说明书一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求方法及系统
技术领域
本发明涉及水利工程领域，特别是一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求方法。
背景技术
设计洪水过程线是防洪规划和防洪工程设计的基本依据。现行拟定设计洪水过程线方法的程序是先进行洪水峰、量频率计算，分析设计流域的洪峰流量及时段洪量的分布函数(或频率曲线)，分别求得符合设计标准的设计洪峰流量值及设计时段的洪量值；再根据洪水特性选择典型洪水，并考虑水工设计要求，选取其中一项或几项对防洪后果影响最大的特征，以它们为控制，对典型洪水过程线进行放大，从而得到满足指定设计标准的设计洪水过程。常用的放大方法有同倍比放大法和同频率放大法。
然而，同频率放大法常用于峰量关系不够好、洪峰形状差别大的河流。在运用此法进行典型洪水过程线放大时，缺陷之一是各时段按同倍比放大，改变了典型洪水过程线的形态，有时甚至可能将矮胖型的洪水过程放大成尖瘦型。缺陷之二是由于在不同历时衔接的地方放大倍比不一致，放大后在交界处产生不连续现象，此时需要人工修正不连续点，而为了要满足时段洪量的设计要求，常常需要反复多次修改试算，工作量和任意性大。
发明内容
发明目的：提供一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求方法，包括以下步骤：
S1、根据典型洪水和设计标准的各参数计算不同时段的抬升值；
S2、采用不连续修正策略，根据不同时段的抬升值计算交界处的抬升值；
S3、根据各时序的抬升值放大典型洪水过程线。
所述不连续修正策略为：洪峰点以设计值为准，且在设计时段的不连续点处，取不连续点两边抬升值的均值作为不连续点处的抬升值；将由于不连续修正而导致的水量均匀分摊到不受影响的时段中。
基于相似性原理，各设计时段平移的初始抬升值为：
ΔQ(tm)＝Qmp-Qd(tm)；
Δ Q 1 0 ( t ) = W 1 p - W 1 d ( t 1 e - t 1 s ) ΔT , t ∈ [ t 1 s , t 1 e ] ; ]]>
Δ Q 2 0 ( t ) = ( W 3 p - W 1 p ) - ( W 3 d - W 1 d ) [ ( t 1 s - t 3 s ) + ( t 3 e - t 1 e ) ] ΔT , t ∈ [ t 3 s , t 1 s ] ∪ [ t 1 e , t 3 e ] ; ]]>
Δ Q 3 0 ( t ) = ( W 7 p - W 3 p ) - ( W 7 d - W 3 d ) [ ( t 3 s - t 7 s ) + ( t 7 e - t 3 e ) ] ΔT , t ∈ [ t 7 s , t 3 s ] ∪ [ t 3 e , t 7 e ] . ]]>
式中：tm为洪峰时刻所对应的时序；W1d,W3d,W7d分别为典型洪水过程对应的最大1日、3日、7日洪量；Qmp,W1p,W3p,W7p分别为设计标准对应的洪峰流量和最大1日、3日、7日洪量；t1s,t1e分别为最大1日洪量的开始和结束时序；t3s,t3e分别为最大3日洪量的开始和结束时序；t7s,t7e分别为最大7日洪量的开始和结束时序；Qd(tm)为典型洪水过程洪峰点的数值；ΔQ(tm)为洪峰点的抬升值；为最大1日洪量所对应的时段抬升值；为最大3日洪量除去最大1日所对应的时段抬升值；为最大7日洪量除去最大3日所对应的时段抬升值；ΔT为时段长。
采用下式衡量放大后的洪水过程线与典型洪水过程线形态差异的程度：
min f = Σ i = 2 num | Q p ( i ) - Q p ( i - 1 ) ΔT - Q d ( i ) - Q d ( i - 1 ) ΔT | ; ]]>
式中：f为形态差异性指标；Qp(i-1),Qp(i)分别为设计洪水过程线第i-1时段的初、末的流量；Qd(i-1),Qd(i)分别为典型洪水过程线第i-1时段的初、末的流量；num为洪水过程离散点的个数。
其约束条件为：放大后的洪水过程线的洪峰及各种历时的洪量分别等于设计洪峰和设计洪量；
max(Qp(i)，i∈[1,num])＝Qmp；
Σ i = t 1 s + 1 t 1 e Q p ( i - 1 ) + Q p ( i ) 2 ΔT = W 1 p ; ]]>
Σ i = t 3 s + 1 t 3 e Q p ( i - 1 ) + Q p ( i ) 2 ΔT = W 3 p ; ]]>
Σ i = t 7 s + 1 t 7 e Q p ( i - 1 ) + Q p ( i ) 2 ΔT = W 7 p . ]]>
在进一步的实施例中，所述方法还包括：
在各区间重新计算抬升值，
步骤S1.1、在[t1s+1,tm-1]∪[tm+1,t1e-1]区间计算新的抬升值ΔQ1(t)，依据不连续修正策略，t1s,t1e处的抬升值为 Q p ( t 1 s ) - Q d ( t 1 s ) = Q p ( t 1 e ) - Q d ( t 1 e ) = Δ Q 1 ( t ) + Δ Q 2 ( t ) 2 , ]]>ΔQ2(t)为最大3日洪量除去最大1日所对应的时段的新的抬升值，
W1p-W1d＝{ΔQ1(t)×(t1e-t1s-4)+[Qp(t1s)-Qd(t1s)+ΔQ1(t)]/2+
[Qp(t1e)-Qd(t1e)+ΔQ1(t)]/2+ΔQ(tm)+ΔQ1(t)}ΔT ；
步骤S1.2、在[t3s+1,t1s-1]∪[t1e+1,t3e-1]区间计算新的抬升值ΔQ2(t)，依据不连续修正策略，t3s,t3e处的抬升值为 Q p ( t 3 s ) - Q d ( t 3 s ) = Q p ( t 3 e ) - Q d ( t 3 e ) = Δ Q 2 ( t ) + Δ Q 3 ( t ) 2 , ]]>ΔQ3(t)为最大7日洪量除去最大3日所对应的时段的新的抬升值；
(W3p-W3d)-(W1p-W1d)＝{ΔQ2(t)×(t1s-t3s+t3e-t1e-4)+
[Qp(t1s)-Qd(t1s)+ΔQ2(t)]/2+[Qp(t1e)-Qd(t1e)+ΔQ2(t)]/2+；
[Qp(t3s)-Qd(t3s)+ΔQ2(t)]/2+[Qp(t3e)-Qd(t3e)+ΔQ2(t)]/2}ΔT
步骤S1.3、在[t7s,t3s-1]∪[t3e+1,t7e]区间计算新的抬升值ΔQ3(t)，
(W7p-W7d)-(W3p-W3d)＝{ΔQ3(t)×(t3s-t7s+t7e-t3e-2)+
[Qp(t3s)-Qd(t3s)+ΔQ3(t)]/2+[Qp(t3e)-Qd(t3e)+ΔQ3(t)]/2}ΔT ；
步骤S2、由不同时段的抬升值计算交界处的抬升值：
tm处Qp(tm)＝Qmp，t3s,t1s,t1e,t3e处的计算公式如下：
Q p ( t 3 s ) = Q d ( t 3 s ) + y + z 2 ; ]]>
Q p ( t 1 s ) = Q d ( t 1 s ) + x + y 2 ; ]]>
Q p ( t 1 e ) = Q d ( t 1 e ) + x + y 2 ; ]]>
Q p ( t 3 e ) = Q d ( t 3 e ) + x + y 2 ; ]]>其中x＝ΔQ1(t)，y＝ΔQ2(t)，z＝ΔQ3(t)。
在进一步的实施例中，所述步骤S3具体为：
根据各时序的抬升值放大典型洪水过程线：
ΔQ1(t)＝x t∈(t1s,tm)∪(tm,t1e)；
ΔQ2(t)＝y t∈(t3s,t1s)∪(t1e,t3e)；
ΔQ3(t)＝z t∈[t7s,t3s)∪(t3e,t7e]。
一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求系统，包括：
第一模块，用于根据典型洪水和设计标准的各参数计算不同时段的抬升值；
第二模块，用于采用不连续修正策略，根据不同时段的抬升值计算交界处的抬升值；
第三模块，用于根据各时序的抬升值放大典型洪水过程线。
有益效果：
1.本发明以设计洪峰流量和不同时段设计洪量为约束，提出了基于相似性原理的分时段平行抬升典型洪水过程的放大方法，构建了时段不连续性处理策略，基于分时段水量平衡原理，推导出分时段抬升值的计算公式。
2.本发明提出的方法与传统同频率放大法相比设计洪水与典型洪水形态变形更小，多时段不连续性处理更规范，与现有的基于优化算法的放大方法相比，解析法计算更为简单，效率更高。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为某时段的典型洪水过程线放大原理图。
图3为初次放大典型洪水原理图。
图4为1日洪量修正原理图。
图5为3日洪量修正原理图。
图6为7日洪量修正原理图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
新的推求设计洪水过程线方法是基于尽可能保证设计洪水与典型洪水相似性的原则，建立设计洪水放大模型。提出不同控制时段交界处的不连续问题，基于水量平衡原理推导出不同控制时段的放大公式。本发明避免了人工修正的任意性，并在满足设计要求的前提下，保证典型洪水过程的形态特征。同时，本发明既不是仅仅提出一种修正策略，也不是仅仅取代了人工修正，而是提出了一种新的放大方法，这种方法以保证设计洪水与典型洪水相似性为原则，避免了之前放大典型洪水的众多缺陷。
本发明的操作步骤如下：
步骤1：根据典型洪水和设计标准的各参数计算不同时段的抬升值；
步骤2：由不同时段的抬升值计算交界处的抬升值；
步骤3：根据各时序的抬升值放大典型洪水过程线。
步骤1中由目标函数、约束条件，依据水量平衡原理，推导出求解各时段抬升值的公式。
目标函数：本发明基于设计洪水缩放时尽量满足设计洪水过程线与典型洪水过程线相似的原则。根据相似原理就是使两过程的同时段的斜率基本相同(参见图2)。采用下式衡量放大后的洪水过程线与典型洪水过程线形态差异的程度：
min f = Σ i = 2 num | Q p ( i ) - Q p ( i - 1 ) ΔT - Q d ( i ) - Q d ( i - 1 ) ΔT | - - - ( 1 ) ]]>
式中：f为形态差异性指标；Qp(i-1),Qp(i)分别为设计洪水过程线第i-1时段的初、末的流量；Qd(i-1),Qd(i)分别为典型洪水过程线第i-1时段的初、末的流量；ΔT为时段长；num为洪水过程离散点的个数。
约束条件：放大后的洪水过程线的洪峰及各种历时的洪量分别等于设计洪峰和设计洪量。
max(Qp(i)，i∈[1,num])＝Qmp (2)
Σ i = t 1 s + 1 t 1 e Q p ( i - 1 ) + Q p ( i ) 2 ΔT = W 1 p - - - ( 3 ) ]]>
Σ i = t 3 s + 1 t 3 e Q p ( i - 1 ) + Q p ( i ) 2 ΔT = W 3 p - - - ( 4 ) ]]>
Σ i = t 7 s + 1 t 7 e Q p ( i - 1 ) + Q p ( i ) 2 ΔT = W 7 p - - - ( 5 ) ]]>
式中：Qmp,W1p,W3p,W7p分别为设计标准对应的洪峰流量和最大1日、3日、7日洪量(时段可以根据实际需要选取，本发明以1日、3日、7日时段为实施例)；t1s,t1e分别为最大1日洪量的开始和结束时序；t3s,t3e分别为最大3日洪量的开始和结束时序；t7s,t7e分别为最大7日洪量的开始和结束时序。
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体说明：
假定某时段典型洪水过程线的斜率为k，运用传统同频率方法放大典型洪水，放大倍比为η，则放大后的设计洪水过程线该时段的斜率为ηk，因此，这样的放大方法有时会显著改变典型洪水过程形态。本发明提出了全新的放大典型洪水以推求设计洪水过程线的解析方法，该法能较好的保持典型洪水过程线的形态。对于不同历时交界处的不连续性问题，不再采用人工修正，而是通过基于水量平衡的处理策略。
一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求方法，包括以下步骤：
步骤1，根据典型洪水和设计标准的各参数计算不同时段的抬升值：
典型洪水放大成设计洪水，是一个分段多指标控制放大过程，在不考虑设计指标约束的前提下，满足目标函数的最优解就是平行抬升典型洪水过程，由于受到约束条件的约束，各分段的平行抬升的幅度不尽相同，从而导致在不同控制时段的交界处产生不连续现象。参见图3，基于相似性原理的，各设计时段平移的初始抬升值为：
ΔQ(tm)＝Qmp-Qd(tm) (6)
Δ Q 1 0 ( t ) = W 1 p - W 1 d ( t 1 e - t 1 s ) ΔT , t ∈ [ t 1 s , t 1 e ] - - - ( 7 ) ]]>
Δ Q 2 0 ( t ) = ( W 3 p - W 1 p ) - ( W 3 d - W 1 d ) [ ( t 1 s - t 3 s ) + ( t 3 e - t 1 e ) ] ΔT , t ∈ [ t 3 s , t 1 s ] ∪ [ t 1 e , t 3 e ] - - - ( 8 ) ]]>
Δ Q 3 0 ( t ) = ( W 7 p - W 3 p ) - ( W 7 d - W 3 d ) [ ( t 3 s - t 7 s ) + ( t 7 e - t 3 e ) ] ΔT , t ∈ [ t 7 s , t 3 s ] ∪ [ t 3 e , t 7 e ] - - - ( 9 ) ]]>
式中：tm为洪峰时刻所对应的时序；W1d,W3d,W7d分别为典型洪水过程对应的最大1日、3日、7日洪量；ΔQ(tm)为洪峰点的抬升值；为最大1日洪量所对应的时段抬升值；为最大3日洪量除去最大1日所对应的时段抬升值；为最大7日洪量除去最大3日所对应的时段抬升值。
抬升的理想情况当然是全时段抬升值相同，但往往各时段抬升值和洪峰点的抬升值都不会相同，如图3所示，经过初次平移放大的结果在t3s,t1s,tm,t1e,t3e出现不连续现象。本发明采用以下不连续修正策略，处理不连续问题：
(1)洪峰点以设计值为准，即：Qp(tm)＝Qmp；
(2)设计时段的不连续点处，取均值，即交界处的不连续点取两边不同抬升值的均值，依照这样的原则，解决t3s,t1s,t1e,t3e处出现的不连续问题。
设计时段水量平衡的调整策略：
由于洪峰点的抬升，1日与3日洪量交接点的整合(参见图4)，导致1日洪量与设计值产生偏差，调整的策略是将变化的水量均匀分摊到其他不受影响的时段中，即在[t1s+1,tm-1]∪[tm+1,t1e-1]区间计算新的抬升值ΔQ1(t)，依据不连续修正策略，t1s,t1e处的抬升值为 Q p ( t 1 s ) - Q d ( t 1 s ) = Q p ( t 1 e ) - Q d ( t 1 e ) = Δ Q 1 ( t ) + Δ Q 2 ( t ) 2 , ]]>ΔQ2(t)为最大3日洪量除去最大1日所对应的时段的新的抬升值，使图4中网格的面积等于W1p-W1d，即：
W1p-W1d＝{ΔQ1(t)×(t1e-t1s-4)+[Qp(t1s)-Qd(t1s)+ΔQ1(t)]/2+
[Qp(t1e)-Qd(t1e)+ΔQ1(t)]/2+ΔQ(tm)+ΔQ1(t)}ΔT (10)
由于1日与3日洪量交接点和3日与7日洪量交接点的整合(参见图5)，导致3日洪量与设计值产生偏差，调整的策略是将变化的水量均匀分摊到其他不受影响的时段 中，即在[t3s+1,t1s-1]∪[t1e+1,t3e-1]区间计算新的抬升值ΔQ2(t)，依据不连续修正策略，t3s,t3e处的抬升值为 Q p ( t 3 s ) - Q d ( t 3 s ) = Q p ( t 3 e ) - Q d ( t 3 e ) = Δ Q 2 ( t ) + Δ Q 3 ( t ) 2 , ]]>ΔQ3(t)为最大7日洪量除去最大3日所对应的时段的新的抬升值，使图5中网格的面积等于(W3p-W3d)-(W1p-W1d)，(W3p-W3d)-(W1p-W1d)的面积表达式如下：
(W3p-W3d)-(W1p-W1d)＝{ΔQ2(t)×(t1s-t3s+t3e-t1e-4)+
[Qp(t1s)-Qd(t1s)+ΔQ2(t)]/2+[Qp(t1e)-Qd(t1e)+ΔQ2(t)]/2+ (11)
[Qp(t3s)-Qd(t3s)+ΔQ2(t)]/2+[Qp(t3e)-Qd(t3e)+ΔQ2(t)]/2}ΔT
由于3日与7日洪量交接点的整合(参见图6)，导致7日洪量与设计值产生偏差，调整的策略是将变化的水量均匀分摊到其他不受影响的时段中，即在[t7s,t3s-1]∪[t3e+1,t7e]区间计算新的抬升值ΔQ3(t)，使图6中网格的面积等于
(W7p-W7d)-(W3p-W3d)，(W7p-W7d)-(W3p-W3d)的面积表达式如下：
(W7p-W7d)-(W3p-W3d)＝{ΔQ3(t)×(t3s-t7s+t7e-t3e-2)+
[Qp(t3s)-Qd(t3s)+ΔQ3(t)]/2+[Qp(t3e)-Qd(t3e)+ΔQ3(t)]/2}ΔT (12)
式(10)，(11)，(12)3个方程，ΔQ1(t)，ΔQ2(t)，ΔQ3(t)3个未知数构成了3元1次方程组，为简化表达，令x＝ΔQ1(t)，y＝ΔQ2(t)，z＝ΔQ3(t)，则方程组如下：
( t 1 e - t 1 s - 1.5 ) x + 0.5 y = w 1 p - w 1 d Δ - ΔQ ( t m ) 0.5 x + ( t 1 s - t 3 s + t 3 e - t 1 e - 1 ) y + 0.5 z = ( W 3 p - W 3 d ) - ( W 1 p - W 1 d ) ΔT 0.5 y + ( t 3 s - t 7 s + t 7 e - t 3 e - 0.5 ) z = ( W 7 p - W 7 d ) - ( W 3 p - W 3 d ) ΔT ]]>
为方便求解，令A＝t1e-t1s-1.5，C＝t1s-t3s+t3e-t1e-1， D = ( W 3 p - W 3 d ) - ( W 1 p - W 1 d ) Δt , ]]>E＝t3s-t7s+t7e-t3e-0.5， F = ( W 7 p - W 7 d ) - ( W 7 p - W 7 d ) Δt . ]]>
则方程组可简写成如下：
Ax + 0.5 y = B 0.5 x + Cy + 0.5 z = D 0.5 y + Ez = F ]]>
方程组的求解结果如下：
x = 4 BCE - B - 2 DE + F 4 ACE - A - E y = 4 ADE - 2 AF - 2 BE 4 ACE - A - E Z = 4 ACF - 2 AD + B - F 4 ACE - A - E ]]>
步骤2，由不同时段的抬升值计算交界处的抬升值：
步骤2中tm处Qp(tm)＝Qmp，t3s,t1s,t1e,t3e处的计算公式如下：
Q p ( t 3 s ) = Q d ( t 3 s ) + y + z 2 ; ]]>
Q p ( t 1 s ) = Q d ( t 1 s ) + x + y 2 ; ]]>
Q p ( t 1 e ) = Q d ( t 1 e ) + x + y 2 ; ]]>
Q p ( t 3 e ) = Q d ( t 3 e ) + x + y 2 ; ]]>
步骤3，根据各时序的抬升值放大典型洪水过程线：
ΔQ1(t)＝x t∈(t1s,tm)∪(tm,t1e)；
ΔQ2(t)＝y t∈(t3s,t1s)∪(t1e,t3e)；
ΔQ3(t)＝z t∈[t7s,t3s)∪(t3e,t7e]。
一种保持典型洪水形态的设计洪水过程解析推求系统，包括
第一模块，用于根据典型洪水和设计标准的各参数计算不同时段的抬升值；
第二模块，用于采用不连续修正策略，根据不同时段的抬升值计算交界处的抬升值；
第三模块，用于根据各时序的抬升值放大典型洪水过程线。
第一模块、第二模块和第三模块分别用于实现上述各步骤的具体过程，在此不再详述，可以参考具体实施例、权利要求书或者发明内容部分的内容。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的 具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。