一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法

技术特征：
1.一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以观测断面水位与流量水文要素的纳什系数之和最大为目标函数，以水位、流量误差和断面间距为约束条件，建立基于一维非恒定流数学模型的河道断面自动插补优化模型；步骤2：根据河道的长度、宽度和比降，确定河道断面自动插补优化模型的参数取值范围；所述参数包括河道糙率、插补断面个数、插补断面位置、插补断面形状参数，其中插补断面形状参数包括断面底宽、河底高程和边坡系数；步骤3：根据基于逐次逼近法的并行求解方法，采用以形定位计算模式或以位定形计算模式对河道断面自动插补优化模型进行求解。2.根据权利要求1所述基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法，其特征在于，所述步骤1中河道断面自动插补优化模型为：目标函数：式中，i为观测断面的序号；n为观测断面总数；nse(i)为观测断面i的纳什系数值，具体为：式中，t为计算周期，y
t
(i)为i断面的水位或流量实测值；为i断面水位或流量实测序列的平均值；为i断面水位或流量计算值；约束条件：式中：abs为绝对值函数，ε
i
为第i个断面的最大水位或流量误差；l
min
≤l(k)≤l
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，l(k)为插补断面k与前一断面的断面间距；l
max
为给定的最大断面间距；l
min
为给定的最小断面间距，取为0。3.根据权利要求1所述基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法，其特征在于，所述步骤3中的基于逐次逼近法的并行求解方法具体包括以下步骤：步骤s1：对参数进行离散，设插补断面个数为k1，插补断面位置的个数为k2，插补断面形状中断面底宽的个数为k3、河底高程的个数为k4、边坡系数的个数为k5，河道糙率的个数为k6，则共有个参数组合；步骤s2：固定插补断面个数、插补断面位置和河道糙率的取值，仅将各插补断面形状中
的个参数组合代入基于一维非恒定流数学模型的河道断面自动插补优化模型进行逐次寻优；步骤s3：结合针对单主机多cpu并行计算而设计的openmp编译处理技术对基于一维非恒定流数学模型的河道断面自动插补优化模型进行并行化处理，将步骤s2中的组合数分配给不同的线程同时计算。4.根据权利要求1所述基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法，其特征在于，所述步骤3中的以形定位计算模式是先优化插补断面形状，再确定插补断面位置：首先假定插补断面等距分布，然后按照目标函数对各插补断面的形状进行优化计算，得到断面底宽、河底高程和边坡系数，最后对各插补断面的断面间距进行寻优计算，得到各插补断面最优的间距；具体包括以下步骤：步骤a1：对参数进行初始化，确定各参数的取值范围和各参数的个数k
i
，i＝1,2,
…
,6；步骤a2：确定河道糙率取值；步骤a3：确定插补断面个数k1，等间距布置插补断面，并对各插补断面按照从下游到上游的顺序进行编号；步骤a4：令断面形状寻优迭代次数l＝1，插补断面j＝1；步骤a5：将插补断面j的个形状参数组合方案代入模型，结合河道断面自动插补优化模型进行并行寻优计算，再转到步骤a6；步骤a6：固定已优化的插补断面形状参数，再转到步骤a7；步骤a7：判断插补断面j的寻优编号是否等于插补断面个数k1，若否，令j＝j 1，再转到步骤a5；若是，则得到各插补断面形状优化结果和本次形状迭代目标函数值f
l
，再转到步骤a8；步骤a8：判断断面形状寻优迭代次数l是否大于1，若否，令l＝l 1，再转到步骤a5；若是，则转到步骤a9；步骤a9：判断f
l
和上次形状迭代目标函数值f
l-1
两次迭代结果是否满足收敛条件，若否，令l＝l 1，再转到步骤a5；若是，则得到当前河道糙率和插补断面个数下的各插补断面形状的最优方案；步骤a10：令断面位置寻优迭代次数m＝1，插补断面j＝1；步骤a11：固定各插补断面形状，对插补断面j的k2个位置参数方案代入模型，结合河道断面自动插补优化模型进行并行寻优计算；再转到步骤a12；步骤a12：固定已优化的插补断面位置参数；再转到步骤a13；步骤a13：判断插补断面j是否等于k2，若否，令j＝j 1，再转到步骤a11；若是，则得到各插补断面位置优化结果和本次位置迭代目标函数值f
m
，再转到步骤a14；步骤a14：判断断面位置寻优迭代次数m是否大于1，若否，令m＝m 1，再转到步骤a11；若是，则转到步骤a15；步骤a15：判断f
m
和上次位置迭代目标函数值f
m-1
两次迭代结果是否满足收敛条件，若
否，令m＝m 1，再转到步骤a11；若是，则得到当前河道糙率和插补断面个数下的各插补断面形状和位置最优方案，再转到步骤a16；步骤a16：依次改变插补断面数量和河道糙率取值，重复上述步骤a1～步骤a15，得到不同插补断面数量和河道糙率取值方案下的各插补断面形状和位置最优方案。5.根据权利要求1所述基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法，其特征在于，所述步骤3中的以位定形计算模式是先确定插补断面位置，再优化插补断面形状：首先设定数量足够多且形状相同的插补断面，并将断面形状设定为矩形，然后仅改变各插补断面的河底高程进行寻优计算，对河底高程相近的断面进行合并，以此选出具有代表性的位置，最后再对各插补断面形状进行寻优，得到各插补断面的最优形状参数；具体包括以下步骤：步骤b1：对参数进行初始化，确定各参数的取值范围和各参数的个数k
i
，i＝1,2,
…
,6，的取值；步骤b2：确定河道糙率取值；步骤b3：确定矩形插补断面个数k
矩
，等间距布置插补断面，并对各插补断面按照从下游到上游的顺序进行编号；步骤b4：令断面位置寻优迭代次数m＝1，插补断面j＝1；步骤b5：将插补断面j的河底高程计算方案代入模型，结合河道断面自动插补优化模型进行并行寻优计算，再转到步骤b6；步骤b6：固定已优化的插补断面河底高程，再转到步骤b7；步骤b7：判断插补断面j的寻优编号是否等于矩形插补断面个数k
矩
，若否，令j＝j 1，再转到步骤b5；若是，则得到各插补断面的河底高程优化结果和本次位置迭代目标函数值f
m
，再转到步骤b8；步骤b8：判断断面位置寻优迭代次数m是否大于1，若否，令m＝m 1，再转到步骤b5；若是，则转到步骤b9；步骤b9：判断f
m
和上次位置迭代目标函数值f
m-1
两次迭代结果是否满足收敛条件，若否，令m＝m 1，再转到步骤a5；若是，则得到当前河道糙率和插补断面个数下的各插补断面的河底高程变化情况，合并河底高程相近的断面，选出具有代表性的位置；步骤b10：令断面形状寻优迭代次数l＝1，插补断面j＝1；步骤b11：确定插补断面个数k1，将插补断面j的形状参数方案代入模型，结合河道断面自动插补优化模型进行并行寻优计算，再转到步骤b12；步骤b12：固定已优化的插补断面形状参数，再转到步骤b13；步骤b13：判断插补断面j是否等于k1，若否，令j＝j 1，再转到步骤b11；若是，则得到各插补断面位置优化结果和本次形状迭代目标函数值f
l
，再转到步骤b14；步骤b14：判断断面形状寻优迭代次数l是否大于1，若否，令l＝l 1，再转到步骤b11；若是，则转到步骤b15；步骤b15：判断f
l
和上次形状迭代目标函数值f
l-1
两次迭代结果是否满足收敛条件，若否，令l＝l 1，再转到步骤b11；若是，则得到当前河道糙率和插补断面个数下的各插补断面形状和位置最优方案；步骤b16：依次改变插补断面数量和河道糙率取值，重复上述步骤b1～步骤b15，得到不同插补断面数量和河道糙率取值方案下的各插补断面形状和位置最优方案。

技术总结
本发明公开了属于河道水动力数值模拟技术领域的一种基于逐次逼近法的河道断面自动插补方法。包括以下步骤：步骤1：以观测断面水位和流量水文要素的纳什系数和最大为目标函数，以水位或流量误差和断面间距为约束条件，建立基于一维非恒定流数学模型的河道断面自动插补优化模型；步骤2：确定河道断面自动插补优化模型的参数取值范围；步骤3：采用以形定位模式或以位定形模式的逐次逼近法对河道断面自动插补优化模型进行求解。本发明实现了对缺少地形资料的山区河道插补断面的个数、位置、形状和河道糙率等参数的自动优化；可避免人工调试的主观任意性和不确定性，提高模拟精度。提高模拟精度。提高模拟精度。


技术研发人员：彭杨 于显亮 张志鸿 姚礼双 张雪敏
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/7/15