提高水流泥沙預測精度對防洪規(guī)劃、災情評估、防汛、工程施工等方面有重要意義。水沙數(shù)學模型和原型觀測資料是河道水流泥沙可以獲取的兩類信息來源。水沙數(shù)學模型以水沙動力學理論為基礎(chǔ),是對水流泥沙輸移過程的物理概化和數(shù)學描述,存在一定的模型結(jié)構(gòu)誤差。原型觀測數(shù)據(jù)由于觀測設備、觀測手段和數(shù)據(jù)處理等方面的原因,也存在一定的誤差。隨著原型觀測技術(shù)和信息通信技術(shù)的發(fā)展,有必要開展水沙數(shù)學模型的數(shù)據(jù)同化方面的研究,融合模型計算值和原型觀測值,提高模型預測精度,將既有的水沙數(shù)學模型發(fā)展為實時校正的水沙數(shù)學模型。建立了河道水沙數(shù)學模型的集合卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。在一維水沙輸移方程的基礎(chǔ)上,將水位、流量、含沙量和糙率參數(shù)作為控制變量,以控制理論為基礎(chǔ),構(gòu)造了這些參變量的狀態(tài)空間方程和觀測方程。分析了這些參變量的誤差分布規(guī)律,利用集合卡爾曼濾波方法,建立了水位、流量、含沙量和糙率參數(shù)的集合卡爾曼濾波同化系統(tǒng)。建立了懸移質(zhì)泥沙輸移的變分同化系統(tǒng)。構(gòu)造了模型預測含沙量和原型觀測含沙量之間差值的代價函數(shù),并將懸移質(zhì)泥沙輸移方程作為代價函數(shù)的約束條件。推導了帶約束條件代價函數(shù)的伴隨方程,及其對恢復飽和系數(shù)、挾沙力參數(shù)k... 

【文章來源】：清華大學北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 水沙數(shù)學模型誤差
        1.2.1 物理結(jié)構(gòu)誤差
        1.2.2 離散和計算誤差
        1.2.3 參數(shù)和邊界條件誤差
    1.3 原型觀測誤差
        1.3.1 觀測誤差來源
        1.3.2 河流觀測特點
        1.3.3 河流觀測方法
    1.4 數(shù)據(jù)同化方法
        1.4.1 集合卡爾曼濾波
        1.4.2 變分數(shù)據(jù)同化
        1.4.3 耦合數(shù)據(jù)同化
        1.4.4 參數(shù)的數(shù)據(jù)同化
    1.5 研究目標、內(nèi)容和技術(shù)路線
第2章 水流泥沙數(shù)學模型
    2.1 水沙模型概述
    2.2 非耦合水沙模型
        2.2.1 三維水沙模型
        2.2.2 二維水沙模型
        2.2.3 一維水沙模型
    2.3 耦合水沙模型
        2.3.1 水流泥沙耦合
        2.3.2 不同維度的水沙耦合模型
        2.3.3 水沙與其它變量耦合
    2.4 水沙模型主要參數(shù)
        2.4.1 水流運動阻力系數(shù)
        2.4.2 水流挾沙力
        2.4.3 恢復飽和系數(shù)
    2.5 本章小結(jié)
第3章 水沙集合卡爾曼濾波
    3.1 集合卡爾曼濾波原理
        3.1.1 基本思想
        3.1.2 計算流程
        3.1.3 集合成員采樣
    3.2 水沙變量的狀態(tài)空間方程
        3.2.1 水流泥沙數(shù)值解
        3.2.2 流量水位的狀態(tài)空間方程
        3.2.3 含沙量的狀態(tài)空間方程
        3.2.4 糙率的狀態(tài)空間方程
    3.3 水沙變量的集合卡爾曼濾波
    3.4 水沙變量的濾波流程
    3.5 本章小結(jié)
第4章 含沙量變分數(shù)據(jù)同化
    4.1 變分數(shù)據(jù)同化原理
        4.1.1 代價函數(shù)
        4.1.2 伴隨方程
        4.1.3 優(yōu)化流程
    4.2 含沙量變分數(shù)據(jù)同化
        4.2.1 含沙量代價函數(shù)
        4.2.2 水沙伴隨方程與梯度
        4.2.3 變分優(yōu)化流程
    4.3 兩種數(shù)據(jù)同化方法的比較
    4.4 水沙耦合數(shù)據(jù)同化
        4.4.1 代價函數(shù)
        4.4.2 誤差方差估計
        4.4.3 伴隨方程與求解過程
    4.5 本章小結(jié)
第5章 計算實例及應用
    5.1 研究區(qū)域
        5.1.1 2011年黃河調(diào)水調(diào)沙情況
        5.1.2 2009年黃河調(diào)水調(diào)沙情況
        5.1.3 2013年黃河調(diào)水調(diào)沙情況
    5.2 水沙集合卡爾曼濾波
        5.2.1 計算條件
        5.2.2 濾波優(yōu)化流量水位
        5.2.3 濾波優(yōu)化含沙量
        5.2.4 反演糙率參數(shù)
    5.3 水沙變分數(shù)據(jù)同化
        5.3.1 計算條件
        5.3.2 模擬水位流量
        5.3.3 變分優(yōu)化含沙量
        5.3.4 變分反演泥沙參數(shù)
        5.3.5 變分同化對沒有觀測值區(qū)域的影響
    5.4 水沙耦合數(shù)據(jù)同化
        5.4.1 計算條件
        5.4.2 濾波優(yōu)化水位流量
        5.4.3 變分優(yōu)化含沙量
        5.4.4 反演水沙參數(shù)
    5.5 本章小結(jié)
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 主要結(jié)論
    6.2 主要創(chuàng)新點
    6.3 展望
參考文獻
致謝
附錄A 卡爾曼濾波的直觀推導
附錄B 集合卡爾曼濾波部分源代碼
附錄C 生成高斯分布和均值分布的隨機數(shù)
附錄D 變分同化部分源代碼
個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果



本文編號：3529719