城市區(qū)域水情仿真和數(shù)據(jù)同化的理論研究與應(yīng)用.pdf

1、目前，城市雨洪模型多數(shù)用于規(guī)劃階段的分析，若要更好地服務(wù)于城市防洪及排水系統(tǒng)日常管理，須建立能夠?qū)崟r反映排水系統(tǒng)真實運行狀態(tài)和能對未來一段時間內(nèi)水情預(yù)報的水情仿真與預(yù)報系統(tǒng)。本文從城市區(qū)域產(chǎn)匯流特性分析等方面入手，構(gòu)建了一個適用于城市區(qū)域的水文水動力耦合模型，研究了模型參數(shù)反演和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，初步搭建了一個城市水情仿真、校正與預(yù)報的實時系統(tǒng)。論文的主要研究成果如下:
　　(1)提出了以矩陣化形式對水文與水動力模型進行耦合的方法，并

2、結(jié)合多種措施對提高計算的穩(wěn)定性、精度和效率進行了研究，包括:1）采用基流法和窄縫設(shè)計法進行干濕交替的處理;2）采用迭代計算處理堰閘等非線性內(nèi)邊界;3）賦予節(jié)點蓄水面積以加強系數(shù)矩陣的主對角占優(yōu)性;4）采用迭代法結(jié)合矩陣標(biāo)識法進行方程組的求解;5）研究了固定系數(shù)矩陣、只改變方程組右端項以提高計算效率的方法;6）提出了考慮連續(xù)方程和動量方程線性化處理后二階及以上小量的計算方法。
　　(2)針對定床河道糙率的率定，提出了兩個結(jié)合先驗知識

3、的反演模型:糙率空間分布最平滑模型和糙率估值修正最小模型。數(shù)值仿真表明:1）當(dāng)糙率初值選在合理范圍內(nèi)時，模型受初值選取的影響較小;2）當(dāng)監(jiān)測信息較少時，模型亦能獲得較為合理的結(jié)果，并隨著監(jiān)測信息的增加，反演結(jié)果趨于真解;3）模型具有較好的抗噪性，通過控制糙率空間分布平滑項或糙率估值修正項的權(quán)重，能有效抑制監(jiān)測信息誤差引起的數(shù)值擾動。
　　(3)以擴展卡爾曼濾波為基礎(chǔ)，構(gòu)造了多個河道糙率動態(tài)修正算法。數(shù)值仿真表明:結(jié)合糙率修正平滑性

4、且以糙率和水情變量為系統(tǒng)狀態(tài)變量的擴展卡爾曼濾波，能有效防止糙率的突變和失真。
　　(4)在水位、流量等水情變量的數(shù)據(jù)同化方面，提出并探索了擴展卡爾曼濾波、集合卡爾曼濾波和廣義反演法三種方法。數(shù)值仿真表明:1）擴展卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)同化效果好，可同時對糙率、水位、流量等變量進行校正;2）集合卡爾曼濾波的適用范圍廣，計算簡便;3）廣義反演法的計算原理簡單，可避免狀態(tài)修正過大而嚴(yán)重破壞原先的水量平衡關(guān)系。
　　(5)在上述研究成果