一种水库调洪计算方法技术

本发明专利技术涉及水利水电工程领域，其公开了一种水库调洪计算方法，解决传统技术存在的计算效率低、耗时长和计算精度低的问题。包括：读取已知水库相关信息，计算时段平均入库流量；根据时段初W0，查库容泄流能力曲线在库容W0处的斜率k＝S′(W0)；根据公式直接计算时段末水库库容W1；根据公式直接计算时段末水库泄流流量O1；查水库水位库容曲线，得时段末水库水位；将本时段计算的末水位、库容和泄流流量作为下一时段的时段初水位、库容和泄流流量，进行下一时段的计算，直至所有时段全部计算完毕；输出计算的水位系列、库容系列和泄流流量系列。本发明专利技术中的调洪计算方法无需试算，计算简便、精度较高，求解速度快，易于编程实现，适用于水利水电工程中的水库调洪计算。

【技术实现步骤摘要】
一种水库调洪计算方法
本专利技术涉及水利水电工程领域，具体涉及一种水库调洪计算方法。
技术介绍
水库调洪计算是水利水电工程勘察设计、运行管理中十分重要而基础的工作，是确定水利水电工程规模和进行水库科学调度的基础工具，因此完善和提高调洪计算的精度和计算效率意义重大。水库调洪计算通常是已知入库洪水过程、水位库容曲线、泄流能力曲线，以及水库起始水位，进而推求泄流流量过程和水库水位过程，推求的基本方程即为水量平衡方程，见式(1)，其含义即为入库流量减去泄流(出库)流量等于库容的变化量。其中：O＝q(Z)(2)W＝V(Z)(3)O＝S(W)(4)式中：I(t)……入库流量过程；O(t)……泄流(出库)流量过程；W……水库蓄水库容，表示水库中的蓄水量；Z……水库水位；q(Z)……泄流能力与水库水位关系，为单调增曲线；V(Z)......水库库容与水库水位关系，为单调增曲线；S(W)……泄流能力与水库库容关系，可由式(2)、(3)转换得到，同为单调增曲线。水库的调洪计算实质上就是对上述方程的求解，由于上述式(2)、(3)、(4)均为非显式表达，因此无法采用严格的理论解析法求解。目前为解决水库调洪计算的问题，主要应用的方法有图解法、迭代法、数值解法等，其中图解法需要作图，不利于计算机编程实现，目前已应用较少，而迭代法和数值解法目前应用较多，现分述如下：迭代法：迭代法首先对方程(1)进行差分简化处理，设计算的步长为Δt，则式(1)可变换为差分式(5)，将式(2)和式(3)带入式(5)，可得迭代法计算公式(6)。由于入库过程I(t)和初始水位Zt＝0已知，计算时段Δt给定，则每一步迭代试算计算步骤如下：首先假设时段末水位为然后带入公式(6)的右边，求得末库容根据式(3)，可求得计算的末水位然后判断是否小于允许误差，若是则说明假设时段末水位即为本时段计算的末水位，否则，重新假设时段末水位，重复上述过程计算，直至假设末水位与计算末水位之差小于允许误差为止。调洪计算根据上述计算方法，从初始时刻出发，逐时段计算直至结束，最后即可求的调洪后的水库库容过程W(t)、水位过程Z(t)、泄流(出库)流量过程O(t)等。式中：Δt……为计算时段，即计算步长；式(1)、(2)、(3)中的时间在式(5)、(6)中采用下角标表示；其余参数意义同上。数值解法：数值解法将式(4)带入式(1)，得到关于水库蓄水库容W的微分方程，然后根据已知时段初蓄水库容Wt＝0＝W0，构成一阶常微分方程初值问题，见式(7)，然后通过数值解法求解。式(7)的数值解法有很多，用于水库调洪计算的主要是四阶龙格库塔法，其计算公式如下：其计算步骤为：首先根据初始水库水位，计算得初始水库库容和泄流流量，设定计算时段，初始化当前时间t＝0，然后根据公式(8)依次求解K1、K2、K3、K4，最后求得计算时段末库容Wt+Δt，根据时段末库容，再查水位库容曲线和库容泄流能力曲线，得时段末水位和时段末泄流量，以本时段末的计算结果为下一时段的初始值，循环进入下一时段调洪计算，直至所有计算时段计算完毕。由于水库调洪计算过程中的水位、库容、泄流能力、来水过程之间的关系非常复杂，无法通过解析法进行求解，上述迭代试算法和数值解法是目前最为常用的两种解算方法，但上述两种方法也存在一些缺陷：迭代法每一步需要进行迭代试算，计算效率低，计算耗时长，而且计算精度还受制于所取的允许误差，若允许误差取得过大，计算误差则会更大，若取的过小，试算次数会越多，计算耗时会越长，另外由于计算机存在舍入误差，允许误差取的过小有可能导致计算不收敛的情况；四阶龙格库塔数值解法在数学上有严格证明，但是从公式(8)可以看出，其每步计算需要查询四次库容泄流曲线，进行五步计算，计算量较大，而且数值解法在计算精度上会有一定损失。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种水库调洪计算方法，解决传统技术中水库调洪计算方式存在的计算效率低、耗时长和计算精度低的问题。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：一种水库调洪计算方法，包括以下步骤：A.读取已知水库调洪相关参数，包括：水库水位库容曲线、水库泄流能力曲线、水库入库流量过程、初始水库水位信息；B.根据水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，获得水库库容泄流能力关系曲线；C.设定计算时段步长Δt；D.根据初始时刻水库水位，查水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，得到水库初始库容和水库初始泄流流量，从而获得计算时段的时段初水位Z0、库容W0、泄流流量O0；E.计算时段步长Δt内的平均入库流量；F.根据时段初库容W0，查库容泄流能力曲线在库容W0处的斜率k＝S′(W0)；G.计算时段末库容W1；H.计算时段末水库泄流流量O1；I.根据时段末库容W1，查水库水位库容曲线，获得时段末水库水位Z1＝V-1(W1)；J.将本时段计算的时段末水位Z1、时段末库容W1和时段末水库泄流流量O1作为下一时段的时段初水位、时段初库容和时段初泄流流量，然后跳转至步骤E，进行下一时段的计算，直至所有时段全部计算完毕；K.输出计算的水位系列、库容系列和泄流流量系列。这里的“水位系列”是指计算出来的各时段的时段初水位、时段末水位；“库容系列”是指计算出来的各时段的时段初库容、时段末库容；“泄流流量系列”是指计算出来的各时段的时段初水库泄流流量、时段末水库泄流流量。进一步的，步骤A中，读取水库水位库容曲线W＝V(Z)，水库泄流能力曲线O＝q(Z)，水库入库流量过程I(t)和水库初始水位Z0。进一步的，步骤B中，根据水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，获得水库库容泄流能力关系曲线的方法为：O＝q(V-1(W))＝S(W)进一步的，步骤D中，计算时段的时段初库容W0＝V(Z0)；水库初始泄流O0＝q(Z0)。进一步的，步骤E中，根据下式计算时段步长Δt内的平均入库流量：进一步的，步骤G中，计算时段末库容的方法为：定义α＝kΔt为调洪指数，则上式变为：定义为调洪系数，上式继续变换为：进一步的，步骤H中，计算时段末水库泄流流量O1的方法是：进一步的，步骤I中，计算时段末水库水位Z1的方法是：Z1＝V-1(W1)。进一步的，步骤J中，下一时段的计算，初始水位、库容和泄流流量采用本时段的时段末计算结果，返回步骤E循环计算，直至所有时段计算完毕。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用积分解析法直接从水量平衡微分方程入手，通过理论推导，对水量平衡微分方程直接进行积分求解，获得水库调洪计算的通用方程，该法无需试算，计算简便、求解效率高，易于编程实现，而且由于是对水量平衡微分方程的直接积分求解，计算精度高。根据算例试验表明，本专利技术计算精度和计算效率均比迭代法和龙格库塔法高，与迭代法相比，可节约计算时间约70.7％，与龙格库塔法相比，可节约计算时间约34.4％，计算效率提升明显。附图说明图1为本专利技术水库调洪计算方法流程图。具体实施方式本专利技术中水库调洪计算原理如下：已知：水库入库流量过程I(t)；水库水位库容曲线W＝V(Z)；水库泄流能力曲线O＝q(Z)；水库初始水位Z0；水库初始库容W0＝V(Z0)；水库初始泄流O0＝q(Z0)；水库调洪计算时段步长为Δt。设调洪计算起始时刻为t＝0。由水量平衡微分方程:根据水库水位库容曲线W＝V(Z)和水库泄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水库调洪计算方法，其特征在于，包括以下步骤：A.读取已知水库调洪相关参数，包括：水库水位库容曲线、水库泄流能力曲线、水库入库流量过程、初始水库水位信息；B.根据水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，获得水库库容泄流能力关系曲线；C.设定计算时段步长Δt；D.根据初始时刻水库水位，查水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，得到水库初始库容和水库初始泄流流量，从而获得计算时段的时段初水位Z0、库容W0、泄流流量O0；E.计算时段步长Δt内的平均入库流量；F.根据时段初库容W0，查库容泄流能力曲线在库容W0处的斜率k＝S′(W0)；G.计算时段末库容W1；H.计算时段末水库泄流流量O1；I.根据时段末库容W1，查水库水位库容曲线，获得时段末水库水位Z1＝V‑1(W1)；J.将本时段计算的时段末水位Z1、时段末库容W1和时段末水库泄流流量O1作为下一时段的时段初水位、时段初库容和时段初泄流流量，然后跳转至步骤E，进行下一时段的计算，直至所有时段全部计算完毕；K.输出计算的水位系列、库容系列和泄流流量系列。

【技术特征摘要】
1.一种水库调洪计算方法，其特征在于，包括以下步骤：A.读取已知水库调洪相关参数，包括：水库水位库容曲线W＝V(Z)、水库泄流能力曲线O＝q(Z)、水库入库流量过程I(t)、初始水库水位信息Z0；B.根据水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，获得水库库容泄流能力关系曲线：O＝q(V-1(W))＝S(W)；C.设定计算时段步长Δt；D.根据初始时刻水库水位，查水库水位库容曲线和水库泄流能力曲线，得到水库初始库容W0＝V(Z0)和水库初始泄流流量O0＝q(Z0)，从而获得计算时段的时段初水位Z0、库容W0、泄流流量O0；E.计算时段步长Δt内的平均入库流量：F.根据时段初库容W0，查库容泄流能力曲线在库容W0处的斜率k＝S′(W0)；G.计算时段末库容W1；H.计算时段末水库泄流流量O1；I.根据时段末库容W1，查水库水位库容曲线，获得时段末水库水位Z1＝V-1(W1)；J.将本时段计算的时段末水位Z1、时段末库容W1和时段末水库泄流流量O1作为下一时段的时段初水位、时段初库容和时段初泄流流量，然后跳转至步骤E，进行下一时段的计算，直至所有时段...

【专利技术属性】
技术研发人员：安全，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51