[發明專利]一種基于貝葉斯理論的天然河道水位流量關系確定方法

有效

• 申請號: 201811518558.3
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN109635435B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 劉丙軍;邱江潮;譚學志;彭為;楊子博
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳偉斌

本發明涉及水利工程水文測驗技術領域，更具體地，涉及一種基于貝葉斯理論的天然河道水位流量關系確定方法。包括以下步驟：基于水流運動規律，通過分析水文測站水力學屬性和幾何屬性，建立水位流量關系模型；考慮測量誤差和擬合誤差計算實測流量的似然函數；基于貝葉斯理論，根據參數實際物理意義構造參數的先驗分布；通過設計的自適應MCMC算法求解參數的后驗分布。本發明建立的水位流量關系模型的參數物理意義明確，誤差來源清晰，最大化利用了參數已有信息和樣本信息，模擬求解效率較高。

技術領域

本發明涉及水利工程水文測驗技術領域，更具體地，涉及一種基于貝葉斯理論的天然河道水位流量關系確定方法。

背景技術

水位流量關系是指水文測站斷面水位與相應流量之間的關系。由于流量測驗技術復雜、耗資昂貴，難以連續進行，在水文資料整編時通常將連續的水位資料，通過水位流量關系轉換為連續的流量資料，因此，水位流量關系具有重要的實用意義。

傳統的確定水位流量關系曲線方法需要先根據測站特性確定擬合線型，然后根據測站斷面多次實測水位和其對應流量數據確定擬合參數，由此確定水位流量關系的數學方程式。擬合線型常選用冪函數型、多項式型和對數函數型，擬合參數則是在確定一定擬合準則后，通過相應算法求解，常用的擬合準則包括殘差平方和最小準則、絕對殘差絕對值和最小準則以及相對殘差絕對值和最小準則，常用的算法包括最小二乘法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、人工神經網絡等。然而上述方法多關注算法原理及不同方法擬合效果對比，擬合線型實際上是根據實測水位流量數據點對的分布形式依靠經驗選取的，運用所需數據量較大，線型選擇依據不充分，誤差來源不清晰，由于未基于水文測站固有特性充分考慮水流運動規律，擬合得到的水位流量關系物理意義不強。眾多水文測站具有不同的測站特性，缺乏客觀完整的反映水流運動規律的水位流量關系確定方法給生產實踐中的定線推流工作帶來了較大的不便。

發明內容

本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種基于貝葉斯理論的天然河道水位流量關系確定方法，僅考慮水位流量為單一對應關系的情況，旨在使水位流量關系的確定能充分利用現有資料和已知信息，參數物理意義明確，誤差來源清晰，對特性不同的水文測站均具有較強的適用性。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于貝葉斯理論的天然河道水位流量關系確定方法，包括以下步驟：

步驟1：水位流量關系模型建立

天然河道水文測站控制斷面的過流流量通常用斷面平均流速乘以斷面面積求得，將斷面平均流速及斷面面積分別用水位表示，即可得到流量關于水位表達式的一般形式：

Q＝a(H-b)^c (1.1)

式中Q為流量，H為水位，a為系數，c為指數，b為零流水位。

本發明的步驟3是根據測站特性等已有信息構造水位流量關系表達式中各參數的先驗分布，而系數a的表達式綜合了多個物理量，無法直接構造先驗分布，需要推導其更加詳細的表達式。由于斷面平均流速和斷面面積是決定測站過流流量的兩個關鍵因素，前者取決于測站控制類型，后者取決于斷面形狀。本發明步驟1將分四部分進一步說明：先識別測站控制類型，分析測站水力學屬性推導斷面流量關于平均流速和斷面面積的表達式，再分析測站幾何屬性推導斷面面積關于水位的表達式，最后聯立方程得到流量關于水位的表達式。

步驟1又具體包括以下步驟：

步驟S11：測站控制識別

測站控制是水文測站對水流運動起控制作用的斷面或河段的水力因素的總和，可分為斷面控制和河槽控制兩類：