基于遗传算法的水文频率计算与研究

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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|-)、C_v、C_s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、C_v、C_s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、C_v和C_s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C_s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、C_v和C_s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、C_v和C_s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; C_v的最小值为0.5,最大值为0.6; C_s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C_v∈[ 0.4,0.6], C_s∈[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。
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