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(shí)反映排水系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)和能對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)水情預(yù)報(bào)的水情仿真與預(yù)報(bào)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(gè)適用于城市區(qū)域的水文水動(dòng)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(gè)城市水情仿真、校正與預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)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(duì)水文與水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合的方法，并

2、結(jié)合多種措施對(duì)提高計(jì)算的穩(wěn)定性、精度和效率進(jìn)行了研究，包括:1）采用基流法和窄縫設(shè)計(jì)法進(jìn)行干濕交替的處理;2）采用迭代計(jì)算處理堰閘等非線(xiàn)性?xún)?nèi)邊界;3）賦予節(jié)點(diǎn)蓄水面積以加強(qiáng)系數(shù)矩陣的主對(duì)角占優(yōu)性;4）采用迭代法結(jié)合矩陣標(biāo)識(shí)法進(jìn)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(xiàng)以提高計(jì)算效率的方法;6）提出了考慮連續(xù)方程和動(dòng)量方程線(xiàn)性化處理后二階及以上小量的計(jì)算方法。
　　(2)針對(duì)定床河道糙率的率定，提出了兩個(gè)結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)

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(shí)，模型受初值選取的影響較小;2）當(dāng)監(jiān)測(cè)信息較少時(shí)，模型亦能獲得較為合理的結(jié)果，并隨著監(jiān)測(cè)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(guò)控制糙率空間分布平滑項(xiàng)或糙率估值修正項(xiàng)的權(quán)重，能有效抑制監(jiān)測(cè)信息誤差引起的數(shù)值擾動(dòng)。
　　(3)以擴(kuò)展卡爾曼濾波為基礎(chǔ)，構(gòu)造了多個(gè)河道糙率動(dòng)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)同化效果好，可同時(shí)對(duì)糙率、水位、流量等變量進(jìn)行校正;2）集合卡爾曼濾波的適用范圍廣，計(jì)算簡(jiǎn)便;3）廣義反演法的計(jì)算原理簡(jiǎn)單，可避免狀態(tài)修正過(guò)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