基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法、装置、计算机设备和可读存储介质与流程

本发明属于水力学及河流动力学领域，特别是涉及一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法、装置、计算机设备和可读存储介质。

背景技术：

1、水动力学模型是研究水流运动规律的数学模型，广泛应用于水文领域中的水资源管理、河流治理、洪水预报等方面。糙率是描述河道表面粗糙程度的重要参数，它直接影响水流的阻力、速度分布以及水位等重要水文特征。因此，准确地确定糙率参数对于模型的精度和可靠性至关重要。然而，在实际应用中，确定糙率参数往往是一个具有挑战性的问题。针对糙率参数优选问题的研究具有重要的理论意义和实际应用价值，通过提出有效的参数优选算法和方法，可以提高水动力学模型的精度和可靠性，为水资源管理和水文灾害预测等工作提供更为可靠的支持。

2、现有水动力学模型的糙率参数率定方法主要有试错法、随机模拟方法、梯度搜索方法和启发式算法等几类。但是，试错法依赖于专家经验、不能保证达到最优值；随机模拟算法由于其依赖随机性、无法有效利用已有信息，往往需要大量的迭代才能找到满意的结果，导致算法效率低下；梯度搜索方法对初始值敏感且不适用于不连续优化问题；启发式算法在面对参数设置时较为敏感，而且无法保证找到全局最优解，常常会陷入局部最优解而难以逃脱。

3、综上所述，传统的试错法过于依赖经验知识、随机搜索算法无法有效利用已有信息以及启发式算法计算效率偏低，造成水动力学模型的高维参数率定效率偏低的难题。

4、因此，需要设计一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法、装置、计算机设备和可读存储介质来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法、装置、计算机设备和可读存储介质，该方法旨在解决现有技术的试错法过于依赖经验知识、随机搜索算法无法有效利用已有信息以及启发式算法计算效率偏低，造成水动力学模型的高维参数率定效率偏低的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，包括以下步骤：

4、s1，获取河段各水文站点的实测水位、流量数据，以及各断面的横截面数据；

5、s2，根据获取到的数据确定一维水动力学模型的上、下边界以及各断面初始条件，采用有限体积法离散求解圣维南方程组，并用欧拉-拉格朗日方法求解动量方程中的对流项；

6、s3，以河段内所有水文站点的模拟值与实测值之间的总均方根误差最小为计算目标，采用改进蒙特卡洛方法求解各河段最优糙率参数组合。

7、优选地，圣维南方程组为：

8、；

9、；

10、式中， b为水面宽，为水位， q为流量， q为侧向入流， t为时间， x为沿河道的距离， a为过水断面面积， g为重力加速度， r为水力半径， c为谢才系数。

11、优选地，有限体积法离散求解圣维南方程组为：

12、；

13、式中，下标 i表示第 i个控制体界面，上标 t表示第 t个时刻，表示断面间距；

14、；

15、式中， n为糙率，为控制体的长度，为欧拉-拉格朗日法追踪的结果，即在 t时刻在第 i个界面的流量质点，寻找其 t-1时刻的运动状态和所处的位置；

16、联立可得：

17、；

18、其中， d、 f、 g为 t时刻已知值，具体表达式为：

19、；

20、；

21、；

22、式中，下标 i表示第 i个控制体界面，上标 t表示第 t个时刻，表示时间差。

23、优选地，基于水位误差反馈的随机倍增减收敛策略的改进蒙特卡洛方法为：

24、；；

25、式中，，和分别表示第 k个河段第1次、第 t次和第 t+1次迭代中生成的糙率值；表示第 k个河段的相邻实测站点平均相对误差的平均值；表示内的随机数且符合均匀分布；表示第 k个河段相邻实测站点在第 t次的模拟值相对于实测值的 r方的平均值；表示设定的理想 r2阈值；为随机倍比在小数位的变化区间；糙率的变化范围为：。

26、基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定装置，装置包括：

27、原始数据采集模块，用于获取河段各水文站点的原始数据，包括实测水位、流量数据，以及各断面的横截面数据；

28、圣维南方程组构建模块，用于根据获取到的原始数据确定一维水动力学模型的上、下边界以及各断面初始条件从而构建圣维南方程组；

29、圣维南方程组求解模块，用于采用有限体积法离散求解圣维南方程组；

30、河段最优糙率参数求解模块，用于通过基于水位误差反馈的随机倍增减收敛策略的改进蒙特卡洛方法来求解河段最优糙率参数。

31、进一步地，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，从而执行所述的一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法。

32、进一步地，一种计算机可读存储介质，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所述的一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法。

33、本发明的有益效果如下：

34、本发明充分利用了上次迭代寻优结果的模拟值与实测值之间的误差信息，提出了基于误差方向的收敛策略，有效提升了原有蒙特卡洛方法的收敛性，极大地提高了水动力学模型的参数率定计算效率。

技术特征：

1.基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，原始数据包括实测水位、流量数据，以及各断面的横截面数据。

3.根据权利要求1所述的基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，步骤s2中，根据获取到的原始数据确定一维水动力学模型的上、下边界以及各断面初始条件，采用有限体积法离散求解圣维南方程组。

4.根据权利要求3所述的基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，圣维南方程组为：

5.根据权利要求4所述的基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，有限体积法离散求解圣维南方程组为：

6.根据权利要求5所述的基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，联立圣维南方程组的两方程可得：

7.根据权利要求1所述的基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法，其特征在于，基于水位误差反馈的随机倍增减收敛策略的改进蒙特卡洛方法为：

8.用于权利要求1~7任意一项的一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定装置，其特征在于，装置包括：

9.一种计算机设备，其特征在于，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，从而执行权利要求1至7中任一项所述的一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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权利要求1至7中任一项所述的一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法。

技术总结
本发明公开了一种基于改进蒙特卡洛的水动力模型参数率定方法、装置、计算机设备和可读存储介质，提出了基于水位误差反馈的随机倍增减收敛策略，改进了传统的蒙特卡洛法，克服了原有蒙特卡洛法无法快速收敛、无法有效利用已有信息和依赖大量且不必要的重复计算等缺点，有效提升了水动力学模型的参数率定效率和精度。本发明利用河道断面实测水文站点的历史水位流量数据，确定模型上、下边界以及各断面初始条件，建立了一维水动力学模型，与改进蒙特卡罗方法相结合率定各河段的糙率，为水动力学模型的多维参数率定提供了一种新的思路与方法。

技术研发人员：仇红亚,徐长江,周曼,刘亚新,李妍清,纪国良,熊丰,徐杨,郭率,张冬冬,简铁柱,李帅,周恺,任实,龚文婷
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/5