一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法技术

本发明专利技术公开了一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法，涉及水动力学参数识别领域。所述方法包括：建立研究渠道段的水动力仿真预测模型；结合研究渠道段中各个闸门的流量实测值和水位实测值，利用卡尔曼滤波同化算法获取实时分析水位序列；根据研究渠道段中任意一个渠池γ中的闸门的实时分析水位序列，利用圣维南方程推求得到渠池γ的分析流量序列；利用渠池γ的闸门的实时分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ过闸流量系数。本发明专利技术极大地提高水动力预测模型的精确度，提升预测值的准确性。

A series of canal pool gate flow coefficient calibration method

The invention discloses a series of canal pool gate flow coefficient calibration method, relates to the field of hydrodynamic parameter identification. The method includes: a model to predict the hydrodynamic simulation of channel section; combined with the measured value of the measured flow and water level of each channel in gate value, obtain the real-time analysis level sequence using Calman filter Assimilation Algorithm; according to the real-time analysis of the water level in a period of arbitrary channels of the canal pool gamma gate sequence analysis flow sequence using the Saint Venant equation deduced by canal pool gamma; real time sequence analysis of the water level by the canal pool gamma gate and the canal pool analysis flow sequence for gamma gamma channel pool flow rate coefficient. The invention greatly improves the accuracy of the hydrodynamic prediction model and improves the accuracy of the prediction value.

【技术实现步骤摘要】
一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法
本专利技术涉及水动力学参数识别领域，尤其涉及一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法。
技术介绍
大型多渠段供水渠道的运行工况一般不会发生较大的变化。在运行工况基本不变的情况下，闸门的过闸流量与水位关系用一个过闸流量系数描述。在实际多渠段串联渠道调水工程中，常需要根据闸门流量计算闸门开度，过闸流量系数的率定值越准确，则能提供越合理的闸门操作。因此，能准确描述闸门处流量与水位关系，直接决定对多渠段串联渠道调水工程运行的预测是否准确。随自动监测技术的发展，现有技术中常采用实测值反推过闸流量系数，具体为：采用实测闸前水位、实测闸后水位、实测过闸流量推导过闸流量系数。然而，现有监测技术对水位和闸门处流量的测量值往往具有一定的误差，水位测量值误差在10％左右，闸门处流量测量值与闸门处流量实际值之间的偏差大，因此，在此种条件下，不能使用流量数据推导过闸流量系数。卡尔曼滤波由卡尔曼于1960年提出，该方法是在假设系统为线性且噪声是白色高斯型的条件下的一种递推资料处理方法。卡尔曼滤波基本思想包括预报和校正两步：在状态预报阶段，根据前一时刻的状态生成当前时刻状态的预报值；在校正阶段，引入观测数据，采用最小方差估计方法对状态预测进行重新分析和修正。而现有技术中并未存在利用卡尔曼滤波同化技术的串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法，故，提出本申请。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术所述串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法，所述方法包括：S1，建立研究渠道段的水动力仿真预测模型获取串联多渠池调水工程中研究渠道段的基本参数，然后构建研究渠道段的水动力仿真预测模型；在所述水动力仿真预测模型中，研究渠道段中渠道处的水位流量关系用圣维南方程描述，研究渠道段中闸门处水位流量关系用过闸流量计算公式描述；S2，结合研究渠道段中各个闸门的流量实测值和水位实测值，利用卡尔曼滤波同化算法及对所述研究渠道段的水动力仿真预测模型进行校正得到研究渠道段中各个闸门的实时水位校正值序列，将所述实时水位校正值序列作为实时分析水位序列；S3，根据研究渠道段中任意一个渠池γ中的闸门的实时分析水位序列，利用圣维南方程推求得到渠池γ前、后的过闸流量序列，所述渠池γ前、后的过闸流量序列即为所述渠池γ的分析流量序列；S4，利用渠池γ的闸门的实时分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ过闸流量系数。优选地，步骤S1中：研究渠道段中渠道处的水位流量关系用圣维南方程描述，见方程组(1)：其中，x和t分别为空间坐标和时间坐标；A为渠道处的过流面积；Q为渠道过闸流量；h为水深；S0为渠道底坡；g为重力加速度；Sf为摩擦坡度，定义Sf＝Q|Q|/k2，k为流量模数；所述闸门处水位流量关系描述用过闸流量Q计算公式描述，见公式(2)：其中，Cd为过闸流量系数，b为闸门的计算宽度，n为闸门个数；H0、Hs分别为闸门前水位、闸门后水位；e为闸门开度。更优选地，所述过闸流量Q计算公式的限制条件为淹没出流的条件，所述淹没出流的条件包括两个具体条件：第一个条件：第二条件：优选地，步骤S2，具体按照下述步骤实现：S21，将研究渠道段作为一个整体，构造整体的状态转移方程组；设定研究渠道段的闸门处属于内边界，对整个研究渠道段，利用水动力学模型形成的封闭代数方程组矩阵形式为公式(3)：θ×ΔX＝D(3)在所述公式(3)的基础上，获取所述整个研究渠道段的所有断面水位的状态向量，将闸门处的闸门前、后水位和闸门前、后流量作为观测变量，得到整体状态转移方程组(4)：xt、xt+1分别表示t时刻、t+1时刻的闸门前、后观测流量；yt表示t时刻的闸门前、后观测水位；θ表示预测模型算子；H表示观测算子，ωt表示t时刻的模型误差；vt表示t时刻的观测误差；S22，在整体的状态转移方程组的基础上，利用卡尔曼滤波同化算法进行实时校正，得到方程组(5)；方程组(5)中，i表示迭代计算时刻，a表示分析值，为分析水位，b表示观测值，为观测水位或观测流量，f表示预测值；K代表卡尔曼滤波增益；Pif表示预测误差协方差；Pia表示分析误差协方差；Qi为模型误差方差，假设模型误差无偏；θ为预测模型算子；S23，将得到的每个观测水位值带入到方程组(5)中，得到每一步闸门的实时水位校正值序列。优选地，步骤S3，具体按照下述步骤实现：将不包含前、后闸门的任意一个渠池γ作为分析对象，将渠池γ前、渠池γ后水位作为渠池γ的边界条件，在所述渠池γ的分析水位已知的条件下，利用圣维南方程(1)和(6)计算得到渠池前流量和渠池后流量；式中，其中，x和t分别为空间坐标和时间坐标；A为渠道处的过流面积；Q为渠道过闸流量；h为水深；S0为渠道底坡；g为重力加速度；Sf为摩擦坡度，定义Sf＝Q|Q|/k2，k为流量模数；Z1、Z2代表渠池γ两端的水位边界，Za1(t)、Za2(t)为渠池γ的实时分析水位序列。优选地，步骤S4，在渠池γ的闸门的实时分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列的基础上，采用公式(7)推求渠池γ过闸流量系数：其中，C表示过闸流量系数，通过渠道过闸流量Q、闸门前水位H0、闸门后水位Hs逆推得到C序列，b为闸门的计算宽度，n为闸门个数，e为闸门开度，g为重力加速度；然后再用最小二乘法，将所述C序列拟合出一个流量系数C′，所述流量系数C′即为所述方法推求得到的目标流量系数。本专利技术的有益效果是：1、在串联多渠池渠道闸门处流量测量误差过大、水位测量值误差处于可接受范围内的情况下，本专利技术应用卡尔曼滤波技术，得到一套分析水位值和分析流量值，然后利用分析水位值和分析流量值推求得到精确的闸门过闸流量系数。2、本专利技术所述方法针对不同的工况利用实测数据反演出不同的闸门过闸流量系数，将闸门过闸流量系数再代入到预测模型中，极大地提高水动力预测模型的精确度，提升预测值的准确性。附图说明图1是串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法的流程示意图；图2是刁河节制闸闸前水位实测值与计算结果对比示意图；图3是刁河节制闸闸后水位实测值与计算结果对比示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。关于本申请的更详细的解释说明为：(一)在步骤S1中，水动力仿真预测模型中各个关系的表达如下：①、研究渠道段中渠道处的水位流量关系用圣维南方程描述，见方程组(1)：其中，x和t分别为空间坐标和时间坐标；A为渠道处的过流面积；Q为渠道过闸流量；h为水深；S0为渠道底坡；g为重力加速度；Sf为摩擦坡度，定义Sf＝Q|Q|/k2，k为流量模数；②、闸门处水位流量关系其中，Qup和Qdown分别为闸门前流量、闸门后流量；H0、Hs分别为闸门前水位、闸后水位；f为过闸流计算公式；e为闸门开度；此外，为满足方程组(2)的定解条件，还需要增加部边界限制条件，如方程组(3)表示：其中，Z1、Zn表示渠段的计算边界为水位边界；Z1(t)、Zn(t)表示水位随时间变化过程。关于方程组(2)难点在于Q＝f(H0,Hs,e)关系的描述，方程组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法，其特征在于，所述方法包括：S1，建立研究渠道段的水动力仿真预测模型获取串联多渠池调水工程中研究渠道段的基本参数，然后构建研究渠道段的水动力仿真预测模型；在所述水动力仿真预测模型中，研究渠道段中渠道处的水位流量关系用圣维南方程描述，研究渠道段中闸门处水位流量关系用过闸流量计算公式描述；S2，结合研究渠道段中各个闸门的流量实测值和水位实测值，利用卡尔曼滤波同化算法及对所述研究渠道段的水动力仿真预测模型进行校正得到研究渠道段中各个闸门的实时水位校正值序列，将所述实时水位校正值序列作为实时分析水位序列；S3，根据研究渠道段中任意一个渠池γ中的闸门的实时分析水位序列，利用圣维南方程推求得到渠池γ前、后的过闸流量序列，所述渠池γ前、后的过闸流量序列即为所述渠池γ的分析流量序列；S4，利用渠池γ的闸门的实时分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ过闸流量系数。

【技术特征摘要】
1.一种串联多渠池闸门过闸流量系数率定方法，其特征在于，所述方法包括：S1，建立研究渠道段的水动力仿真预测模型获取串联多渠池调水工程中研究渠道段的基本参数，然后构建研究渠道段的水动力仿真预测模型；在所述水动力仿真预测模型中，研究渠道段中渠道处的水位流量关系用圣维南方程描述，研究渠道段中闸门处水位流量关系用过闸流量计算公式描述；S2，结合研究渠道段中各个闸门的流量实测值和水位实测值，利用卡尔曼滤波同化算法及对所述研究渠道段的水动力仿真预测模型进行校正得到研究渠道段中各个闸门的实时水位校正值序列，将所述实时水位校正值序列作为实时分析水位序列；S3，根据研究渠道段中任意一个渠池γ中的闸门的实时分析水位序列，利用圣维南方程推求得到渠池γ前、后的过闸流量序列，所述渠池γ前、后的过闸流量序列即为所述渠池γ的分析流量序列；S4，利用渠池γ的闸门的实时分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ过闸流量系数。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1中：研究渠道段中渠道处的水位流量关系用圣维南方程描述，见方程组(1)：其中，x和t分别为空间坐标和时间坐标；A为渠道处的过流面积；Q为渠道过闸流量；h为水深；S0为渠道底坡；g为重力加速度；Sf为摩擦坡度，定义Sf＝Q|Q|/k2，k为流量模数；所述闸门处水位流量关系描述用过闸流量Q计算公式描述，见公式(2)：其中，Cd为过闸流量系数，b为闸门的计算宽度，n为闸门个数；H0、Hs分别为闸门前水位、闸门后水位；e为闸门开度。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述过闸流量Q计算公式的限制条件为淹没出流的条件，所述淹没出流的条件包括两个具体条件：第一个条件：第二条件：4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S2，具体按照下述步骤实现：S21，将研究渠道段作为一个整体，构造整体的状态转移方程组；设定研究渠道段的闸门处属于内边界，对整个研究渠道段，利用水动力学模型形成的封闭代数方程组矩阵形式为公式(3)：θ×ΔX＝D(3)在所述公式(3)的基础上...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷晓辉，孔令仲，尚毅梓，王超，王浩，蒋云钟，郑和震，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11