一种输水明渠冬季水温智能预报方法技术

本发明专利技术提供一种输水明渠冬季水温智能预报方法，根据输水明渠线性、单向、顺序流动的特点，基于拉格朗日质点跟踪法，结合水体渐次失热物理过程，根据质量守恒和热量平衡原理，以初始断面水温+区间气温链模式，构建基于物理机制的水温智能预报模型；根据输水流量计算水体从初始断面运动至终末断面的时长t；基于历史运行水温和气温数据，监督训练模型关键参数K；将相关参数代入构建的水温智能预报模型的物理方程进行于明渠冬季水温预测。本发明专利技术构造的水温智能预报模型的物理方程结构形式简单，物理机制清晰，所需参数不多，水温预测精度高，简便易用。简便易用。简便易用。

【技术实现步骤摘要】
一种输水明渠冬季水温智能预报方法


[0001]本专利技术涉及长距离输水明渠冬季冰期输水
，具体是一种输水明渠冬季水温智能预报方法。

技术介绍

[0002]寒冷区长距离输水明渠冬季结冰是常见的自然现象。对于北方寒冷地区输水明渠而言，冬季输水面临结冰问题。多年输水明渠冰情原型观测表明，当断面平均水温T
w
≤3.0℃时岸冰初生；当T
w
≤1.5℃时出现流冰；当T
w
≤0.2℃时冰盖开始生成。因此，精细的水温模拟预测是分析冰情演化的基础。冬季输水一旦形成冰盖，为防止冰塞险情，必须控制水流流速和弗劳德数(Fr≤0.06)，冰期输水安全流量仅为渠段设计流量的33％～50％，严重影响工程效益发挥。气温是水温
‑
冰盖演化的最主要驱动因子，因此，渠道水温与气温的定量响应关系是长距离输水明渠冰情分析的重点和难点。
[0003]受水区不断增长的用水需求与输水能力不足的矛盾制约着工程效益的发挥，冬季冰期输水瓶颈尤为突出，成为总干渠输水能力提升的重点和难点。而精确的水温预测是提升冬季输水能力的前提和基础。
[0004]而现有的一维水温数学预测模型建模周期长，需要的各类实测数据较多，对数据要求较高，运算过程较为繁杂，与移动终端信息化平台接口较为困难，使其应用受到一定限制；统计参数模型物理机制不健全，有时仅凭数据进行相关分析和回归分析，可能是一种“伪相关”或“伪回归”。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种输水明渠冬季水温智能预报方法，以解决科学性和时效性的问题，本专利技术以初始断面水温+区间气温链模式，构建基于物理机制的水温精细智能预报模型，基于运行冬季实测的气温和水温数据，利用回归分析和机器学习等手段，监督训练模型关键参数，阐明渠道水温与气温链的定量响应关系，从而预测冬季水温变化过程。
[0006]一种输水明渠冬季水温智能预报方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、以初始断面部分水体为研究对象，构建基于物理机制的水温智能预报模型，所述水温智能预报模型的物理方程如下：
[0008]cρQ
e
t0T
w1
＝cρQ
e
t0T
w2
+Kt(T
w1
‑
T
a
)
[0009]其中：
[0010]t：水体从初始断面运动至终末断面的时长；
[0011]t0：水股取样时间，此处取t0＝1s；
[0012]T
w1
：水体初始断面平均水温；
[0013]T
w2
：t时段后水体运动至终末断面的平均水温；
[0014]T
a
：区间气温链；
[0015]K：水面与大气热交换系数；
[0016]Q
e
：终末断面流量；
[0017]ρ：水的密度；
[0018]c：水的比热；
[0019]步骤二、根据输水流量，计算明渠沿线布设的n个气象站的影响渠段水流流经时长t1、t2、、、t
n
，以及水流从渠首流动至渠末的总时长 t，精确到小时；
[0020]步骤三、根据历年运行的实测水温和气温数据，采用机器学习的方法监督训练大气与水体热交换系数K；
[0021]步骤四、根据已知初始断面实测水温T
w1
和天气预报的区间气温链气温T
a
，以及式(1)得到预测的终末断面水温T
w2
：
[0022][0023]其中，天气预报的区间气温链气温T
a
根据步骤二所得n个气象站的影响渠段水流流经时长t1、t2、、、t
n
计算得到。
[0024]进一步的，步骤一中，初始断面流量Q
i
通常大于终末断面流量 Q
e
，以初始断面部分水体为研究对象，构建基于物理机制的水温智能预报模型，即初始断面指定水体携带的热量等于终末断面水体携带的热量加上沿程散失或吸收的热量，其中初始断面部分水体最终流至渠末断面的水股对应流量为Q
e
，初始断面指定水体携带的热量对应水温T
w1
，终末断面水体携带的热量对应水温T
w2
。
[0025]进一步的，步骤二具体实施步骤为：根据输水流量和水位，采用明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算方法
‑‑
逐段试算法，计算得出水流从渠首流动至渠末的时长t，再结合地形确定气象站的影响范围，计算得出沿线布设的n个气象站每个气象站影响渠段水流流经时长为t1、t2、、、t
n
，精确到小时。
[0026]进一步的，步骤四中，终末断面的水温计算公式是由式(1)整理得来的，将选取的初始断面的水温、区间气温链T
a
与步骤三中应用实测数据训练得出的关键参数K带入到公式(2)中即可预测终末断面水温。
[0027]本专利技术具有如下有益效果：本专利技术根据调水明渠线性、单向顺序流动的特点，沿线选取n个气象站，结合初始断面水温与区间气温序列链，基于质量守恒和热量平衡原理，构造的物理方程结构形式简单，物理机制清晰，所需参数不多，采用工程运行实测数据监督训练模型关键参数，水温预测精度高，简便易用。
附图说明
[0028]图1为本专利技术输水工程与沿线气象站的示意图；
[0029]图2是岗头闸～北拒马河闸渠段示意图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例是本专利技术的一部分实例，而不是全部的实例。基于本专利技术中的实例，本领域普通技术人员在没有
做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]本专利技术在充分分析输水明渠流动基础上，考虑到初始断面流量通常大于渠末流量，以初始断面部分水体(最终流动至渠末断面的水股) 为研究对象，根据质量守恒和热量平衡原理，初始断面指定水体携带的热量等于终末断面同股水体携带的热量加上沿程散失(或吸收)的热量。故此，以初始断面水温+区间气温链模式，构建基于物理机制的水温精细智能预报模型，基于运行冬季实测的气温和水温数据，利用回归分析和机器学习等手段，监督训练模型关键参数，阐明渠道水温与气温链的定量响应关系，从而预测冬季水温变化过程。
[0032]本专利技术实施例提供一种输水明渠冬季水温智能预报方法，包括如下步骤：
[0033]步骤一、根据质量守恒和热量平衡原理，考虑输水明渠沿线分流，初始断面流量Q
i
通常大于终末断面流量Q
e
，以初始断面部分水体(最终流至渠末断面的水股，对应流量为Q
e
)为研究对象，构建基于物理机制的水温智能预报模型。即初始本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种输水明渠冬季水温智能预报方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、以初始断面部分水体为研究对象，构建基于物理机制的水温智能预报模型，所述水温智能预报模型的物理方程如下：cρQ
e
t0T
w1
＝cρQ
e
t0T
w2
+Kt(T
w1
‑
T
a
)其中：t：水体从初始断面运动至终末断面的时长；t0：水股取样时间，此处取t0＝1s；T
w1
：水体初始断面平均水温；T
w2
：t时段后水体运动至终末断面的平均水温；T
a
：区间气温链；K：水面与大气热交换系数；Q
e
：终末断面流量；ρ：水的密度；c：水的比热；步骤二、根据输水流量，计算明渠沿线布设的n个气象站的影响渠段水流流经时长t1、t2、、、t
n
，以及水流从渠首流动至渠末的总时长t，精确到小时；步骤三、根据历年运行的实测水温和气温数据，采用机器学习的方法监督训练大气与水体热交换系数K；步骤四、根据已知初始断面实测水温T
w1
和天气预报的区间气温链气温T
a
，以及式(1)得到预测的终末断面水温T
w2
：其中，天气预报的区间气温链气温T
a
根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：段文刚，刘备，韦耀国，杨金波，黄卫，黄明海，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：