【技术实现步骤摘要】
本申请涉及水动力分析，尤其涉及一种河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法。
技术介绍
1、目前，采用自编代码、开源代码(openfoam)或商用软件(mike)进行水动力数值模拟时常遇到因地形资料缺失或地形限制导致的测量困难使得所建水动力模型模拟的计算值与某些观测站的实测水位或者流量存在一定误差。如何充分利用有限的地形资料和水情资料，对缺失部分的断面进行插补以及对河道进行分段糙率校准，是提高水动力数值模拟精度的重要手段，也是在多重限制条件下，如地形缺失、测量困难等情况下完成水动力高精度预测需要攻克的关键难题。
2、在现有技术中，普遍利用水动力模型按照不同的糙率组合，进行水位和流量等水动力要素的模拟计算，得到对应的模拟计算结果，根据水动力模型的模拟计算结果表征的模型准确性，在众多糙率组合中筛选最佳糙率组合。事实上，在水动力模型的实际建立与模拟过程中，地形资料缺失同样是限制模型模拟精度的重要因素。由于河道断面缺失和糙率设置误差均会对水动力模型的精度产生影响，有必要对河道断面和糙率进行同时插补与校准。
3、现有的提高水动力数值模拟精度的技术大多集中于校准河道单一、多段糙率来减少模型的计算值与测量值的误差，鲜有研究人员通过缺失断面的插补技术来提升水动力模型模拟精度。事实上，在水动力模型的实际建立与模拟过程中，地形资料缺失同样是限制模型模拟精度的重要因素。由于河道断面缺失和糙率设置误差均会对水动力模型的精度产生影响，有必要对河道断面和糙率进行同时插补与校准，同时现有技术校准过程中采用的智能优化求解器比较简单，鲁棒性不
技术实现思路
1、专利技术目的：针对目前存在的地形资料缺失、地形测量条件限制导致的水动力模型精度不高的技术问题，本专利技术提出一种河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，该方法旨在对缺失部分的断面进行插补以及对河道进行分段糙率校准，进而提高水动力数值模拟的计算精度，解决了在攻克多重限制条件下，如地形缺失、测量困难的情况下如何提高水动力预测精度的难题。
2、技术方案：本专利技术河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法包括以下步骤：
3、(1)构建所述河道的一维水动力模型：
4、
5、
6、其中，x表示河道位置，t表示时间，q表示河道断面流量，z表示河道断面水位，bt表示当量河宽，q表示单位河长的旁侧入流量，α表示动力校正系数，a表示河道断面面积，g表示重力加速度，c表示糙率值，r表示水力半径；
7、(2)建立断面插补模型，即确定插补断面的类型以及插补断面的里程区间和插补数量；
8、(3)建立糙率校准模型，即根据河道的不同地形特点，对河道分段，确定需糙率校准的河段，并设置初始糙率值；
9、(4)建立变量优化模型并确定待优化参数，变量优化模型包括耦合糙率校准模型以及断面插补模型；
10、(5)选择优化求解器，以实际观测与一维水动力模型的计算值之间的均方差作为优化目标，求解所建立的变量优化模型，即优化步骤(4)确定的待优化参数使得优化目标值最小；
11、(6)将步骤(5)优化得到的参数，导入步骤(1)构建的一维水动力模型进行水动力验证，若计算值与观测值误差在设定范围内，则缺失断面插补及河段糙率校准完毕。
12、步骤(4)中的待优化参数包括插补断面的底高程、底宽、边坡系数、断面里程、边滩宽度以及校准糙率的河段数量。
13、步骤(2)中，插补断面的类型包括矩形断面、梯形断面和复式断面。
14、步骤(2)中，矩形断面的插补模型的参数包括底宽wi、底高程si和断面高度hi。
15、步骤(2)中，梯形断面的插补模型的参数包括底宽wi、底高程si、断面高度hi、边坡系数γi，其中i表示第i插补断面，i≤n，n表示在指定的里程区间内插补断面的数量。
16、步骤(2)中，复式断面的插补模型的参数包括多组底宽、底高程和边坡系数。
17、步骤(4)中，建立的变量优化模型中，优化的目标函数f(x)对应于研究区域所构建的观测站实测值与水动力模型的计算值的均方误差，如下所示：
18、
19、其中，n表示观测站编号，t表示模拟时间，表示观测站n在时刻t的观测值，表示观测站n在时刻t的模拟值。
20、步骤(1)中，构建pressiman格式的一维水动力模型，采用四点隐格式对圣维南方程组进行离散，并采用追赶法对离散后的方程进行求解。
21、步骤(3)中，河道的糙率分段的影响因素有河床组成、平面形态、水流特征及岸壁特征。
22、步骤(3)中，依据河道中不同河段的地形特征，对河道的糙率进行分段校准，将河道分为m段，则优化的未知糙率数为m。
23、工作原理：本专利技术根据地形资料与观测数据，建立水动力模拟模型、断面插补模型和糙率校准模型，并自动插补水动力模型内断面严重缺失的河道，自动校准水动力模型内河道的未知糙率。本专利技术在河道断面自动插补过程中，提供了包括矩形断面、梯形断面多种可选的断面插补形式，满足了具有不同地形特点的河道水动力模拟的要求；将河道糙率的校准与缺失断面的插补同时进行以提高建立的水动力模型的模拟精度，解决了水动力模型因河道内部分断面缺失以及糙率校准误差进而影响模拟精度的问题。
24、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
25、(1)本专利技术所采用的针对水动力模型的断面插补与河段糙率校准方法，只需建立初步的水动力模型和确定插补断面的类型，插补的数量，插补的里程区间，根据河道特征，对河道进行分段划分后，进行分段糙率校准，即采用优化算法方便、高效地对待定的参数优化，提高了采用的水动力模型的模拟精度。
26、(2)本专利技术采用优化算法，根据已知观测资料和地形资料，同时进行河段糙率校准与缺失断面插补，进而自由调整插补断面里程的范围与插补断面的数量、逐次校准河段糙率。
27、(3)本专利技术采用的断面插补模型提供了多种断面插补类型，包括梯形断面、矩形断面和复式断面，根据不同地形特点的断面插补需求，灵活给定需插补断面的里程区间和插补断面的数量。
28、(4)本专利技术的优化求解器内置了多种先进优化算法，进而完成复杂情况下的断面插补，囊括了粒子群算法、差分进化算法、遗传算法，鲸鱼优化算法和蚍蜉算法。
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1.一种河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述待优化参数包括插补断面的底高程、底宽、边坡系数、断面里程、边滩宽度以及校准糙率的河段数量。
3.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述插补断面的类型包括矩形断面、梯形断面和复式断面。
4.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述矩形断面的插补模型的参数包括底宽wi、底高程Si和断面高度hi。
5.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述梯形断面的插补模型的参数包括底宽wi、底高程Si、断面高度hi、边坡系数γi，其中i表示第i插补断面，i≤n，n表示在指定的里程区间内插补断面的数量。
6.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述复式断面的插补模型的参数包括多组底宽、底
7.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(4)中，建立的变量优化模型中，优化的目标函数f(x)对应于研究区域所构建的观测站实测值与水动力模型的计算值的均方误差，如下所示：
8.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(1)中，构建Pressiman格式的一维水动力模型，采用四点隐格式对圣维南方程组进行离散，并采用追赶法对离散后的方程进行求解。
9.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述河道的糙率分段的影响因素有河床组成、平面形态、水流特征及岸壁特征。
10.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(3)中，依据河道中不同河段的地形特征，对河道的糙率进行分段校准，将河道分为m段，优化的未知糙率数为m。
...【技术特征摘要】
1.一种河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述待优化参数包括插补断面的底高程、底宽、边坡系数、断面里程、边滩宽度以及校准糙率的河段数量。
3.根据权利要求1所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述插补断面的类型包括矩形断面、梯形断面和复式断面。
4.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述矩形断面的插补模型的参数包括底宽wi、底高程si和断面高度hi。
5.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率校准的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述梯形断面的插补模型的参数包括底宽wi、底高程si、断面高度hi、边坡系数γi，其中i表示第i插补断面，i≤n，n表示在指定的里程区间内插补断面的数量。
6.根据权利要求3所述的河道缺失断面插补与未知糙率...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏杰，柏乃宁，马剑，卞梁，张建成，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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