水文测验中两种测速垂线精简算法比较研究
发布时间：2021-11-09 11:25
随着中小河流治理项目的推进,改革水文测验方式,探索测流方式方法技术创新势在必行。本研究依托南京信息工程大学学生水文测验教学实习过程中组织开展的2次测速垂线优化精简实验,收集了渔梁水文站2次多测速垂线流量测验数据,针对原精简算法在流量误差最小的寻优过程中可能删去最有代表性的垂线这一问题,设计了直接寻求流量误差最小的测速垂线组合的新算法,并深入分析了两种精简算法对流量误差的影响。结果表明:测站目前采用的常测法选取的13根固定垂线代表性较好,流量测验精度较高;对比原算法,新的垂线精简算法在相同垂线数目下,流量误差更小,测验精度更高;由新算法,特殊水情下单垂线测流可考虑将垂线位置布设在起点距84 m处;流量相对误差大小随着优选垂线数量的增加呈指数递减规律。本研究所提的垂线精简算法有助于提高实验的精度,可为基层水文站开展垂线精简分析工作,进行测流方式改革提供参考。
【文章来源】：人民长江. 2020,51(03)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
渔梁站常规流量测验与实验的垂线布设位置
利用新的算法进行垂线优选,结果如表2所列。若只优选一根代表性垂线,2次实验选出的垂线位置一致,为起点距84 m处,相对误差绝对值分别为4.14%和1.74%,均小于上文给定的标准5%。为了进一步说明上述2次实验优选的单根代表性测速垂线(起点距84 m处)的测流效果,2019年7月8日09:24～09:40对该垂线相对水深0.6处进行流速仪施测流速,期间水位为111.12 m,右岸为缓坡,流速系数取0.7,左岸为陡坡取0.8,计算得到的断面流量为81.23 m3/s。依据近期2018年本站水位-流量曲线关系表,查得该水位对应的流量为84.4 m3/s,计算单根代表性垂线流量误差为-3.75%,同样小于5%。由此说明84 m处的垂线具备成为渔梁站特殊水情下单垂线简易测流方法的潜力。由于该方案测流时仅需要测一根垂线的流速,耗费的工作时间比原精简算法的两根和三根代表性垂线测流更少,比常测法少92%,在5%误差许可的前提下大大提高了2次实验的测流效率。表2 新优选算法实验结果Tab.2 Results of two experiments devised from the new-designed reduction algorithm of vertical lines 精简后的垂线数目/根 第1次实验 第2次实验 垂线位置/m 相对误差绝对值 垂线位置/m 相对误差绝对值 1 84 4.14×10-2 84 1.74×10-2 2 48,105 4.26×10-4 54,92 3.27×10-4 3 52,76,84 6.83×10-6 50,96,107 6.55×10-6 4 24,44,88,128 4.80×10-7 19,38,81,102 1.31×10-8
坐标系中(见图3),可发现2次实验的数据均呈现较好的线性关系。以指数方程形式对垂线数量与相对误差绝对值两者的关系进行拟合,结果第1次实验的回归方程为y=1.2342e-3.823x,第2次实验为y=2.736e-4.619x,R2均大于0.98,拟合效果都比较好,说明新的垂线精简算法在增加代表性垂线数目时可以快速有效地减小测验误差。随着选取垂线数量加大,误差按照指数递减数值降低很快,在垂线数目大于3之后,误差基本衰减完毕,接近于零。进一步对2种算法结果进行比较,发现用原有算法第1次实验精选出的两根垂线算得的流量误差比新算法优选两根垂线的流量误差放大倍数为101数量级,而第2次实验同样优选3根垂线误差放大倍数量级更是达到了102。由此说明同样条件下新的垂线优选算法易于找到误差更小、更有代表性的测速垂线,比原有的垂线精简算法更优。此外,在有限的垂线数目下,因计算量较小,新的算法可列举所有可能并找到最优;而当断面垂线数量很大时,由于新算法计算量随着优选垂线数目的增加急剧增大,此时应采用遗传算法、粒子群优化等算法求解以加快收敛速度,提高计算效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于横断面垂线平均流速分布的流量计算模型研究与应用[J]. 王鸿杰,张建云,王兴泽,贺瑞敏. 水文. 2019(05)
[2]文丘里法在河流流量推算中的应用[J]. 胡兴艺. 水文. 2019(02)
[3]H-ADCP流量在线监测方案在高坝洲的应用与改进[J]. 杜兴强,沈健,樊铭哲. 水文. 2018(06)
[4]气候变化下的流域面源污染响应模型评估[J]. 沙健,路瑞,续衍雪,尚云涛,李雪,曹佳蕊,陈奕霖. 环境科学与技术. 2018(06)
[5]水文站在线流量测验方法初探[J]. 郭红丽,谢悦波,胡健伟,熊珊珊,胡电海,张真真,续会勇. 水文. 2018(01)
[6]ADCP在水文测验中的应用及其发展前景[J]. 李雨,袁德忠,周波. 人民长江. 2013(S2)
[7]长江水文测验方式方法技术创新的探索与实践[J]. 王俊. 水文. 2011(S1)
博士论文
[1]变化环境下流域环境水文过程及其数值模拟[D]. 翟晓燕.武汉大学 2015
本文编号：3485240
【文章来源】：人民长江. 2020,51(03)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
渔梁站常规流量测验与实验的垂线布设位置
利用新的算法进行垂线优选,结果如表2所列。若只优选一根代表性垂线,2次实验选出的垂线位置一致,为起点距84 m处,相对误差绝对值分别为4.14%和1.74%,均小于上文给定的标准5%。为了进一步说明上述2次实验优选的单根代表性测速垂线(起点距84 m处)的测流效果,2019年7月8日09:24～09:40对该垂线相对水深0.6处进行流速仪施测流速,期间水位为111.12 m,右岸为缓坡,流速系数取0.7,左岸为陡坡取0.8,计算得到的断面流量为81.23 m3/s。依据近期2018年本站水位-流量曲线关系表,查得该水位对应的流量为84.4 m3/s,计算单根代表性垂线流量误差为-3.75%,同样小于5%。由此说明84 m处的垂线具备成为渔梁站特殊水情下单垂线简易测流方法的潜力。由于该方案测流时仅需要测一根垂线的流速,耗费的工作时间比原精简算法的两根和三根代表性垂线测流更少,比常测法少92%,在5%误差许可的前提下大大提高了2次实验的测流效率。表2 新优选算法实验结果Tab.2 Results of two experiments devised from the new-designed reduction algorithm of vertical lines 精简后的垂线数目/根 第1次实验 第2次实验 垂线位置/m 相对误差绝对值 垂线位置/m 相对误差绝对值 1 84 4.14×10-2 84 1.74×10-2 2 48,105 4.26×10-4 54,92 3.27×10-4 3 52,76,84 6.83×10-6 50,96,107 6.55×10-6 4 24,44,88,128 4.80×10-7 19,38,81,102 1.31×10-8
坐标系中(见图3),可发现2次实验的数据均呈现较好的线性关系。以指数方程形式对垂线数量与相对误差绝对值两者的关系进行拟合,结果第1次实验的回归方程为y=1.2342e-3.823x,第2次实验为y=2.736e-4.619x,R2均大于0.98,拟合效果都比较好,说明新的垂线精简算法在增加代表性垂线数目时可以快速有效地减小测验误差。随着选取垂线数量加大,误差按照指数递减数值降低很快,在垂线数目大于3之后,误差基本衰减完毕,接近于零。进一步对2种算法结果进行比较,发现用原有算法第1次实验精选出的两根垂线算得的流量误差比新算法优选两根垂线的流量误差放大倍数为101数量级,而第2次实验同样优选3根垂线误差放大倍数量级更是达到了102。由此说明同样条件下新的垂线优选算法易于找到误差更小、更有代表性的测速垂线,比原有的垂线精简算法更优。此外,在有限的垂线数目下,因计算量较小,新的算法可列举所有可能并找到最优;而当断面垂线数量很大时,由于新算法计算量随着优选垂线数目的增加急剧增大,此时应采用遗传算法、粒子群优化等算法求解以加快收敛速度,提高计算效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于横断面垂线平均流速分布的流量计算模型研究与应用[J]. 王鸿杰,张建云,王兴泽,贺瑞敏. 水文. 2019(05)
[2]文丘里法在河流流量推算中的应用[J]. 胡兴艺. 水文. 2019(02)
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[4]气候变化下的流域面源污染响应模型评估[J]. 沙健,路瑞,续衍雪,尚云涛,李雪,曹佳蕊,陈奕霖. 环境科学与技术. 2018(06)
[5]水文站在线流量测验方法初探[J]. 郭红丽,谢悦波,胡健伟,熊珊珊,胡电海,张真真,续会勇. 水文. 2018(01)
[6]ADCP在水文测验中的应用及其发展前景[J]. 李雨,袁德忠,周波. 人民长江. 2013(S2)
[7]长江水文测验方式方法技术创新的探索与实践[J]. 王俊. 水文. 2011(S1)
博士论文
[1]变化环境下流域环境水文过程及其数值模拟[D]. 翟晓燕.武汉大学 2015
本文编号：3485240
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