基于遗传算法珠江三角洲河网糙率参数反演研究.pdfVIP

第一届珠江水论坛论文集 基于遗传算法的珠江三角洲河网糙率参数反演研究 林上炎，季冰 (中水珠江规划勘测设计有限公司 广东广州510610) 摘要：珠江三角洲网河地区是社会、经济、文化发达的地区，而日益突出的水资源问题已成为制约 该地区可持续发展的重要因素。研究水资源问题的一个重要方法是河网水动力数值模拟。河网水动 力数值模拟精度很大程度上取决于糙率参数的取值。本文将遗传算法耦合到河网水动力模型中，建 立了河网糙率反演模型，并把该模型应用于西北江大型河网中，结果表明遗传算法对于大型河网糙 率参数的反演是行之有效的，基于遗传算法的河网水动力模型精度较高，效率快，模拟结果较好的 反映了珠三角网河的水流运动规律，精度可满足水利、航运、环境保护等需要。 关键词：珠江三角洲；水动力模型；遗传算法；糙率参数；反演 1 引言 珠江三角洲网河地区是广东省社会、经济、文化最为发达的地区，在国家的经济 发展中起着举足轻重的作用。珠三角地区河网密集、水量充沛，丰富的水资源为该地 区的发展提供了非常有利的因素。但随着珠三角地区经济的高速发展，该地区的一些 水资源问题日益突出，如河流污染加剧，咸潮上溯影响范围变大。水资源问题已成为 珠三角地区经济、社会和环境可持续发展的重要因素。生产实践的迫切需要使网河地 区的水动力研究呈不断深入、系统之势。作为基础，网河水动力数学模型在水资源问 题研究中占有重要地位。而基于圣维南方程组的一维水动力数学模型是目前研究网河 水流运动规律中主流方法。 基于圣维南方程组的一维水动力数学模型已广泛应用于平原河网地区，而微分方 程中参数糙率的取值对于模型的精度起着举足轻重的作用。糙率随河床、岸壁、断面 形状、水流流态的变化而变化，影响糙率的因素很多而且复杂[1’2]，如何合理的选择 糙率，一直是水力学研究的一个重要课题。河网糙率率定通常使用的方法是试错法， 但该方法经验性强且带有任意性，在大型河网中，这种率定方法费时费力，工作量大 而且精度也难以得到保证；20世纪60年代兴起的反演算法为河网糙率参数的率定提供 了便利，基于反演算法的糙率参数研究也取得了一系列成果。Fread等人[3]把河网分 成单个河段，分别对单个河道的糙率进行校正，但算不上真正意义上的自动调参；金 忠青、韩龙喜等[4]规定了各级河道的糙率取值范围，采用复合型法优化河道的糙率， 但在划分河道糙率等级时仍有一定的任意性，结果精度也不够高；董文军、杨则粲[5] 利用最小二乘逼近思想建立了关于糙率的辩识模型，并采用拟牛顿法优化河道的糙率， 但该算法对糙率初值的依赖性较大，当初值与真值相差较远时算法就可能不收敛；李 光炽等[6]利用卡尔曼滤波求解了河道糙率的反问题，但对水文实测资料的要求高，应 用上有一定的局限；程伟平、刘国华[7]引入广义逆理论，构造了牛顿一广义逆方法和 自然逆方法计算优化算法的有哪些信誉好的足球投注网站方向，进行了河网糙率反演，但理论复杂，计算量较 大，计算效率不够理想。对于糙率参数的确定，传统的反演方法仍存在一定的缺陷， 而新兴的遗传算法在处理多参数、非线性问题上显示出其独特的优势，为河网糙率参 数的反演提供了新方法。本文根据遗传算法的特点，建立了遗传算法一水动力耦合模型， 并应用于大型河网的糙率反演中，效果良好，较好的克服了试错法和传统反演方法的 第一届珠江水论坛论文集 缺陷。 2潮汐河网动态水动力模型 网河区河流纵横交错，而且潮汐往返回荡，因此选用以一维非恒定流方程为基础 的河段一节点一河段模型作为水流计算模型。 (1)控制方程 采用一维非恒定流圣维南方程组： 连续方程砉+去署=虽 ㈩ c2， 动量方程署+c鲥一等，妄-t．筹警=等罢l：一鬟 式中：z为断面水位；Q为流量；A为河道过水面积；g为重力加速度；B为过水 宽度；q为旁侧入流流量；R为水力半径；c为谢才(Chezy)系数；X、t是位置和时 间坐标。 (2)网河节点连接方程 汊点处的衔接条件使用水流连续和能量守恒两个条件。 流量衔接条件：进出每一节点(汊点)的流量必须与该节点内实际