场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法及装置，能够快速、准确、便捷地判断场次洪水过程中洪峰沙峰计算异步时长以及异步类型。方法包括：步骤1、获取研究区域的控制水文站年内流量过程，根据流量过程确定年内所有场次洪水过程；步骤2、以控制水文站的场次洪水过程中的流量、含沙量实测资料计算两个时间序列的偏差值；步骤3、基于总偏差判断异步类型：根据测量精度设置特征时间t

【技术实现步骤摘要】
场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法及装置


[0001]本专利技术属于水利河流工程
，具体涉及场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法及装置。
技术背景
[0002]对于大型天然河道，水沙输移具有不同时间尺度，其中较长时间尺度的输移是年际或是季节性的径流量和输沙量变化，而短时间尺度的则是以场次洪水为代表的洪峰沙峰过程输移。在降雨强度及分布、地质地貌、植被条件、河床组成、边界条件等因素中的一种或几种组合影响下，河流中的洪峰和沙峰通常都会异步向下游输移。洪峰与沙峰异步运动的现象，既是流域水沙产输和河流自身特性的重要体现，同时也会对河流自身产生重要影响。由于水沙不平衡的原因，洪峰沙峰异步会导致“涨冲落淤”和“小水大灾”等问题。
[0003]已有的研究认识到了这一问题，对于场次洪水过程中洪峰沙峰异步类型的判断往往利用Williams提出的SSC
‑
Q(含沙量
‑
流量)关系曲线，基于该关系曲线的时间变化，对洪峰沙峰异步情况进行分类，最常见的是逆时针和顺时针曲线，Sun提出了更为复杂的8字形曲线和单线加环等异步类型。而对于异步时长的判断，以往的研究中都是直接将洪峰沙峰出现的时间差作为异步时长。
[0004]现有的方法虽然较为直观，但对于不同滞后类型曲线的分辨还是基于人为判断，天然场次洪水过程中的SSC
‑
Q关系曲线一般不会是严格的单线型、单环型，不同的曲线类型之间的界限较为模糊，且判断有一定的主观因素。并且，异步时长仅考虑峰值的影响，而忽略了整个水沙过程，一定程度上不能正确反映场次洪水过程中水沙输移的滞后现象。因此，上述现有方法存在着复杂洪水过程关系曲线适应差、异步类型判断缺少数值化的界定标准的缺点，在实际应用过程与洪峰沙峰异步传播机理研究中存在明显的局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法及装置，能够快速、便捷地判断场次洪水过程中洪峰沙峰计算异步时长以及异步类型，为基于洪峰沙峰异步特性的沙峰排沙调度研究提供基础。
[0006]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0007]<方法>
[0008]本专利技术提供了一种场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤1、获取研究区域的控制水文站年内流量过程，根据流量过程确定年内所有场次洪水过程；
[0010]步骤2、以控制水文站的场次洪水过程中的流量、含沙量实测资料计算两个时间序列的偏差值，包括以下子步骤：
[0011]步骤2
‑
1、基于场次洪水过程，对流量、含沙量过程进行归一化预处理，作为新的序
列s1和s2，然后基于DTW算法，计算两个时间序列之间的欧式距离矩阵D，根据距离矩阵寻找一条序列s2对应到序列s1的规整路径w；
[0012]步骤2
‑
2、基于拟合出的规整路径w和基准线y＝kx，k值由两个序列x、y的长度决定，绘制两序列之间的偏差图像，根据序列长度逐步计算每个时间对应的控制面积S
i
(可规定基准线以下的图形面积为正，反之为负)，为考虑洪峰流量过程和非洪峰流量过程对异步类型影响的强弱，对不同时间对应的控制面积设置不同的权重，权重由场次洪水过程中流量的相对大小q0决定，权重满足W
i
＝1/(1+e
‑
q0i
)；按照权重W
i
和S
i
量计算两个序列的总偏差值T
q
‑
s
和方差Var；通过总偏差值T
q
‑
s
表征两个序列之间在时间上总体异步时长，对应横向的时间差；方差Var表征两个序列的相似度；i为第i个时间单位；
[0013]步骤3、基于总偏差判断异步类型：
[0014]根据测量精度设置特征时间t
cri
；
[0015]若总偏差值的绝对值小于t
cri
，则判断为场次洪水过程中，洪峰与沙峰基本同步；总偏差值的绝对值大于t
cri
，且符号为正，则判断为场次洪水过程中，沙峰超前于洪峰；总偏差值的绝对值大于t
cri
，且符号为负，则判断为场次洪水过程中，沙峰滞后于洪峰。
[0016]优选地，本专利技术提供的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，权重通过sigmoid函数确定。
[0017]优选地，本专利技术提供的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，将水文资料观测时间精度的一半设置为特征时间t
cri
，例如，水文资料观测时间精度为1天，则特征时间t
cri
设置为0.5天。
[0018]优选地，本专利技术提供的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，首先基于场次洪水计算情况，确定方差临界绝对值；当方差Var的绝对值超过方差临界值，则判断为方差值偏大，两个序列的相似度低，场次洪水过程中洪峰与沙峰无明显关系，不再进行异步类型判断；当方差Var的绝对值小于等于方差临界绝对值，则进一步判断异步类型。
[0019]优选地，本专利技术提供的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，将各场次洪水计算方差，按照绝对值从小到大的顺序排列，设排列在前75％～90％的方差中最后一个方差的绝对值为A，排列在其后的方差的绝对值为B，方差临界绝对值取为大于等于A且小于B范围内的整数值。
[0020]<装置>
[0021]进一步，本专利技术还提供了一种自动实现上述<方法>的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定装置，其特征在于，包括：
[0022]资料获取部，获取研究区域的控制水文站年内流量过程，根据流量过程确定年内场次洪水过程；
[0023]偏差值计算部，以控制水文站的场次洪水过程中的流量、含沙量实测资料计算两个时间序列的偏差值，以确定异步时长，包括以下子步骤：
[0024]步骤2
‑
1、基于场次洪水过程，对流量、含沙量过程进行归一化预处理，作为新的序列s1和s2，然后基于DTW算法，计算两个时间序列之间的欧式距离矩阵D，根据距离矩阵寻找一条序列s2对应到序列s1的规整路径w；
[0025]步骤2
‑
2、基于拟合出的规整路径w和基准线y＝kx，k值由两个序列x、y的长度决
定，绘制两序列之间的偏差图像，根据序列长度逐步计算每个时间对应的控制面积S
i
，为考虑洪峰流量过程和非洪峰流量过程对异步类型影响的强弱，对不同时间对应的控制面积设置不同的权重，权重由场次洪水过程中流量的相对大小q本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取研究区域的控制水文站年内流量过程，根据流量过程确定年内场次洪水过程；步骤2、以控制水文站的场次洪水过程中的流量、含沙量实测资料计算两个时间序列的偏差值，包括以下子步骤：步骤2
‑
1、基于场次洪水过程，对流量、含沙量过程进行归一化预处理，作为新的时间序列s1和s2，然后基于DTW算法，计算两个时间序列之间的欧式距离矩阵D，根据距离矩阵寻找一条序列s2对应到序列s1的规整路径w；步骤2
‑
2、基于拟合出的规整路径w和基准线y＝kx，k值由两个序列x、y的长度决定，绘制两序列之间的偏差图像，根据序列长度逐步计算每个时间对应的控制面积S
i
，为考虑洪峰流量过程和非洪峰流量过程对异步类型影响的强弱，对不同时间对应的控制面积设置不同的权重，权重由场次洪水过程中流量的相对大小q0决定，权重满足按照权重W
i
和S
i
量计算两个序列的总偏差值T
q
‑
s
和方差Var；通过总偏差值T
q
‑
s
表征两个序列之间在时间上总体异步时长，方差Var表征两个序列的相似度；i为第i个时间单位；步骤3、基于总偏差判断异步类型：根据测量精度设置特征时间t
cri
；若总偏差值的绝对值小于t
cri
，则判断为场次洪水过程中，洪峰与沙峰基本同步；总偏差值的绝对值大于t
cri
，且符号为正，则判断为场次洪水过程中，沙峰超前于洪峰；总偏差值的绝对值大于t
cri
，且符号为负，则判断为场次洪水过程中，沙峰滞后于洪峰。2.根据权利要求1所述的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，其特征在于：其中，在步骤2中，权重通过sigmoid函数确定。3.根据权利要求1所述的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，其特征在于：其中，在步骤3中，将水文资料观测时间精度的一半设置为特征时间t
cri
。4.根据权利要求1所述的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，其特征在于：其中，在步骤3中，首先基于场次洪水计算情况，确定方差临界绝对值；当方差Var的绝对值超过方差临界值，则判断为方差值偏大，两个序列的相似度低，场次洪水过程中洪峰与沙峰无明显关系，不再进行异步类型判断；当方差Var的绝对值小于等于方差临界绝对值，则进一步判断异步类型。5.根据权利要求4所述的场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定方法，其特征在于：其中，在步骤3中，将各场次洪水计算方差，按照绝对值从小到大的顺序排列，设排列在前75％～90％的方差中最后一个方差的绝对值为A，排列在其后的方差的绝对值为B，方差临界绝对值取为大于等于A且小于B范围内的整数值。6.场次洪水过程洪峰沙峰异步时长与类型确定装置，其特征在于，包括：资料获取部，获取研究区域的控制水文站年内流量过程，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张为，薛居理，李昕，朱敬一，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：