一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法技术

本发明专利技术公开一种水文

【技术实现步骤摘要】
一种水文
‑
水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法


[0001]本专利技术涉及一种水库水位预测技术，尤其是一种水文
‑
水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，可以进行高效准确的预测库区不同河段水位变化过程。

技术介绍

[0002]准确的预测河道型水库库区水位，对于发挥流域防洪、发电、航运等效益，保证水利工程运行安全，实现水库精准调度运行和提高综合效益的具有重要意义。但由于水库水位，特别水河道型水库水位影响因素多，尚没有一个结合水位影响因素准确预测水位变化过程的模型，且受人类活动、气候变化以及基础资料等因素影响，准确预测难度较大。虽然目前技术人员对水库水位进行了相关的研究，研制了基于不同理论的水库水位预报模型和方法，但大部分研究以水量平衡方程为基础，对于河道型水库，无法描述多因素影响下的水位变化过程，特别是无法准确模拟动库容影响大的特征，难以准确预测河道型水库水位变化过程。
[0003]水库水位变化过程受众多的物理因素影响，分析提炼水位变化的主要影响因素，并结合主要因子的形成机理和特点，分别建立预测模型。在此基础上，水库库区水位预测模型，有利于提高预测精度。水库水位受水库上游来流、区间产流、库区演变以及水库蓄放过程等因素影响，相关影响关系复杂，如何建立一种能综合考虑上述影响因子的水库水位预测模型，目前尚未有一种高效的方法。
[0004]目前，为准确预测水库水位，曲耀光提出利用水量平衡原理对胡泊水位进预测，由于水量平衡方法无法有效考虑河道型水库动库容对水位的影响，应用于水库水位预测结果往往较差，且一般只能预测水库坝前水位，无法预测水库库区断面水位。刘威等提出了一致基于长短期记忆(LSTM)网络的时间序列模型，对水库水位进行预测，由于该模型效果对样本要求较高，而河道型水库影响因素较多，往往难以获取满足模型要求的样本，从而影响了水位预测的效果。
[0005]由于河道型水库水位过程主要受干流、区间来水，水库出流、河道地形等影响，从水位的主要影响因素出发，优选合理的预测方法，建立考虑影响水库水位的主要因素的预测模型具有重要意义。随着水文、计算机等技术的不断发展，水雨情、地形数据的逐步丰富完善、精准，利用水文、水力学方法对河道型水库库区水位进行准确预测已成为可能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种水文
‑
水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，以拓展当前水库水位，特别是河道型水库水位预测的方法，能够结合水库库区不同区域产汇流特性，分别建立相应的水文、水动力学预测模型，在对上述模型的预测精度进行评价的基础上，最终构建适用于水库，特别是河道型水库水位预测的水文
‑
水力学耦合模型。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种水文
‑
水动力学耦合的河
道型水库调洪演算方法，它包括以下步骤：
[0008]步骤1、根据河道型水库区间产汇流特性，将区间进一步划分为不同的产汇流单元，选用合适水文模型并对参数进行率定；
[0009]步骤2、用水文学方法将控制站流量演算至库尾回水末端；用水文模型将区间流量演算至水库河道干流交汇处；
[0010]步骤3、以库尾回水末端流量过程、水库河道汇入点各区间流量过程、出库流量过程为输入，采用水力学方法，对流量进行演算，输出水库区间沿程站点水位，并用实测数据对水力学模型参数进行率定。
[0011]进一步地，所述步骤1具体为：
[0012]步骤1.1、区间子分区划分：在建立区间水文预报模型时，首先基于流域DEM推求流域流水网；为了在流域水文模拟中考虑流域降雨及下垫面水文特性的空间差异，再利用ArcGIS软件按给定集水面积的阈值，对流域水网进行单元面积的划分；在此基础上，结合流域下垫面产汇流特性和流域站网情况，在同一流水网合并产汇流特性相似的单元，最终将区间划分为m个子分区；利用GIS空间分析功能，以数字高程模型为基础，提取流域下垫面特征值，分析地形对径流过程的作用，为流域水文模型参数率定提供定量依据；
[0013]步骤1.2、构建预报方案：在构建预报方案时，基于GIS自动提取或人工给定模型相关的信息，包括集水面积、引用蒸发站、面雨量计算所引用的雨量站点及其计算权重、下游出口站点信息；对于河道汇流模型，提取河道上下游断面、区间入流点、河道平均汇流时间；根据河流的自然流向，沿程建立各流域产汇流分区间的水力联系，重构分区间拓扑，使上下游、左右岸的水系链接基本符合天然水系状态，并以此建立水文模拟分区间的水力联系；
[0014]步骤1.3、模型参数率定：根据流域特性对蒸散发和产、汇流等相关参数及状态变量提供初始值；然后作次洪模型参数调试，确定模型参数；若区间流域为无资料地区，则通过移用相邻区域参数，再结合检验洪水过程对参数进行调整；河道演算部分采用分段的马斯京根法，对模型参数的率定分为两部分进行：首先进行河段的模型参数率定，然后再进行河系连续演算，将干流河段率定的参数进行再检验，评判区间降雨径流模型参数的合理性；完成方案构建与模型参数率定后，对整个流域洪水预报方案进行整体计算，进一步评价预报方案的精度，评价合格的方案可进行实际的作业预报。
[0015]进一步地，所述步骤2具体为：
[0016]河道演算：采用马斯京根法将第n个入库控制站流量演算至汇入点得到流量Q
n,
，
[0017]Q
n
＝C
n,0
I
n,2
+C
n,1
I
n,1
+C
n,2
Q
n,1
，C
n,0
+C
n,1
+C
n,2
＝1
[0018]其中：I
n,1
、I
n,2
分别为计算时段始、末的入流量，m3/s；Q
n
、Q
n，1
分别为计算时段始、末的出流量，m3/s；
[0019]C
n，0
、C
n，1
、C
n，2
均为权重系数，x为流量比重因素，Δt为计算时长；K为蓄量常数；
[0020]区间产汇流计算：利用步骤1的模型，对区间各子区域产汇流进行计算，得到子区间流量q
m
。
[0021]进一步地，所述步骤3具体为：
[0022]步骤3.1建立库区洪水演进模型：
[0023]3.1.1建立河道水流运动方程：
[0024]模型计算选用的描述水流运动的基本方程为：
[0025]水流连续方程
[0026]水流运动方程
[0027]式中：角标i为断面号；Q
n
为流量；Z为水位；A为过水面积；q
m
为侧向入流量；t为时间；x为沿流程坐标；K为断面流量模数；
[0028]3.1.2建立汊点连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水文
‑
水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤1、根据河道型水库区间产汇流特性，将区间进一步划分为不同的产汇流单元，选用合适水文模型并对参数进行率定；步骤2、用水文学方法将控制站流量演算至库尾回水末端；用水文模型将区间流量演算至水库河道干流交汇处；步骤3、以库尾回水末端流量过程、水库河道汇入点各区间流量过程、出库流量过程为输入，采用水力学方法，对流量进行演算，输出水库区间沿程站点水位，并用实测数据对水力学模型参数进行率定。2.根据权利要求1所述的一种水文
‑
水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，其特征在于：所述步骤1具体为：步骤1.1、区间子分区划分：在建立区间水文预报模型时，首先基于流域DEM推求流域流水网；为了在流域水文模拟中考虑流域降雨及下垫面水文特性的空间差异，再利用ArcGIS软件按给定集水面积的阈值，对流域水网进行单元面积的划分；在此基础上，结合流域下垫面产汇流特性和流域站网情况，在同一流水网合并产汇流特性相似的单元，最终将区间划分为m个子分区；利用GIS空间分析功能，以数字高程模型为基础，提取流域下垫面特征值，分析地形对径流过程的作用，为流域水文模型参数率定提供定量依据；步骤1.2、构建预报方案：在构建预报方案时，基于GIS自动提取或人工给定模型相关的信息，包括集水面积、引用蒸发站、面雨量计算所引用的雨量站点及其计算权重、下游出口站点信息；对于河道汇流模型，提取河道上下游断面、区间入流点、河道平均汇流时间；根据河流的自然流向，沿程建立各流域产汇流分区间的水力联系，重构分区间拓扑，使上下游、左右岸的水系链接基本符合天然水系状态，并以此建立水文模拟分区间的水力联系；步骤1.3、模型参数率定：根据流域特性对蒸散发和产、汇流等相关参数及状态变量提供初始值；然后作次洪模型参数调试，确定模型参数；若区间流域为无资料地区，则通过移用相邻区域参数，再结合检验洪水过程对参数进行调整；河道演算部分采用分段的马斯京根法，对模型参数的率定分为两部分进行：首先进行河段的模型参数率定，然后再进行河系连续演算，将干流河段率定的参数进行再检验，评判区间降雨径流模型参数的合理性；完成方案构建与模型参数率定后，对整个流域洪水预报方案进行整体计算，进一步评价预报方案的精度，评价合格的方案可进行实际的作业预报。3.根据权利要求1所述的一种水文
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水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，其特征在于：所述步骤2具体为：河道演算：采用马斯京根法将第n个入库控制站流量演算至汇入点得到流量Q
n,
，Q
n
＝C
n,0
I
n,2
+C
n,1
I
n,1
+C
n,2
Q
n,1
，C
n,0
+C
n,1
+C
n,2
＝1其中：I
n,1
、I
n,2
分别为计算时段始、末的入流量，m3/s；Q
n
、Q
n，1
分别为计算时段始、末的出流量，m3/s；C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒卫民，郭乐，李鹏，鲍正风，王祥，阮燕云，冯志州，田锐，梁志明，赵建华，侯杰，
申请(专利权)人：中国长江电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：