一种基于数据同化的河道水沙实时预测方法

摘要

本发明涉及一种基于数据同化的河道水沙实时预测方法，属于水利工程技术领域。首先收集待预测河道的地形数据、上下游的边界条件数据以及河道的断面数据，构建一维非恒定流和非平衡输沙模型，模型进行求解；接收实时观测数据时，对实时观测数据进行水沙模型的同化，并将同化值作为计算的初始场；根据初始场信息和边界条件数据计算未来的水位、流量以及含沙量的变化。本发明方法采用基于同化实时水位、流速、含沙量等数据，实现水位流速预测、洪水预报等功能，具有针对性强，功能齐全，方便实用等特点，可应用在大江大河的河道洪水实时预报中，为实际防汛指挥工作提供决策支持。

主权项

1.一种基于数据同化的河道水沙实时预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（1）采集河道待预测段的信息，该信息包括：河道待预测段的河道底高程E和河宽B、河道待预测段上游边界的流量Q_up和含沙量S_up、河道待预测段下游边界的水位Z_down，各个断面的初始流量场Q_初始、初始水位场Z_初始以及初始含沙量场S_初始，将上述信息按采样时间的先后顺序分别进行排列，得到一张河道待预测段信息表；（2）根据上述信息，求解以下一维非恒定流非平衡输沙模型：$\frac{\partial A}{\partial t}+\frac{\partial Q}{\partial x}=q_l$$\frac{\partial Q}{\partial t}+\frac{\partial }{\partial x}\left(\frac{Q^2}{A}\right)+\mathrm{gA}\frac{\partial Z}{\partial x}+g\frac{Q\left|Q\right|}{C^2\mathrm{AR}}=0$$\frac{\partial \left(\mathrm{AS}\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\mathrm{QS}\right)}{\partial x}+\mathrm{\alpha \omega B}(S-S_{*})=0$得到河道待预测段各断面的水位计算值Z_预报、流量计算值Q_预报和含沙量计算值S_预报，其中，A为河道待预测段各断面面积，g为重力加速度，R为河道待预测段各断面的水力半径，q_l为河道待预测段的旁侧流量，C为谢才系数，由曼宁公式计算求得n根据河道实际情况进行经验取值，α为恢复饱和系数，取值范围为0.01-10；ω为泥沙沉速，B为河道待预测段各断面的宽度，S_*为河道待预测段各断面的平均挟沙力，t为时间，x为河道待预测段中相邻两个预测断面之间的距离；（3）实时采集待测河道各断面的信息，包括水位Z_测量、流量Q_测量和含沙量S_测量，根据实时采集待测河道各断面的信息，采用集合卡尔曼滤波方法，建立以下数据同化水沙模型：Q_同化＝Q_预报+K(Q_测-HQ_预报)Z_同化＝Z_预报+K(Z_测-HZ_预报)S_同化＝S_预报+K(S_测-HS_预报)其中，H为观测算子，一般情况下取1，K为卡尔曼增益，K＝P/(P+PS)，P为数据同化水沙模型计算误差，采用蒙特卡罗方法计算得出n次模拟的P_i计算得出，PS为观测值误差，根据《河流流量测验规范》，流量和含沙量的误差为测量值的5%，水位误差为3cm；求解上述数据同化水沙模型，得到河道待预测段的上游边界的同化流量Q_同化、同化水位Z_同化及同化含沙量S_同化；（4）根据设定的河道水沙预测周期，将上述步骤（3）得到的Q_同化、Z_同化、S_同化作为河道待预测段各断面的初始流量场Q_初始、初始水位场Z_初始以及初始含沙量场S_初始，集合步骤（1）的待测河道上游边界的流量Q_up、含沙量S_up、下游边界的水位Z_down，利用步骤（2）的一维非恒定流非平衡输沙模型，进行河道水沙预测计算，得到河道待预测段未来时刻各断面的未来水位Z_预报、未来流量Q_预报和未来含沙量S_预报。