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《水流泥沙數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)同化與參數(shù)反演》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、水流泥沙數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)同化與參數(shù)反演(申請清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位：水利水電工程系學(xué)科：水利工程研究生：賴瑞勛指導(dǎo)教師：方紅衛(wèi)教授二○一五年六月Dataassimilationandparametersinversionofwater-sedimentnumericalmodelDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraul
2、icEngineeringbyLaiRuixunDissertationSupervisor:ProfessorFangHongweiApril,2015摘要摘要提高水流泥沙預(yù)測精度對防洪規(guī)劃、災(zāi)情評估、防汛、工程施工等方面有重要意義。水沙數(shù)學(xué)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(xué)模型以水沙動(dòng)力學(xué)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(xué)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(shè)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
3、水沙數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)同化方面的研究，融合模型計(jì)算值和原型觀測值，提高模型預(yù)測精度，將既有的水沙數(shù)學(xué)模型發(fā)展為實(shí)時(shí)校正的水沙數(shù)學(xué)模型。建立了河道水沙數(shù)學(xué)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(yù)測含沙量和原型觀測含沙量之間差值的代價(jià)函數(shù)，并將
4、懸移質(zhì)泥沙輸移方程作為代價(jià)函數(shù)的約束條件。推導(dǎo)了帶約束條件代價(jià)函數(shù)的伴隨方程，及其對恢復(fù)飽和系數(shù)、挾沙力參數(shù)k和指數(shù)m的梯度。分析了集合卡爾曼濾波和變分同化算法的優(yōu)缺點(diǎn)，建立了河道水流泥沙的耦合數(shù)據(jù)同化機(jī)制。耦合同化機(jī)制中，集合卡爾曼濾波優(yōu)化水位流量并反演糙率參數(shù)，并利用變分同化方法優(yōu)化含沙量并反演泥沙輸移參數(shù)，其中集合卡爾曼濾波逼近得到的模型誤差作為含沙量變分?jǐn)?shù)據(jù)同化的背景誤差。水沙集合卡爾曼濾波系統(tǒng)應(yīng)用于黃河下游2011年調(diào)水調(diào)沙案例，分析了模擬水位、流量和含沙量的精度，分析了反演糙率參數(shù)與水位等變量的相關(guān)關(guān)系。含沙
5、量變分同化系統(tǒng)應(yīng)用于黃河下游2009年調(diào)水調(diào)沙案例，分析了模擬含沙量的精度，以及反演泥沙參數(shù)的合理性，分析了變分同化系統(tǒng)對沒有觀測資料區(qū)域的影響。水沙耦合數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)應(yīng)用于黃河下游2013年調(diào)水調(diào)沙案例，分析了耦合數(shù)據(jù)同化機(jī)制的可行性。關(guān)鍵詞：水流泥沙；數(shù)學(xué)模型；集合卡爾曼濾波；變分同化；參數(shù)反演IAbstractAbstractImprovingthepredictedaccurationofwaterlevel,discharge,sedimentconcentrationisimporttotheapplicati
6、ononfloodriskanalyses.Water-sedimentnumericalmodelandfieldobservationarethetwomaindatasourcestoinvestigatetherealriver.Ontheonehand,water-sedimentnumericalmodelsarebasedonthetheoryofdynamicsandaretheformofmathematicaldescriptionfromtherealphysicalphenomenon.Sothe
7、water-sedimentnumericalmodelshavestructuralerrors.Ontheotherhand,thefieldobservationshaveerrorsattributingtotheinstrument,observedthechnicsanddatapreprocess.Withthetechnicaldevelopmentoffieldobservationandinformationcommunication,itisnecessarytoresearchadataassim
8、ilationsystemforwater-sedimentnumericalmodel.Inthedataassimilationsystem,theobservationsandnumericalresultsareintegratedandmixedtogetherformoreaccuratepredicti
