用相关函数优化法计算离散线性水文模型参数

借助于日降雨和出流资料系列,采用相关函数优化方法确定离散线性水文模型参数是一种新的方法.文中选用4个流域8年日降雨和径流资料系列来检验相关函数优化法(6年作为率定期,2年作为验证期),所得结果与常规最小二乘法计算的结果进行比较表明:新方法计算精度比常规最小二乘法计算的精度有所提高,常规最小二乘法仅是相关函数优化法的一种特例.     

回归模型的灵敏度分析

回归计算中，由于资料和计算上的误差，使结果也产生一定的误差，通常，采用最小二乘法或最小一乘法来估计回归模型中的参数，即是取目标函数为最小来实现的，如果使目标函数在允许的误差范围内变化，则参数会有相应的变幅，本文探讨了两变数回归时参数估计的灵敏度，在相关关系不甚密切时，误差对结果的影响是较大的。     

水库防洪等蓄量优化调度模型及应用

等蓄量法是中国水库防洪规划与实时调度中常用的调度方式,其3个参数（等蓄流量、起蓄流量和等蓄历时）一直采用试算方法推求。以等蓄流量为输入参数,引入蓄放水0~1状态变量,定义了逐时段水库蓄水量之和最小的线性目标函数,并设置蓄水状态连续性约束解决等蓄历时的推求,建立了水库防洪等蓄量优化调度的0~1整数线性规划模型（RFEV-ILP）。通过亭子口水库应用表明,该模型算法稳定,与理想补偿调度方式计算的防洪库容相差不足1%。该优化模型不仅可以推求防洪库容、起蓄流量及等蓄历时与等蓄流量之间的数值关系,而且能较好地揭示防洪风险与等蓄流量之间的关系、防洪控制点距离水库的远近对等蓄流量可选范围及相应采取防洪策略的影响。     

机器学习算法反求水文地质参数

传统方法求解优化问题时,一般都是依据最小二乘原理来确定目标函数。鉴于这种方法没有考虑到原始测量数据的误差对计算结果及精度带来的影响。为此,提出机器学习算法改进传统的目标函数,同时结合双评价粒子群算法来求解水文地质参数。结果表明,该算法具有良好的收敛性和稳定性,求解效率高,简单易实现。      

改进的最小二乘法在水文分析计算中的应用

在水分析计算中，经常涉及到变量之间的线性或非线性拟合，而在拟合各种特性曲线时，通常应用以实测资料与拟合曲线间的误差平方和最小作为目标函数的方法——最小二乘法，但这种方法忽视了所有实测点应与拟合曲线间的相对误差尽量不超过某一百分比的原则，为了达到上述要求，提出了非线性的加权最小二乘法及线性相关方程的最小距离平方和法，探讨改进了传统的最小二乘法达到优化的效果。最小距离平方和法与常用的图解法相比，本法所得成果较为客观；与传统的单方向(x或y方向)最小二乘回归法相比，所求线性方程不会因坐标系的选取而改变。最后应用算例进行了初步讨论。     

经典的误差理论和最小二乘法存在的问题

1794年自高斯提出误差和最小二乘法开始,经1809—1826年间逐步系统完善以来,测量界和科学技术部门在处理大量观测数据中,一直就沿用着传统的误差计算方法。例如采用均方误差公式衡量观测精度;应用误差传播定律分析精度之间关系;应用最小二乘法原理进行平差等。     

承压稳定井流计算的无网格局部Petrov-Galerkin法

本文基于移动最小二乘形函数和加权残量法,针对承压稳定井流问题,构造了无网格局部Petrov-Galerkin法,并对井点采用了控制面积法。通过具体模型计算显示,该方法实施过程简单,又有较高的精度。     

基于粒子群优化算法的未知波速声发射定位数值模拟

针对岩石力学试验中基于时差定位算法中声发射定位精度受岩石波速等诸多因素的影响问题,提出基于粒子群优化的未知波速声发射定位算法。该算法将岩石波速作为未知值,根据拾取到的时差建立基于最小二乘法原理的目标函数,利用粒子群优化算法,求解目标函数,寻得目标位置和波速。权重系数是影响该算法精度及其稳定性的重要因素,首先通过数值试验模型确定最优权重系数为0.729 8,可以满足算法精度及其稳定性。数值仿真结果表明,由选取的权重系数最后计算精度高于传统已知波速算法。为验证该算法的实际应用效果,进行断铅试验,结果表明该算法优于传统已知波速算法。     

河道流量演算的一种新途径

系统地阐述了现行各种流量演算模型普遍存在系统偏差(注)及其造成的原因,根据河槽蓄泄特性提出了滞后出流流量演算模型及其解法.实例应用表明,该模型在实例河段优于反映非线性影响的马斯京根演算模型.     

用最小二乘配点法解地下水稳定流问题

最小二乘配点无网格法是一种新型高效的无网格法。该方法除节点外又在研究域内引入辅助点,近似函数仍然只通过节点构造,微分方程在所有节点和辅助点上满足。本文将最小二乘配点无网格法应用于非均质多孔介质中的二维地下水稳定流问题,推导了计算格式、编制了相应的计算程序。算例结果表明,最小二乘配点无网格法算法简单,有较高的精度且节省计算量。     

Nash瞬时单位线推演河道汇流的完整公式

Nash瞬时单位线是基于零初始条件而得到的,没有反映河道汇流的完整过程。通过拉普拉斯变换和数学归纳,推导出了考虑初始槽蓄量退水过程的完整Nash河道汇流公式。分析讨论了公式各项的物理含义,出口断面的流量应是河槽初始槽蓄量的退水过程与上游入流演算结果的叠加,据此建立了一种具有物理概念的河道洪水演算实时校正模型,通过实例分析验证了公式的实用性和合理性。完整公式是更为一般情形下的Nash河道汇流模型,一定程度上丰富和发展了现有Nash汇流理论,并可适当提高河道洪水演算的精度。     

考虑动态汇流路径的时变分布式单位线

针对现有分布式单位线汇流理论未考虑土壤含水量变化引起的时变汇流路径问题,提出动态汇流路径新概念,推求同时考虑降雨强度和土壤含水量时空分布的坡面流速计算公式,引入地形指数刻画流域蓄水能力空间分布,从而获得栅格尺度流域流速分布场,进一步建立不同蓄满状态下流域动态汇流路径集合,最终实现考虑动态汇流路径的时变分布式单位线推求。以龙虎圩和东石流域为实例,通过SCS模型计算产流量,采用本文所提方法进行汇流计算,引入涵盖低流量误差、高流量误差及洪量误差的多目标优化方法率定参数,2个典型流域28场洪水预报结果表明,洪峰流量相对误差在±15%内,峰现时间误差在±6 h之间,纳什效率系数平均值超过0.8,与现有方法相比,所提方法能更加准确地反映汇流时间分布场,提高了洪水预报精度。     

复杂防洪系统联合优化调度模型

建立以水库群系统安全度最大、行蓄洪区系统损失最小为目标函数,将河道堤防安全行洪考虑为约束条件的复杂防洪系统多目标递阶优化调度模型(MoHOOM),以行蓄洪区总分洪流量为协调变量,将河道水流连续方程解耦,基于大系统分解协调法建立协调层和基于粒子群算法求解底层子系统优化问题,形成三级递阶分解协调结构和相应求解方法。以淮河中游防洪系统为背景进行了实例研究,给出了水库群泄流和行蓄洪区分洪最优方案,在相同初始计算条件下,优化模型结果比实际调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.37和0.01的安全度指标,减小下游蒋家集和润河集河段超过安全泄量以上100 m3/s和720 m3/s的洪峰流量,启用南润段行洪区致损1 256.1万元;比规则调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.24和0.21的安全度指标,减小下游蒋家集河段超过安全泄量以上750 m3/s的洪峰流量,避免南润段行洪区损失341.6万元。模型有利于挖掘上游水库群的防洪能力,在保障河道堤防安全行洪条件下,减少下游不必要的行蓄洪区分洪损失,以系统全局寻优方式进行复杂防洪系统联合调度。     

基于变步长加速搜索的微震源定位方法

微震定位方法是微震监测技术的重要组成部分,其关键是定位震源位置。利用空间网格划分并计算网格交点目标函数值,对微震定位目标函数二维及三维空间分布进行了分析,并据此获取了目标函数连续且极小值唯一、单轴收敛范围逐步减小、各轴收敛范围不一的规律。利用以上规律及模式搜索法、网格搜索法的优缺点,探索出了基于连续比较模块、变步长模块、加速模块的变步长加速搜索法。通过模拟算例与工程数据下收敛稳定性、结果精确度、计算速度以及参数初始值影响程度4个指标的效果对比,结果表明：模拟算例下,对比模拟退火算法、遗传算法,变步长加速搜索法的目标函数值标准差、定位误差标准差、波速误差标准差均为0;该算法的定位误差平均值分别为其余二者的0.7%、1.9%;该算法的计算时间平均值分别为其余二者的6.9%、33.2%。该算法单独更改各参数对定位误差的影响在0.005～0.025 m之间;减小搜索步长下限可有效提高结果精确度,并增加相应的计算时间。在规定初至到时与目标函数模型及检波器位置坐标下,搜索算法对定位精度无实质影响。     

河道洪水反流向演算过程迭代方法

在流域防洪调度中需要考虑河槽的调蓄作用,河道洪水反流向演算可以简化河库联合调度模型的求解;马斯京根法是河道洪水演算的常用方法,但不能直接用于解决洪水反流向演算问题;提出了马斯京根法和迭代试算相结合的过程迭代算法;实例表明方法是实用有效的。     

定点式声学多普勒流速仪的应用难点与误差分析

定点式声学多普勒流速仪(简称"HADCP")在国内已较为普及,但对其应用却多停留在表面,鲜有人研究其测验误差控制及参数优化方法,影响HADCP测流精度。为解决HADCP使用中的一些疑难问题,从流速仪测验误差表现的三方面对HADCP的测流误差开展讨论。以测验误差为控制指标,对HADCP在使用中各个环节的误差来源及应用难点进行分析,并以多个实例阐明提高仪器应用精度的优化设置方法。按照所论及方法进行对照检查并合理优化,可减小测流误差,提高HADCP测流方案的整体精度。     

基于DEM的等流时单元法在大流域分布式水文模型中的应用

等流时单元法是一种具有物理基础同时又非常简便的分布式流域汇流模型。若能应用于大流域,会显著提高大流域分布式水文模型的计算能力,可以扩展其在大流域分布式水文模型中的应用,降低其限制性。采用基于DEM的等流时单元法进行坡面汇流计算,即坡面汇流经河流两侧并入河道,河道汇流使用扩散波方程（USGS的河道汇流程序包SFR1）,将其推广到大流域分布式水文模型的应用之中。该方法与二维坡面汇流的扩散波数值方程相比较,能够节省计算时间。在伊通河中下游较大流域上试用结果表明,农安站计算与实测流量的最大相对拟合误差为13%,模型月流量Nash-Sutcliffe效率系数为0.9。等流时单元法用于大流域分布式水文模型的坡面汇流是可行的。     

目标函数权重对PEST-HSPF水文率定的影响研究

参数率定是水文模型构建与应用的重要基础。在多目标水文校准中,不同目标函数的权重设置直接影响校准的结果,如何确定不同目标函数的权重是水文校准的关键问题。选择典型半分布式水文模型HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran),基于PEST多目标校准模型,以牛栏江上游流域为研究对象,研究目标函数权重对HSPF水文模拟拟合优度的影响,为HSPF模型参数自动率定提供指导与借鉴。结果表明:(1)当PEST-HSPF水文校准的单目标函数权重(日流量、月流量、超流天数)上升时,模型的纳什系数和相对偏差呈现非线性变化特征,不规则波动幅度较大;(2)3个目标函数的权重在1~10量级内模型能够获得较高的预测能力和较低的误差,模型的纳什系数平均可达到0.8以上,相对偏差在10%以内;(3)超流量天数权重设置对模型的预测能力变化影响较大,日流量天数权重对相对偏差的波动影响较大,当超流天数的相对权重在1~1 000范围内变化时,模型纳什系数在0.02~0.86之间波动剧烈,当日流量相对权重值超过30时,相对偏差变化明显。     

漫溃堤洪水联算全二维水动力模型及应用

为应对河道洪峰流量增大和漫溃堤长历时相伴发生的洪灾现象,借鉴全二维气相色谱理论提出全二维水动力模型概念,建立了模拟河道和灌区洪水演进的漫溃堤洪水联算全二维水动力模型,并采用Roe格式的近似Riemann解对界面通量进行数值求解。模型内通过漫溃堤堰流公式成功实现河道与灌区的耦联,考虑溃口展宽变化,加密处理河道网格,采用热启动与干湿水深理论对模型进行优化,并利用加大糙率法对村庄较为密集的地形进行优化处理,尽可能反应地面真实情况。将该模型应用于黄河宁蒙段河道与左右岸灌区的漫溃堤洪水演进模拟,计算结果合理可靠,流场分布均匀光滑,初步验证了模型的精度及可靠性,研究成果对河道溃决洪水的精细仿真模拟和该地区洪水风险分析决策具有重要意义。