基于遗传算法的水文频率计算与研究

论文摘要

中国是以暴雨洪水为主的国家,年年受到暴雨洪水的危害,由暴雨洪水导致的溃坝事件时有发生。中国20世纪70年代,由于暴雨洪水,导致了板桥和石漫滩两座大型水库垮坝,究其原因,是因为设计洪水的数据严重偏小,以致大坝的设计防洪数据偏低。水库防洪是水利工程建设的目的之一,而水库建设首要任务是进行水文频率分析;中国的降雨频率分析采用的是P-Ⅲ型分布,其中,水文特征参数（x|-）、Cv、Cs是影响P-Ⅲ型分布形态的三个参数,要进行水文频率计算,必须先计算x、Cv、Cs的估计值;传统的算法是直接根据经验,用目估适线法估计参数或是用单一的参数估计方法（矩法、概率权重矩法等）估计x、Cv和Cs的值,计算得出P-Ⅲ型降雨量分布曲线。传统计算方法的优点是简单易用,套用公式即可计算,但各有缺点,例如,矩法求三阶矩对估计Cs产生的误差较大;概率权重矩法只用到三个一阶矩,推求估计参数不够灵敏等。本文主要研究基于遗传算法（Genetic Algorithm,简称GA）的P-Ⅲ型分布三参数的优化组合,具体的研究工作是GA在水文频率计算中的应用。收集整理广西壮族自治区梧州藤县大任水库1966年～2005年年最大24小时降雨量,采用P-Ⅲ型分布计算降雨量频率曲线,先以传统计算方法（矩法、概率权重矩法、单权函数法和双权函数法）预估P-Ⅲ型分布三参数x、Cv和Cs的值,再用GA优化P-Ⅲ型分布的三参数。在进行GA计算时,以x、Cv和Cs作为遗传算法的决策变量,根据矩法、概率权重矩法、单权函数法和双权函数法预估的参数值,计算得出的最大值和最小值分别为: x的最小值为122.98,最大值为125.94; Cv的最小值为0.5,最大值为0.6; Cs的最小值为1.5,最大值为2.5,适当调整后,确定GA决策变量的取值范围为Cv∈[ 0.4,0.6], Cs∈[1 .5,2.6], x∈[1 22.98,125.94]。GA的操作算子有选择算子、交叉算子和变异算子,选定GA的操作算子为轮盘选择算子、单点交叉、和基本位变异;根据经验制定了12组运行参数用以调试程序,从得出的成果图中综合分析运行参数的合理取值,最后,调整和确定遗传算法的运行参数,进行最终的GA优化。大任水文站百年一遇设计洪水成果图表明,根据传统方法计算的设计洪水精度不高,而由GA优化P-Ⅲ型分布三参数后,计算得出的设计洪水比目前规范中的双权函数法要高。此外,与广西玉林水利水电设计院2005年的复核成果相比表明,设计院计算的设计洪水偏大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 问题提出及研究意义
• 1.2 GA的国内外研究进展
• 1.2.1 GA发展简史
• 1.2.2 GA在水文领域的应用
• 1.3 主要研究的内容与技术路线
• 1.3.1 主要研究内容与拟解决的关键性问题
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 主要创新点
• 1.5 小结
• 第2章 研究区域概况及几种频率计算方法结果
• 2.1 大任河流域及坝区概况
• 2.2 P-Ⅲ型曲线应用历史与现状
• 2.3 频率计算与参数估计
• 2.3.1 矩法
• 2.3.2 概率权重矩法
• 2.3.3 权函数法
• 2.4 设计降雨量频率曲线图
• 2.5 小结
• 第3章 GA
• 3.1 GA的操作
• 3.1.1 GA设计与执行策略
• 3.1.2 GA原理
• 3.1.3 GA的特点
• 3.1.4 GA应用的关键问题
• 3.2 基于GA的水文频率计算
• 3.2.1 确定决策变量和约束条件
• 3.2.2 建立优化模型
• 3.2.3 确定编码和解码方式
• 3.2.4 确定个体适应度的评价方法
• 3.2.5 设计遗传操作算子和确定GA的运行参数
• 3.3 小结
• 第4章 GA与传统方法的精度评定和误差分析
• 4.1 精度评定
• 4.1.1 降雨量相对误差分析
• 4.1.2 各方法计算的降雨量与实测降雨量的比较
• 4.1.3 洪水过程线
• 4.2 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 问题与建议
• 附表
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历