[發明專利]基于動態規劃逐次逼近法的河道糙率反演方法

有效

• 申請號: 201710067289.2
• 申請日: 2017-02-07
• 公開（公告）號: CN107045568B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 彭楊;于顯亮;吳志毅;陳凱
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 張新利;謝建玲

本發明屬于河道水流及泥沙沖淤計算領域，尤其涉及一種基于動態規劃逐次逼近法的河道糙率反演方法。首先采用一維水動力學模型模擬明渠、河道水流變化，以計算河段在計算周期內的水位誤差平方和最小作為目標，建立河道糙率反演模型，然后采用動態規劃逐次逼近法進行河道糙率反演，將不同流量級下的糙率反演分解成多階段優化問題，每次計算只對當前階段的糙率進行尋優，其它階段的糙率值保持不變。本發明不需考慮后效性的影響，考慮糙率隨流量的變化情況得到不同流量下的糙率值。本發明可避免其他方法存在的受初值影響較大、容易早熟或陷入局部最優的問題，具有降低維數、減少計算量、計算收斂速度較快等特點。

技術領域

本發明屬于河道水流及泥沙沖淤計算領域，尤其涉及一種基于動態規劃逐次逼近法的河道糙率反演方法。

背景技術

糙率是水力計算中一個相當重要又敏感的關鍵參數，對河道水流及其沖淤變化的計算成果影響很大。同時糙率的影響因素多且復雜，不僅與周界壁面粗糙程度有關，還受河流形態及水流特性的影響，目前比較常用的推求糙率的方法主要分為傳統方法和智能反演算法兩大類。

傳統方法主要包括經驗法、半經驗法以及試錯法。經驗法，即根據河床材料及其粗糙程度直接查表得到。此法過于粗糙，糙率表本身也有局限性。同時該方法也無法考慮河槽、灘面等因素的影響。半經驗法，利用實測水文資料及地形資料先求出河段的某些平均量，然后代入謝才公式并求出謝才系數，再利用巴甫洛夫斯基公式或曼寧公式估算出該河段的平均糙率值；該方法一般只適用于地形較規則的均勻流態，對沿程變化較大的天然河流來說不太適用。試錯法，首先利用經驗公式給定初步糙率，利用數值模擬技術進行模擬，通過比較計算水位與實際水位之間的差距，反過來調整初始糙率，重復這一過程直至計算水位與實際水位之間的差距滿足精度要求；此方法具有較大的經驗性和任意性，尤其在河網計算中，手工調試費時費力、工作量大，精度難以保證，且當計算條件改變時，糙率也會隨之變化，需要經常更新。

反演算法將沿程糙率看作優化向量，將水位、流量計算值與實測值之間的誤差作為目標函數，通過優化算法，尋求使得目標函數最小化的最優向量。20世紀60年代以來，國內外學者提出一些反演糙率的算法，一般是將各河道糙率視為定值，都沒有考慮糙率隨流量的變化，實際上各河道不同流量下的糙率是不同的。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種基于動態規劃逐次逼近法的河道糙率反演方法，包括

步驟1、采用一維水動力學模型模擬明渠、河道水流變化，模型中的糙率n采用優化方法進行率定，以計算河段在計算周期內的水位誤差平方和最小作為目標，建立河道糙率反演模型，對不同流量下的糙率進行反演；

步驟2、采用動態規劃逐次逼近法進行河道糙率反演，將不同流量級下的糙率反演分解成多階段優化問題，每次計算只對當前階段的糙率進行尋優，其它階段的糙率值保持不變。

所述步驟1中一維水動力學模型為

采用Saint-Venant方程組描述河道一維水流運動，其水流連續方程和運動方程分別為

式中：t為時間；x為流程；Q為流量；Z為水位；A為過水斷面面積；B為河寬；R為水力半徑；n為糙率；V為斷面平均流速；q_l和u_l為河段單位長度側向入流量和側向入流在x方向的分量；

動量修正系數α₁＝(∫_Au²dA)/(Q²/A)；g為重力加速度；

采用線性化的Preissmann四點隱格式對方程(1)和(2)進行離散，并采用追趕法求解離散后的方程組，方程(2)包含待率定的參數-糙率n，以水位誤差平方和最小為目標，建立河道糙率反演模型。

所述建立河道糙率反演模型具體為