城市化平原区河网水力参数动态反演研究

In recent years, global climate changes dramatically with more frequent extreme weather events, which causes flood disasters with heavy losses in urbanized plain river network region. Therefore, it's urgently required to carry out research on basic theory and methods for hydraulic parameters dynamic inversion of urbanized plain river network system, which is to provide scientific and technical support for flood real-time simulation and prediction. Generally, urbanized plain river network is a large-scale dynamic system with many hydraulic control engineerings, little hydrological monitoring data and complex underlying surface, which lead to difficulties and challenges in hydraulic parameters dynamic optimization. In-depth study, focused on parameter priori knowledge extraction, inversion with different types of parameters and parameters dynamic optimization, will be carried out using theoretical study, numerical simulation, monitoring data feedback and other means. Through this research, the goals are to establish parameters dynamic inversion analysis models, and later use proposed theory, methods and analysis models in a practical river network, providing flood real-time simulation and prediction level in urbanized plain river network region.

近年来，全球气候变化剧烈，极端天气频现，加之城市化引起的地面产汇流机理特性的改变，造成城市化平原区洪涝灾害频发，灾害损失惨重，亟待开展城市化平原区河网水力参数动态反演的基础理论研究和方法技术攻关，为城市化平原河网暴雨洪水实时仿真与预测预报提供科学技术支撑。本项目基于城市化平原区河网规模大、水力调控工程多、水情监测资料有限及下垫面情况复杂多变等特征以及由此带来的水力参数动态反演难度大等问题，综合应用理论研究、数值仿真和监测资料反馈分析等手段，重点围绕河网水力参数先验知识提取、不同类型参数共同反演和参数动态反演方面开展探索和研究，拟建立城市化平原河网水力参数动态反演分析模型，并将所提出的理论、方法及分析模型应用于实际河网，以期提高我国城市化平原河网暴雨洪水实时仿真与预测预报水平。

随着我国平原河网地区城镇化建设的不断推进，洪水实时模拟和预测预警成为了城镇地区雨洪管理的主要研究内容和重要技术支撑，其中水动力参数动态反演是洪水实时模拟和预测预警的难点之一。本课题利用水力参数先验知识，探索了城镇化平原区河网水动力模型参数的动态反演技术。首先，基于糙率空间变化的连续性和缓变性，提出了以糙率空间分布平滑性作为先验知识，建立了表征糙率空间变化的平滑度矩阵。其次，基于专家经验知识，提出了以参数估值作为另一种先验知识。然后，将参数先验知识作为软约束条件，并结合适用于非线性动态系统实时校正的扩展卡尔曼滤波算法和集合卡尔曼滤波算法，建立了两个稳健的城镇化平原河网水动力参数全动态反演模型。通过经典算例分析和实例应用，系统检验了参数初始设定值、监测信息量、测站布置、信息误差等因素对河网水动力参数动态反演效果的影响。结果表明：①通过调整参数空间分布平滑度或参数估值的权重系数，可以有效控制参数动态反演的稳定性和空间反演特性；②靠近监测点的参数反演值趋于真实值，远离监测点的参数反演值趋于空间分布平滑或估计值；③参数初始估值越精确，监测点个数越多，则动态反演开始阶段的波动调整幅度越小，参数系统误差越小，反演效果越好；④融合参数先验知识的反演模型具有反演过程稳定、抗噪性好、结果合理的特点，有效解决了城市化平原河网水力参数动态反演问题。