CN101964020B - 一种江河流域水动力模型取水量的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种江河流域水动力模型取水量的预测方法。本发明所述方法可以用于在缺少实际测量值的情况下模拟真实取水值。该方法包括预测时间段选取，预测地理范围选取以及取水量预测计算方法。这一取水量预测方法的提出，可以为水动力学模型迅速有效的拟合出模型计算中未知的取水参数，具有精度高、误差小等特点，解决了监测获取实时、准确的取水量取值的难题。应用本发明所述方法得出的取水量用于水动力学模型计算得出的河流水位误差小于1％，流量误差小于15％。

Description

一种江河流域水动力模型取水量的预测方法

技术领域

本发明涉及一种针对流域水动力模型取水参数进行预测的方法，即在取水量未知的情况下可以利用该方法对参数进行预测，从而将其作为水动力模型的取水参数进行水位、水量等的计算。

背景技术

流域水动力模型中的取水参数与水动力模型计算密切相关。最准确以及理想的取水参数应该是实际的流域范围内所有取水统计。上述理想条件下的取水监测与统计值不论是通过日常监测获取还是在突发污染的情况下获取都具有一定难度，通过监测得到确切取水量同样是行不通的。同时依据流域自身物理因素的特殊性以及水动力预测的时效性，水动力模型在进行计算时要求取水参数必须符合或者最接近实际的取水情况。现有的取水参数的确定往往凭借科研工作者的经验，假设为一个特定数值，或者更为原始的直接采用特殊符号表示。

发明内容

本发明的目的在于当所需结果对模拟计算的精确度要求不高的前提下，提供一种简单、快速、有效且可靠的取水预测方法，为流域水动力模型计算提供所需的取水参数。

本发明的技术方案如下：

1)选取两个相邻的时间段，分别为t0-t1段和t1-t2段，两个相邻的时间段前者是进行取水预测的流域，后者是进行实际计算的流域；

2)假定河段内各点处取水为零，在取水参数为零这一理想条件下，进行的水动力模型计算，得出无损耗的水体演进的流量结果；

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂Q}{\∂x}+\frac{\∂A}{\∂t}=q\\ \frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}(\∝\frac{Q^2}{A})+\mathrm{gA}\frac{\∂h}{\∂x}+\frac{\mathrm{gQ}\left|Q\right|}{C^2\mathrm{AR}}=0\end{array}\right.$

其中，

x空间步长；t时间步长；Q流量；h水位；A截面面积；q单位长度旁侧入流；C糙率；R水力半径；

3)根据沿流域水文监测站提供的实际测量的流量监测值，与步骤3)中计算得出的流量结果进行差值运算，所得差值即为t0-t1段进行取水预测该河流范围的总取水量；

4)假设取水均匀分布在该河流流域，利用线性插值法计算各观测站点的取水量值；

5)在理想条件下对t0-t1段进行取水的预测值即为t1-t2段实际计算时所需的取水值。

利用上述方法得出的流域取水量，即为进行下一时间段的河流水动力模型计算的取水量的输入参数。

利用本发明所述方法得到的取水信息进行计算得出的水文数据，河流水位误差小于1％，流量误差小于15％。

本发明所述方法可以用于在缺少实际测量值的情况下模拟真实取水值。这一取水量预测方法的提出，可以为水动力学模型迅速有效的拟合出模型计算中未知的取水参数，具有精度高、误差小等特点，解决了监测获取实时、准确的取水量取值的难题。应用本发明所述方法得出的取水量用于水动力学模型计算得出的河流水位误差小于1％，流量误差小于15％。

附图说明

图1为本发明所述方法基本原理示意图。

图2为本发明所述取水预测方法实施例监测站实际监测曲线。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，我们将进行实际计算的流域记作t1-t2段，同时取实际计算时间段t1-t2前面的一段作为取水预测段，记作t0-t1。本发明的特点和显著的进步在于所述的方法利用欲进行模型计算时间段的相邻前一时间段的取水信息最为接近这一特点，只要能预测出前一时间段的取水即可。

参照图2所示，所述取水预测的方法要求相邻的前一时间段必须有实际的水文监测数据，图中所示黄河下游段从花园口到利津七大水文站之间均分布有基本的水文监测站，站点的监测数据的频率为24小时。

本发明的特点和显著的进步在于所述的方法利用相邻前一时间段与欲进行模型计算时间段的取水信息最为接近这一特点，只需计算出前一时间段的取水量即可。参照图1所示，选取两个相邻的时间段，要求两个时间段的时间相同，后一个时间段是取水预测时间段。

所述取水预测的方法要求相邻的前一时间段提供实际的水文监测数据。参照图2所示，在实际应用中应确定流域有基本的水文监测站，并且在一定的时间周期内有监测数据。具体方式分四步进行：

1)根据河流的特征给出该河流流域的水动力学模型。该模型由研究该河流流域的专家给出，不同的河流甚至不同的流域区间具有不同的动力性模型。

2)选取两个相邻的时间段，要求两个时间段的时间相同，后一个时间段是取水预测时间段。

3)假定河段内各点处取水为零(包括取水量和入水量相对平衡的情况)，在取水参数为零这一理想条件下，进行的水动力模型计算，得出无损耗的水体演进的流量结果。

4)根据沿流域水文监测站提供的实际测量的流量监测值，与3)中计算得出的流量结果进行差值运算，所得差值即为预测时间段内该河流范围的总取水量。

5)假设取水均匀分布在该河流流域，利用线性插值法计算各观测站点的取水量值。

6)再将上述得到的取水预测结果带入水动力学模型进行计算，需要实测数据进行数据验证，来对所述方法的正确性、准确性、可靠性进行验证。

实施例

下面是发明人给出的一个实例，但本发明不限于这个实例。

在本实例中，进行取水预测的时间段长度选取为250个小时，因为本实例河段黄河下游总长为750多公里，流速约1m/s，那么在250个小时内即可完成从上游到下游的流动，覆盖了黄河下游的所有取水范围。

本实例所用流域水动力学模型为圣维南方程组(de Saint-Venant system ofequations)。

从表一可以看出利用所述取水预测方法得到的取水参数取值进行模型计算得到的水位误差与利用商业模型MIKE11计算后的水位误差比较。

表一确定时间的水位预测误差

从表二可以看出利用所述取水预测方法得到的取水参数取值进行模型计算后得到的流量误差与利用商业模型MIKE11计算后的流量误差比较。

表二确定时间的流量预测误差

最后的平均误差如表三所示，水位平均误差为0.1％，流量平均误差为13.7％，都比MIKE11误差小。

表三夹河滩取水预测的平均误差

Claims (1)

1.一种江河流域水动力模型取水量的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取两个相邻的时间段，分别为t0-t1段和t1-t2段，两个相邻的时间段前者是进行取水预测的流域，后者是进行实际计算的流域；

2)假定河段内各点处取水为零，在取水参数为零这一理想条件下，进行的水动力模型计算，得出无损耗的水体演进的流量结果：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂Q}{\∂x}+\frac{\∂A}{\∂t}=q\\ \frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(x\frac{Q^2}{A}\right)+\mathrm{gA}\frac{\∂h}{\∂x}+\frac{\mathrm{gQ}\left|Q\right|}{C^2\mathrm{AR}}-o\end{array}\right.;$

其中，

x空间步长；t时间步长；Q流量；h水位；A截面面积；q单位长度旁侧入流；C糙率；R水力半径；

3)根据沿流域水文监测站提供的实际测量的流量监测值，与步骤2)中计算得出的流量结果进行差值运算，所得差值即为t0-t1段进行取水预测该河流范围的总取水量；

4)假设取水均匀分布在该河流流域，利用线性插值法计算各观测站点的取水量值；

5)在理想条件下对t0-t1段进行取水的预测值即为t1-t2段实际计算时所需的取水值。

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