CN104594280A - 一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法。该方法采用计算机作为辅助手段按如下步骤进行：1、获取径流过程和灌溉用水过程原始数据；2、径流过程和灌溉用水过程数据的处理与特征值提取；3、各设计频率年径流和年灌溉用水量计算；4、径流过程和灌溉用水过程原始数据年内分配率计算；5、径流过程和灌溉用水过程长序列随机模拟生成。本发明实现了径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟，以时历法进行径流调节计算，计算成果具有概念明确、推理简明，能直接算出多年调节库容，并可获得计入损失后的水库全部工作过程；避免常规方法对实测径流资料统计特征值反映不充分和不能提高序列的可信程度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法，属于水利工程的水文分析计算技术领域。
背景技术
河川径流在时间上分配不均匀，天然径流过程往往与需水过程不能吻合，往往难以满足用水部门的需要，使总水量不能充分利用。为充分利用河川径流，就需要兴建水利工程，人为地将天然径流在时间上重新分配，以满足各水利部门对水量的需要。兴建的水利工程供水量和调节库容规模的大小则以径流调节成果为依据。
目前径流调节方法分为‘时历法’、‘数理统计法’和‘随机模拟法’。
时历法是按按历史径流重演的假定,用实测(含插补)的径流系列,根据各部门用水的要求,进行径流调节的方法。用时历法进行多年调节计算的主要优点是概念明确、推理简明，能直接算出多年调节库容，并可获得计入损失后的水库全部工作过程。用时历法计算时，只有当系列较长时，成果才较为可靠；系列短时，则误差较大。
数理统计法进行多年调节计算可以避免因资料短缺进行时历法计算带来的误差，查算简便。计算时先通过直接或间接方法求得河川年径流的统计参数，然后绘制年径流的保证率曲线。当Cs=2Cv，固定供水时，可以直接查用普列什柯夫曲线以计算得多年库容。但对变动的灌溉供水，首先必须把它转化为固定供水，才能使用普氏曲线进行计算。此方法未考虑径流年内分配差异对供水量的影响，并且存在查用普列什柯夫曲线精确度因人而异的问题。
随机模拟法是将实测径流资料的多年变化特征概化为若干个统计特征值，然后利用各种随机变量数学模型，随机地生成任意长的年径流或月径流序列供调节计算应用，而这些随机生成的径流资料仍保持着实测资料的统计特征值。随机资料生成的目的，就是根据实测径流资料的统计特征值，利用一定的数学模型，随机地生成任意长的年径流或月径流序列，所生成的径流序列只能增加资料的长度，更多地反映各种资料出现的可能性和不同组合，存在对实测径流资料统计特征值反映不充分和不能提高序列的可信程度的问题。足够长的序列生成以后，再用时历法进行径流调节。
工程实际中，主要采用时历法进行径流调节计算；具有多年调节性能水库多采用时历法和数理统计法对比分析进行径流调节计算，数理统计法查值计算精度较差。随机模拟法理论上能够结合时历法和数理统计法的优点，但由于随机模拟模型种类繁杂，在实测径流资料统计特征值提取方面方法、重点不统一，生成的径流序列可信度易引起争议，应用较少。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法，以克服现有技术计算精度较差、模型种类繁杂、重点不统一，生成的径流序列可信度易引起争议的不足。
本发明的技术方案：
一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法，该方法采用计算机作为辅助手段按如下步骤进行：
第一步，获取径流过程和灌溉用水过程原始数据；
第二步，径流过程和灌溉用水过程数据的处理与特征值提取；
第三步，各设计频率年径流和年灌溉用水量计算；
第四步，径流过程和灌溉用水过程原始数据年内分配率计算；
第五步，径流过程和灌溉用水过程长序列随机模拟生成。
前述方法中，所述第一步中的原始数据包括分别以年、月、旬、日为时间单位采集的原始数据；原始数据按行业常规方法提取。
前述方法中，所述第二步中的特征值包括均值、Cv和Cs/Cv；按行业常规方法提取。
前述方法中，所述第三步中各设计频率年径流和年灌溉用水量是以第二步提取的特征值采用适合线型公式计算设定的序列长度各设计频率年径流和年灌溉用水量，并形设定序列的年径流和年灌溉用水量序列。
前述方法中，先计算原始序列径流过程和灌溉用水过程各年逐月（旬、日）径流量/用水量占同年年径流量和年用水量的比率。然后将计算的原始序列比率组采用重复的方式对应到所述第四步足够长的设定序列年径流和年灌溉用水量序列中。从而得到足够长设定序列历年逐月（旬、日）径流量和用水量占同年年径流量和年用水量的比率。
前述方法中，所述第四步设定序列的年径流和年灌溉用水量乘以第五步设定序列历年逐月（旬、日）径流量和用水量占同年年径流量和年用水量的比率，得到设定序列各设计年的逐月（旬、日）径流量和用水量。最后，将生成的设定序列各年径流过程和灌溉用水过程以随机的方式把次序随机组合，形成随机的设计径流和灌溉用水长序列。
与现有技术相比，本发明实现了径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟，以时历法进行径流调节计算，计算成果具有概念明确、推理简明，能直接算出多年调节库容，并可获得计入损失后的水库全部工作过程；可以避免数理统计法对变动的灌溉供水必须把它转化为固定供水和必须使用普氏曲线进行计算的问题；充分有效利用原始资料年内月（旬、日）分配率特征，避免常规方法对实测径流资料统计特征值反映不充分和不能提高序列的可信程度的问题。本发明的方法计算成果相对现有方法计算成果的合理性、精确性优势更突出。
附图说明
图1是本发明的系统流程图；
图2是本发明的径流过程和灌溉用水过程原始数据特征值提取流程图；
图3是本发明的各设计频率年径流和年灌溉用水量长序列生成示意图；
图4是本发明的径流过程和灌溉用水过程原始数据年内分配率计算示意图；
图5是本发明的径流过程和灌溉用水过程长序列随机模拟生成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
为了解决现有径流调节方法的不足，本发明提供一种生成径流序列及径流调节计算的方法，基于实测径流资料提取年径流特征值，选择拟合程度好的频率曲线模型（统计分布模型），根据选定频率曲线公式计算出序列足够长的各设计年径流量，各设计年径流量年内分配率为已有实测径流资料系列各月径流量占相应年径流量分配率的随机重复。本发明实现了径流序列生成的方法。
另外，径流调节计算涉及灌溉供水时，灌溉用水过程也用本发明方法生成灌溉用水序列。基于已计算灌溉用水资料提取年灌溉用水量特征值，选择拟合程度好的频率曲线模型（统计分布模型），根据选定频率曲线公式计算出序列足够长的各设计年径流量，各设计年灌溉水量年内分配率为已计算灌溉用水量系列各月用水量占相应年用水量分配率的随机重复。本发明实现了灌溉用水量序列生成的方法。
本发明主要就是以实测径流过程和已计算灌溉用水过程为基础，分别提取年径流量和年灌溉用水量特征值，根据选定频率曲线公式计算出序列足够长的各设计年径流量和灌溉用水量，再分别用已有径流量和灌溉水量年内分配率对各设计年进行随机分配。通过生成的长系列径流序列和灌溉用水过程序列，采用时历法进行径流调节计算，方法上具有时历法概念明确、推理简明的优点，并且充分有效提取了实测径流和灌溉用水过程包括年内分配在内的特征值。
一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法，采用计算机作为辅助手段按如下步骤进行，如图1所示：
步骤一、获取径流过程和灌溉用水过程原始数据。
包括分别以年、月、旬、日为时间单位的原始数据，原始数据资料序列长度，原始资料为日历年还是水文年，原始资料丰半年、枯半年起始月份划分。
步骤二、径流过程和灌溉用水过程数据的处理与特征值提取。
提取径流过程和灌溉用水过程数据的均值、Cv、Cs/Cv，提取的方法可以是矩法、优选法计算或人工适线。
说明：国际上关于线型的选用差别很大，常用的线型达20余种之多，包括极值Ⅰ和Ⅱ型分布、广义极值分布（GEV）、对数正态分布（L—N）、皮尔逊Ⅲ型分布（P—Ⅲ）及对数皮尔逊Ⅲ型分布等。在我国，20世纪60年以来，通过对我国水文径流（包括洪水）资料验证，认为皮尔逊Ⅲ型能较好拟合我国大多数河流的径流系列。此后，我国径流频率分析一直采用皮尔逊Ⅲ型曲线。本发明采用的线型为皮尔逊Ⅲ型曲线。另外，工作实际中灌溉用水过程也采用皮尔逊Ⅲ型曲线。
步骤三、各设计频率年径流和年灌溉用水量计算。
根据提取径流过程和灌溉用水过程数据的特征值以采用的线型公式计算各设计频率年径流和年灌溉用水量，并形成足够长的年径流和年灌溉用水量序列。
步骤四、径流过程和灌溉用水过程原始数据年内分配率计算。
统计径流过程和灌溉用水过程原始数据历年逐月（旬、日）径流量和用水量占同年年径流量和年用水量的比率。
步骤五、径流过程和灌溉用水过程长序列随机模拟生成。
用已有径流过程和灌溉用水过程历年逐月（旬、日）径流量和用水量占同年年径流量和年用水量的比率乘以计算的各设计频率年径流和年灌溉用水量，得到各设计年的逐月（旬、日）径流量和用水量。最后，将生成的各年径流过程和灌溉用水过程以随机的方式把次序随机组合，形成随机的设计径流和灌溉用水长序列。
说明：为了均等体现已有径流过程和灌溉用水过程历年逐月（旬、日）径流量和用水量分配率特征，采用线型公式计算的设计频率年径流和年灌溉用水量序列长度是已有资料序列长度的整数倍。
实施例
本实例选取某具有多年调节性能的供水、灌溉水库径流调节计算作为实例进行说明，具体实现过程如下：
一、工程资料
水库工程是向县城供水，同时兼顾灌溉。水库工程水库正常蓄水位1220.00m，正常蓄水位以下库容1487m
3
，总库容1608m
3
，死水位1175.00 m，死库容96.3万m
3
，兴利库容1390.7m
3
，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。设计总灌溉面积7658亩，多年平均年灌溉用水量293万m
3
，设计保证率P=80%年灌溉用水量319万m
3
。县城供水保证率P=95%
3
，并全年均匀下放环境水量202.5万m
3
。
工程采用的入库径流系列为1961～2009年共48年（水文年）的逐月（5～8月逐旬）平均径流量；工程采用的灌溉用水过程为1961～2009年共48年（水文年）的逐月（5～8月逐旬）平均用水量。
二、特征值提取
根据贵州省工程实际，采用P—Ⅲ型曲线对入库径流过程和灌溉用水过程数据进行特征值提取。提取的入库年径流和年灌溉用水特征值如下：
三、各设计频率年径流和年灌溉用水量计算
工程原始资料序列长度为48年，对原始资料序列延长300倍，使之拥有48×300=14400年的资料序列。根据P—Ⅲ型曲线公式和提取特征值计算得各设计频率年径流和年灌溉用水量如下：
四、原始资料年内分配率计算
根据工程1961～2009年共48年（水文年）的逐月（5～8月逐旬）平均径流量资料（见附后的表1），用逐月（5～8月逐旬）平均径流量除以相应年份年径流量，得到历年逐月（5～8月逐旬）平均径流量占相应年份年径流量的百分比（见附后的表2）；根据工程1961～2009年共48年（水文年）的逐月（5～8月逐旬）平均灌溉用水量资料（见附后的表3），用逐月（5～8月逐旬）平均灌溉用水量量除以相应年份年灌溉用水量，得到历年逐月（5～8月逐旬）平均灌溉用水量占相应年份年灌溉用水量的百分比（见附后的表4）。
五、径流过程和灌溉用水过程长序列随机模拟生成
历年逐月（5～8月逐旬）平均径流量占相应年份年径流量的百分比乘以各设计频率年径流，得到设计年径流量对应的历年逐月（5～8月逐旬）年内径流分配过程（表5）；将表5以水文年为单元对序列随机排列，随机模拟生成径流过程长序列（表6）；历年逐月（5～8月逐旬）平均灌溉用水量占相应年份年灌溉用水量的百分比乘以各设计频率年灌溉用水量，得到设计年灌溉用水量对应的历年逐月（5～8月逐旬）年内灌溉用水分配过程（表7）；将表7以水文年为单元对序列随机排列，随机模拟生成灌溉用水过程长序列（表8）。
六、以时历法进行径流调节计算
工程径流过程、灌溉用水过程、调节库容、下放环境水量、灌溉用水保证率P=80%，供水保证率P=95%等条件已经获得。采用时历法计算成果为：水库工程水库正常蓄水位1220m，正常蓄水位以下库容1487m3，死库容96.3万m
3
，兴利库容1390.7m
3
，全年均匀下放环境水202.5万m
3
的前提下，满足P=80%年灌溉用水量319万m
3
的同时可向县城供水1101.2万m
3
。
以原1961～2009年共48年资料系列同等条件下采用时历法计算得县城供水量1108.4万m
3
；以原1961～2009年共48年资料系列同等条件下采用数理统计法计算得县城供水量1115万m
3
。本发明方法计算成果相对现有方法计算成果的合理性、精确性优势更突出。
Claims (6)
1. 一种径流过程和灌溉用水过程长序列的随机模拟方法，其特征在于：该方法采用计算机作为辅助手段按如下步骤进行：
第一步，获取径流过程和灌溉用水过程原始数据；
第二步，径流过程和灌溉用水过程数据的处理与特征值提取；
第三步，各设计频率年径流和年灌溉用水量计算；
第四步，径流过程和灌溉用水过程原始数据年内分配率计算；
第五步，径流过程和灌溉用水过程长序列随机模拟生成。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述第一步中的原始数据包括分别以年、月、旬、日为时间单位采集的原始数据；原始数据按行业常规方法提取。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：所述第二步中的特征值包括均值、Cv和Cs/Cv；按行业常规方法提取。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：所述第三步中各设计频率年径流和年灌溉用水量是以第二步提取的特征值采用适合线型公式计算设定的序列长度各设计频率年径流和年灌溉用水量，并形设定序列的年径流和年灌溉用水量序列。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：先计算原始序列径流过程和灌溉用水过程各年逐月（旬、日）径流量/用水量占同年年径流量和年用水量的比率，
然后将计算的原始序列比率组采用重复的方式对应到所述第四步足够长的设定序列年径流和年灌溉用水量序列中，
从而得到足够长设定序列历年逐月（旬、日）径流量和用水量占同年年径流量和年用水量的比率。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述第四步设定序列的年径流和年灌溉用水量乘以第五步设定序列历年逐月（旬、日）径流量和用水量占同年年径流量和年用水量的比率，得到设定序列各设计年的逐月（旬、日）径流量和用水量，最后，将生成的设定序列各年径流过程和灌溉用水过程以随机的方式把次序随机组合，形成随机的设计径流和灌溉用水长序列。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150506 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |