒流速剖面仪HADCP获取。3.根据权利要求1所述的天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，其特征在于，所述S2中的同化方法包括TELEMAC
‑
3D、基于Python脚本控制的TELEMAC应用程序接口TELAPY模块和基于残差重采样法的粒子滤波算法。4.根据权利要求1所述的天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，其特征在于，所述TELEMAC
‑
3D模型基于以下假设：S4
‑
1，Navier
‑
Stokes方程组的液体表面可自由波动；S4
‑
2，质量守恒等式中不考虑液体密度变化；S4
‑
3，总压力＝大气压力+上覆液体总重量；S4
‑
4，Boussinesq重力项不考虑密度变化。5.根据权利要求1所述的天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，其特征在于，所述TELEMAC
‑
3D模型求解N
‑
S方程的阶段为：S5
‑
1，通过求解动量方程的对流项得到平流速度分量；S5
‑
2，通过考虑动量方程的扩散项和源项计算新的速度分量；S5
‑
3，通过只包含压力
‑
连续性项的连续性方程和动量方程的垂直积分计算水深。6.根据权利要求1所述的天然河段三维水动力学模拟的数据同化研究方法，其特征在于，所述S2中的同化方法都在所述TELAPY模块中进行，具体步骤如下：S6
‑
1，分别设置粒子个数N，模型误差Err
【专利技术属性】
技术研发人员：孙意翔，崔庆峰，
申请(专利权)人：孙意翔，
类型：发明
国别省市：
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