基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法及装置与流程

本发明涉及防洪非工程，尤其针对基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法及装置。

背景技术：

1、全球气候变暖背景下，极端降水灾害频发导致现有防洪工程防洪效果亟须提高的难题。随着计算机技术的发展，基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成的方法成为防洪标准更新的重要工具。

2、由于原有确定防洪标准的频率曲线的线型p-ⅲ曲线是根据历史时期全国大多数河流情况确定，对于每条河流，没有针对性，存在一定误差，且针对气候变化情景下，国内具体河段情况的实用性有待验证。为此，相关技术通常针对研究河道洪水来水量进行以35年为窗口期进行历史时期的拟合，并根据设计洪水频率曲线进行未来设计洪水和校核洪水计算，而当前使用设计洪水频率曲线方法过于单一，既没有结合气候变化情景，也没有结合地理和空间变化的因素。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法及装置，将河道设计洪水频率曲线与地理物理因素结合，并为河道设计洪水频率标准提供一种新的统计模型方法，在防洪工程加固领域具有较好地应用前景。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法，包括：

4、对于研究河道站点，获取历史时期多年流量数据，设定窗口期，整理收集年最大洪水量序列；

5、根据年最大洪水量序列，分别按照不同分布线型对年最大洪水量序列进行设计洪水频率曲线拟合，构造多种滑动设计洪水频率曲线计算模型，选取拟合效果最好的滑动设计洪水频率曲线组合作为研究河道站点的历史滑动设计洪水频率曲线组合；

6、针对研究河道站点，通过气候模型输出不同情景的降水数据和气温数据输入研究河道站点适用的水文模型中，计算未来洪水来流量，获取各个窗口期下研究河道站点对应的未来设计洪水频率曲线；

7、基于数字孪生平台，对研究河道站点出口监测的洪水数据进行实时更新，更新历史滑动设计洪水频率曲线组合，同时将洪水数据代入到滑动设计洪水频率曲线计算模型中，对未来设计洪水频率曲线进行校正。

8、进一步地，水文模型根据研究河道站点所在流域地理、覆盖面情况和面积大小确定。

9、进一步地，窗口期为35年。

10、进一步地，历史滑动设计洪水频率曲线获取的方法为：

11、采用设计洪水频率曲线线型对历史滑动设计洪水频率曲线进行拟合，设计洪水频率曲线线型包括广义极值分布、威布尔分布、伽马分布、耿贝尔分布、皮尔逊ⅲ型分布、弗雷谢分布、极值分布和韦克比分布，进行线型和参数拟合之后确定分布频率曲线，计算公式如下所示：

12、广义极值分布拟合公式为：

13、

14、其中，μ为位置参数，σ为尺度参数，k为形状参数，x为随机变量，为分组中的年最大洪水量；

15、k>0时，ⅱ型，k<0时，ⅲ型，k＝0时，ⅰ型；

16、威布尔分布拟合公式为：

17、

18、其中，λ>0为尺度参数；

19、伽马分布拟合公式为：

20、

21、其中，α为形状参数，β为尺度参数；

22、耿贝尔分布拟合公式为：

23、

24、皮尔逊ⅲ型分布拟合公式为：

25、

26、其中，γ(α)为α的伽马函数，α、β、a0分别为形状、尺度和位置参数，α>0，β>0；

27、弗雷谢分布拟合过程中分为两参数雷谢分布和三参数雷谢分布；

28、两参数弗雷谢分布拟合公式为：

29、

30、三参数弗雷谢分布拟合公式为：

31、

32、其中，μ为位置参数，σ为尺度参数，α为形状参数；

33、广义帕累托分布拟合公式为：

34、

35、

36、其中，θ为阈值参数；

37、极值分布拟合公式为：

38、

39、韦克比分布拟合公式为：

40、

41、进一步地，使用指标赤池信息准则验证多种设计洪水频率曲线线型对历史滑动设计洪水频率曲线进行拟合的拟合效果，计算公式如下：

42、

43、式中，aic为拟合效果，k‘为拟合分布的参数数量，s为拟合参数曲线的模拟值，o为观测值，n为样本数。

44、进一步地，针对研究河道站点的物理实体，构建物理实体对应的数字孪生平台，在研究河道站点出口设置h-adcp获取实时洪水数据，通过数字孪生平台实时监测数据变化。

45、基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成装置，包括：

46、年最大洪水量序列获取模块，用于对于研究河道站点，获取历史时期多年流量数据，设定窗口期，整理收集年最大洪水量序列；

47、历史设计洪水频率曲线获取模块，用于根据年最大洪水量序列，分别按照不同分布线型对年最大洪水量序列进行设计洪水频率曲线拟合，构造多种滑动设计洪水频率曲线计算模型，选取拟合效果最好的滑动设计洪水频率曲线组合作为研究河道站点的历史滑动设计洪水频率曲线组合；

48、未来设计洪水频率曲线获取模块，用于针对研究河道站点，通过气候模型输出不同情景的降水数据和气温数据输入研究河道站点适用的水文模型中，计算未来洪水来流量，获取各个窗口期下研究河道站点对应的未来设计洪水频率曲线；

49、更新与校正模块，用于基于数字孪生平台，对研究河道站点出口监测的洪水数据进行实时更新，更新历史滑动设计洪水频率曲线组合，同时将洪水数据代入到滑动设计洪水频率曲线计算模型中，对未来设计洪水频率曲线进行校正。

50、基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成设备，包括处理器和能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，处理器用于运行计算机程序时，执行上述的基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法。

51、一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法。

52、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于数字孪生的设计洪水频率曲线生成方法。

53、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

54、(1)设定一定的窗口期，按照不同分布线型对年最大洪水量序列进行设计洪水频率曲线拟合，构造多种滑动设计洪水频率曲线计算模型，选取拟合效果最好的滑动设计洪水频率曲线组合作为研究河道站点的历史滑动设计洪水频率曲线组合，相比原有确定防洪标准的频率曲线的线型p-ⅲ曲线，更具有适应性，对气候变化情景下，对具体河段情况更具有实用性。

55、(2)通过不同气候模型输出不同情景的降水数据和气温数据输入研究河道适用的水文模型中，计算未来洪水来流量，获取各个窗口期下对应的未来设计洪水频率曲线，结合地理物理变化因素，能够对未来设计洪水频率曲线进行计算，并结合数字孪生平台对研究河道站点出口监测的洪水数据进行实时更新，更新历史设计洪水频率曲线组合和校正未来设计洪水频率曲线，结果更准确，进一步提高防洪标准的可靠性。