一种水面线模拟方法、装置、计算机设备及存储介质与流程

本发明涉及数据处理，具体涉及一种水面线模拟方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术：

1、大型水库是实现水资源高效利用的基础设施和重要抓手，对其水面线进行有效地实时预测，对改善水库长时间尺度的调节效果，实现水库蓄洪补枯防洪兴利功能的具有积极作用。目前常用水动力模拟结果作为判断依据，该方法在边界条件精确的条件下可以准确预测水库水面线的变化过程，但是实际应用中难以确定边界条件，模型求解结果与实际测量水面线存在差距，常用来做事后水面线过程的验证；而大型水库下边界-坝前水位抬升带来天然河道区和湖泊区交界处水面线的变化，神经网络方法仅基于历史数据获得水面线，无法判断交接处位置的变化。因此如何对水库水面线进行准确模拟成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种水面线模拟方法、装置、计算机设备及存储介质，以解决如何对水库水面线进行准确模拟的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种水面线模拟方法，包括：获取目标水库沿程干支流断面信息，基于目标水库沿程干支流断面信息建立一维水动力模型；基于一维水动力模型构建目标损失函数，并利用目标损失函数对初始神经网络模型进行优化训练，生成水面线模拟模型；利用水面线模拟模型对水库水面线进行模拟，生成水面线模拟结果。

3、本实施例提供的水面线模拟方法，通过一维水动力模型构建目标损失函数，并利用目标损失函数对初始神经网络模型进行优化训练，生成水面线模拟模型，使得水面线模拟模型同时具有数据驱动和物理约束的特点，以实现对水库水面线进行准确模拟的目的。

4、在一种可选的实施方式中，基于目标水库沿程干支流断面信息建立一维水动力模型，包括：基于干支流断面信息进行河道划分，生成分布式河段的拓扑结构；基于分布式河段的拓扑结构建立一维水动力模型。

5、本实施例提供的水面线模拟方法，通过对干支流进行河道划分，生成分布式河段的拓扑结构，针对不同河段的拓扑结构建立一维水动力模型，以实现对不同河段水面线的准确模拟的目的。

6、在一种可选的实施方式中，基于分布式河段的拓扑结构建立一维水动力模型，包括：基于分布式河段的拓扑结构构建水流连续方程和水流运动方程；获取边界处水位和边界处流量，基于分布式河段的拓扑结构、边界处水位和边界处流量构建边界条件；获取初始时刻的水位和流量空间分布，基于分布式河段的拓扑结构与初始时刻的水位和流量空间分布构建初始条件；基于水流连续方程、水流运动方程、边界条件和初始条件建立一维水动力模型。

7、本实施例提供的水面线模拟方法，通过构建水流连续方程、水流运动方程、边界条件和初始条件，进而建立一维水动力模型，以实现所建立的一维水动力模型的完整性和与目标水库的适配性，从而提高水面线模拟模型对水库水面线的准确模拟。

8、在一种可选的实施方式中，基于分布式河段的拓扑结构构建水流连续方程和水流运动方程，包括：基于分布式河段的拓扑结构确定水面宽、预测水位、预测流量、空间位置、单位河长处的旁侧入流流量、过水断面面积、水力半径和旁侧入流断面平均流速沿河道方向的分量；基于水面宽、预测水位、预测流量、空间位置和单位河长处的旁侧入流流量构建水流连续方程；获取重力加速度和糙率系数，基于预测水位、预测流量、过水断面面积、水力半径、旁侧入流断面平均流速沿河道方向的分量、重力加速度和糙率系数构建水流运动方程。

9、本实施例提供的水面线模拟方法，通过分布式河段的拓扑结构确定对应河段的物理参数，进而构建水流连续方程、水流运动方程，以实现所建立水流连续方程、水流运动方程与目标水库的适配性，从而提高水面线模拟模型对水库水面线的准确模拟。

10、在一种可选的实施方式中，基于水面宽、预测水位、预测流量、空间位置和单位河长处的旁侧入流流量构建水流连续方程，水流连续方程的表达式如下所示：

11、

12、其中，表示时间，表示空间位置，表示水面宽，表示预测水位，表示预测流量，表示单位河长上的旁侧入流流量。

13、在一种可选的实施方式中，基于预测水位、预测流量、过水断面面积、水力半径、旁侧入流断面平均流速沿河道方向的分量、重力加速度和糙率系数构建水流运动方程，水流运动方程的表达式如下所示：

14、

15、其中，表示时间，表示空间位置，表示预测水位，表示预测流量，表示单位河长上的旁侧入流流量，表示旁侧入流断面平均流速沿河道方向的分量，表示重力加速度，表示过水断面面积，表示糙率系数，表示水力半径。

16、在一种可选的实施方式中，基于一维水动力模型构建目标损失函数，并利用目标损失函数对初始神经网络模型进行优化训练，生成水面线模拟模型，包括：基于水流连续方程、水流运动方程、边界条件和初始条件构建模型损失函数；获取目标水库沿程干支流水位流量的历史数据和预测数据，基于目标水库沿程干支流水位流量的历史数据和预测数据构建标签损失函数；基于模型损失函数和标签损失函数构建目标损失函数；基于目标水库沿程干支流水位流量的历史数据对初始神经网络模型进行训练，直至目标损失函数收敛，生成水面线模拟模型。

17、本实施例提供的水面线模拟方法，通过构建模型损失函数和标签损失函数，进而构建目标损失函数，并利用目标水库沿程干支流水位流量的历史数据对初始神经网络模型进行训练，直至目标损失函数收敛，得到优化的水面线模拟模型，以实现对水库水面线进行准确模拟的目的。

18、在一种可选的实施方式中，基于模型损失函数和标签损失函数构建目标损失函数，其中，目标损失函数的计算公式如下所示：

19、

20、其中，表示目标损失函数，表示神经网络模型的权重值，表示河道被划分的个河段数，表示河段序号，表示第个河段水流连续方程的损失函数，表示第个河段水流运动方程的损失函数，和表示第个河段边界条件的损失函数，和表示第个河段初始条件的损失函数，和表示第个河段标签数据的损失函数，为水流连续方程和水流运动方程残差点数量，为边界条件残差点数量，为初始条件残差点数量，为标签数据数量。

21、在一种可选的实施方式中，基于目标水库沿程干支流水位流量的历史数据对初始神经网络模型进行训练，直至目标损失函数收敛，生成水面线模拟模型，包括：将目标水库沿程干支流水位流量的历史数据输入初始神经网络模型中，输出水位流量预测值；将水位流量预测值输入目标损失函数，生成损失函数值；将损失函数值与预设阈值进行比较，当损失函数值大于预设阈值时，对初始神经网络模型中的权重进行调整，直至损失函数值小于预设阈值时，生成水面线模拟模型。

22、本实施例提供的水面线模拟方法，通过将损失函数值与预设阈值进行比较，对初始神经网络模型中的权重进行调整，直至损失函数值小于预设阈值时，得到优化的水面线模拟模型，以实现对水库水面线进行准确模拟的目的。

23、在一种可选的实施方式中，还包括：利用水面线模拟结果，对目标水库的水位流量变化过程进行评价，生成水位流量变化评价结果。

24、本实施例提供的水面线模拟方法，利用水面线模拟结果，对目标水库的水位流量变化过程进行评价，生成水位流量变化评价结果，进而为相应策略的制定提供数据参考。

25、第二方面，本发明提供了一种水面线模拟装置，包括：建立模块，用于获取目标水库沿程干支流断面信息，基于目标水库沿程干支流断面信息建立一维水动力模型；生成模块，用于基于一维水动力模型构建目标损失函数，并利用目标损失函数对初始神经网络模型进行优化训练，生成水面线模拟模型；模拟模块，用于利用水面线模拟模型对水库水面线进行模拟，生成水面线模拟结果。

26、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的水面线模拟方法。

27、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的水面线模拟方法。