CN107300390A - 一种河网水动力模型的实时校正方法和实时校正系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种河网水动力模型的实时校正方法和实时校正系统，所述实时校正方法包括：读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式；根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息；进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。本发明实施例，可以保证对模型状态变量的校正不影响到模型的稳定性，在复杂河网地区也能够实际应用。

Description

一种河网水动力模型的实时校正方法和实时校正系统
技术领域
本发明涉及洪水预报领域，尤其涉及一种河网水动力模型的实时校正方法和实时校正系统。
背景技术
以洪水演进物理规律为基础来构建水动力模型洪水预报、校正模型是目前的研究热点。现有的水动力模型实时校正方法大致分为以下三类：第一类是对状态变量的校正，以卡尔曼滤波理论实时校正方法为代表；第二类是对预报结果的校正，代表性的方法是基于具有遗忘因子的最小二乘法的误差自回归实时校正；第三类方法是以上两种校正方法的综合，既包含对状态变量的更新，也包含对模拟结果的实时校正。
第一类对状态变量的校正方法，目前多采用卡尔曼滤波技术将模型节点的水位、流量作为状态量进行滤波计算，在单一河道或树状河网的应用中取的了很好的效果。但在复杂环状河网地区洪水预报中，碍于环状河网水流计算的复杂性，因校正模型对水流状态变量的修改，模型计算容易出现不稳定的现象，导致其实时校正及预报技术难以真正应用于实际中。
第二类对预报结果的校正方法，是在水位、流量预报结果的基础上进行误差修正。这种校正方法存在一定的局限性：仅仅对结果进行统计分析，物理意义不够明确，校正效果并不明显。
第三类方法虽然综合了以上两种方法，但并没有从根本上解决前两类方法的不足之处，应用作用有限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种河网水动力模型的实时校正方法和实时校正系统，能够克服现有实时校正方法的缺陷，保证对模型状态变量的校正不影响到模型的稳定性，在复杂河网地区也能够实际应用。
具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种河网水动力模型的实时校正方法，所述实时校正方法包括：
读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式；
根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息；
进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。
本发明还提供了一种河网水动力模型的实时校正系统，所述实时校正系统包括：
合理性检验和处理单元，用于读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式；
动态边界节点信息配置单元，用于根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息；
计算和传播单元，用于进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。
本发明构建的动态边界处理技术，是在常规河网水动力模型的基础上，对边界条件处理模块进行改进，使得节点的属性在计算过程中可以改变。在校正阶段，将动态边界节点作为水位边界节点，将动态边界节点的实测水位值输入并通过节点方程组的求解将状态变量传播到相邻河网，从而提高河网整体的计算精度，使得水动力模型从校正阶段过渡到预报阶段时的河网水流状态与实际更为相符；在预报阶段，由于动态边界节点不再有实测水位值，因此该阶段将动态边界节点作为一个普通节点，河网水动力模型无需停止计算和重新配置边界条件，保证了河网水动力模型计算的连续性。
附图说明
图1是本发明一示例性实施例示出的一种河网水动力模型的实时校正方法的流程图；
图2是本发明一示例性实施例示出的一种河网水动力模型的实时校正系统的结构图；
图3是本发明一示例性实施例示出的一种河网示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
如图1所示为本发明一示例性实施例示出的一种河网水动力模型的实时校正方法的流程图，所述校正方法包括：
步骤S101，读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式。
在洪水预报实时校正中，计算阶段分为校正阶段和预报阶段。校正阶段即已发生的时段，在该时段内，设有水文测站的河道已有实测的水位数据或流量数据。实测数据是进行实时校正的基本依据，水动力模型的状态变量在校正阶段可根据实测数据进行调整和修正。从校正阶段转移到预报阶段时，水动力模型中的的水力状态变量必须保存，并作为预报阶段模型的状态变量输入。
本步骤读取校正阶段已经发生并测得的实测水位数据，并进行合理性分析后处理成规定格式，为后续的实时校正做准备。
步骤S102，根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息。
在河网水动力模型中，节点通常有两种类型，一种是边界条件已知的边界节点，另一种是水力要素未知的普通节点。本次将具有实测水位值的节点设置为动态边界节点：在校正阶段，该动态边界节点作为水位已知的边界节点；在预报阶段，该动态边界节点作为普通节点。
步骤S103，进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。
常规河网水动力模型，节点的属性是固定不变的，即边界条件已知的边界节点一直是边界节点，水力要素未知的普通节点一直是普通节点。
本发明构建的动态边界处理技术，是在常规河网水动力模型的基础上，对边界条件处理模块进行改进，使得节点的属性在计算过程中可以改变。在校正阶段，将动态边界节点作为水位边界节点，将动态边界节点的实测水位值输入并通过节点方程组的求解将状态变量传播到相邻河网，从而提高河网整体的计算精度，使得水动力模型从校正阶段过渡到预报阶段时的河网水流状态与实际更为相符；在预报阶段，由于动态边界节点不再有实测水位值，因此该阶段将动态边界节点作为一个普通节点，河网水动力模型无需停止计算和重新配置边界条件，保证了河网水动力模型计算的连续性。
如图3所示为一河网示意图，节点1、节点2为普通节点，节点 4为水位边界节点，节点3为动态边界节点，所述进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，包括：
节点1、节点2为普通节点，节点4为水位边界节点，节点3为动态边界节点。对河网进行水动力计算，在采用实时校正方法前，节点3为普通节点，以节点水位为基本未知量，可列出如下方程组1：式中：Z1,Z2,Z3,Z4分别为节点1、节点2、节点3、节点4的水位，Z4为已知条件，Z1,Z2,Z3的值均要通过方程组1求解得到；采用本实时校正方法后：将节点3设为水位边界节点，以节点水位为基本未知量，可列出如下方程组2：由于Z3,Z4均为已知，方程组最终可转化为二元线性方程组，求解方程组，即可得到Z1,Z2的值。
采用实时校正方法前，模型中节点3的水位Z3，计算通过方程组1 求解得到，采用实时校正方法后，模型中节点3的水位为Z3，实际，从而节点3的水位校正值为ΔZ3＝Z3，实际-Z3，计算。并且通过方程组2的求解：将节点3处的校正信息ΔZ3传播到节点1和节点2，从而实现整个河网的误差实时校正。
如图2所示为本发明一示例性实施例示出的一种河网水动力模型的实时校正系统的结构图，所述校正系统包括：
合理性检验和处理单元201，用于读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式。
在洪水预报实时校正中，计算阶段分为校正阶段和预报阶段。校正阶段即已发生的时段，在该时段内，设有水文测站的河道已有实测的水位数据或流量数据。实测数据是进行实时校正的基本依据，水动力模型的状态变量在校正阶段可根据实测数据进行调整和修正。从校正阶段转移到预报阶段时，水动力模型中的的水力状态变量必须保存，并作为预报阶段模型的状态变量输入。
本步骤读取校正阶段已经发生并测得的实测水位数据，并进行合理性分析后处理成规定格式，为后续的实时校正做准备。
动态边界节点信息配置单元202，用于根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息。
在河网水动力模型中，节点通常有两种类型，一种是边界条件已知的边界节点，另一种是水力要素未知的普通节点。本次将具有实测水位值的节点设置为动态边界节点：在校正阶段，该动态边界节点作为水位已知的边界节点；在预报阶段，该动态边界节点作为普通节点。
计算和传播单元203，用于进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。
常规河网水动力模型，节点的属性是固定不变的，即边界条件已知的边界节点一直是边界节点，水力要素未知的普通节点一直是普通节点。
本发明构建的动态边界处理技术，是在常规河网水动力模型的基础上，对边界条件处理模块进行改进，使得节点的属性在计算过程中可以改变。在校正阶段，将动态边界节点作为水位边界节点，将动态边界节点的实测水位值输入并通过节点方程组的求解将状态变量传播到相邻河网，从而提高河网整体的计算精度，使得水动力模型从校正阶段过渡到预报阶段时的河网水流状态与实际更为相符；在预报阶段，由于动态边界节点不再有实测水位值，因此该阶段将动态边界节点作为一个普通节点，河网水动力模型无需停止计算和重新配置边界条件，保证了河网水动力模型计算的连续性。
如图3所示为一河网示意图，节点1、节点2为普通节点，节点 4为水位边界节点，节点3为动态边界节点，所述进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，包括：
节点1、节点2为普通节点，节点4为水位边界节点，节点3为动态边界节点。对河网进行水动力计算，在采用实时校正方法前，节点3为普通节点，以节点水位为基本未知量，可列出如下方程组1：式中：Z1,Z2,Z3,Z4分别为节点1、节点2、节点3、节点4的水位，Z4为已知条件，Z1,Z2,Z3的值均要通过方程组1求解得到；采用本实时校正方法后：将节点3设为水位边界节点，以节点水位为基本未知量，可列出如下方程组2：由于Z3,Z4均为已知，方程组最终可转化为二元线性方程组，求解方程组，即可得到Z1,Z2的值。
采用实时校正方法前，模型中节点3的水位Z3，计算通过方程组1 求解得到，采用实时校正方法后，模型中节点3的水位为Z3，实际，从而节点3的水位校正值为ΔZ3＝Z3，实际-Z3，计算。并且通过方程组2的求解：将节点3处的校正信息ΔZ3传播到节点1和节点2，从而实现整个河网的误差实时校正
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种河网水动力模型的实时校正方法，其特征在于，所述实时校正方法包括：
读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式；
根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息；
进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。
2.如权利要求1所述的动态边界处理技术，其特征在于，采用了一种动态边界处理的技术，使得有实际观测数据的节点在计算过程中可以动态改变节点属性，此类节点即为动态边界节点。在校正阶段，将动态边界节点作为水位边界节点，通过动态边界节点的实测水位值输入并通过节点方程组的求解将状态变量传播到相邻河网，从而提高河网整体的计算精度，使得水动力模型从校正阶段过渡到预报阶段时的河网水流状态与实际更为相符；在预报阶段，由于动态边界节点不再有实测水位值，因此该阶段将动态边界节点作为一个普通节点，河网水动力模型无需停止计算和重新配置边界条件，保证了河网水动力模型计算的连续性。
3.一种河网水动力模型的实时校正系统，其特征在于，所述实时校正系统包括：
合理性检验和处理单元，用于读取水位测站的实测水位数据，对所述实测水位数据进行合理性检验并处理成规定格式；
动态边界节点信息配置单元，用于根据实测水位站点的分布以及所述实测水位数据的合理性情况，科学选取并配置动态边界节点信息；
计算和传播单元，用于进行河网水动力模型计算，采用动态边界处理技术，利用实测水位数据对水位测站所在节点的水位进行实时校正，并通过节点方程组的求解将校正信息传播到整个河网，从而提高整个河网的计算精度。
4.如权利要求3所述的实时校正系统，其特征在于，采用了一种动态边界处理的技术，使得有实际观测数据的节点在计算过程中可以动态改变节点属性，此类节点即为动态边界节点。在校正阶段，将动态边界节点作为水位边界节点，通过动态边界节点的实测水位值输入并通过节点方程组的求解将状态变量传播到相邻河网，从而提高河网整体的计算精度，使得水动力模型从校正阶段过渡到预报阶段时的河网水流状态与实际更为相符；在预报阶段，由于动态边界节点不再有实测水位值，因此该阶段将动态边界节点作为一个普通节点，河网水动力模型无需停止计算和重新配置边界条件，保证了河网水动力模型计算的连续性。
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