CN106383997A - 一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，包括以下步骤：步骤1，收集进出口边界水位流量、库区干支流河道断面及库区各小支流流域面积资料；步骤2，建立三峡水库干支流河道一维非恒定流水动力学模型；步骤3，首先对库区各入汇小支流日均流量均固定给一个假设值，然后采用建立的水动力学模型进行库区水流输移计算，将日出库流量过程计算值与实测值的偏小值分配到库区各入汇小支流上，从而得到区间各小支流入流过程值；步骤4，对计算得到的区间各小支流入流过程中的部分时刻值进行手动修正。本发明的反推三峡水库区间入流过程的计算方法能够同时解决区间入流的总量、过程和空间分布问题，计算精度高，可为水库调度提供技术支撑。

Description

一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法。

背景技术

三峡水库库区长度超过700km，区间支流众多，除嘉陵江和乌江来流外仍然存在着较大的区间流量。以三峡水库干支流入库控制站干流朱沱站、支流嘉陵江北碚站和支流乌江武隆站三站实测资料为基础统计，三峡库区的区间流量占出口宜昌站流量的百分比：60年代系列为12.2％；90年代系列为13.3％；2003～2013年为出口黄陵庙站流量的9.1％。区间流量往往会集中汇入，其影响不容忽视，在非恒定流计算中必须考虑区间流量的汇入。

现有技术中一种是不考虑区间入流，另一种是区间入流按月给固定值，该固定值的年均值根据所选流量过程的年均进出库差值确定。现有技术存在的不足包括：无法反映出每年进出库流量之间的差异、区间入流的年内分配比例是固定的且缺乏依据、区间入流没有考虑水库运用后库内蓄水量的不断变化对进出库流量的影响、无法反映每天或每场洪水的区间入流变化等。现有技术由于区间入流计算的误差较大，会降低水库实时调度的精度，给水库实时调度和精细调度造成很大不便。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，能够解决现有技术区间入流总量、过程和空间分布计算精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，它包括以下步骤：

步骤1，收集三峡水库进出口边界水位流量、库区干支流河道断面及库区各小支流流域面积资料；

步骤2，建立三峡水库干支流河道一维非恒定流水动力学模型；

步骤3，首先对库区各入汇小支流日均流量均固定给一个假设值，然后采用建立的水动力学模型进行库区水流输移计算，将日出库流量过程计算值与实测值的偏小值按流域面积比例分配到库区各入汇小支流上，从而得到区间各小支流入流过程值；

步骤4，对计算得到的三峡水库区间各小支流入流过程中的部分时刻值进行手动修正。

所述步骤1中，需要收集的资料包括干流朱沱站、支流嘉陵江北碚站、支流乌江武隆站流量过程，坝址处的水位流量关系或者坝前实测水位过程，宜昌水文站或者黄陵庙水文站实测流量过程值，三峡水库库区干支流河道断面及库区各小支流流域面积。

步骤2中所建模型方程为:

水流连续方程:

水流运动方程:

汊点流量连接方程

汊点水位连接方程

式中：角标i为断面号；Q为流量；A为过水面积；t为时间；x为沿流程坐标；Z为水位；K为断面流量模数；B为断面宽度；Ω为汊点的蓄水量；

计算范围为干流朱沱—三峡坝址，长760km，考虑嘉陵江、乌江、綦江、木洞河、大洪河、龙溪河、渠溪河、龙河、小江、梅溪河、大宁河、沿渡河、清港河、香溪河共十四条支流；计算进口边界中干流朱沱站、支流嘉陵江北碚站、支流乌江武隆站采用实测流量过程，对于三峡水库蓄水运用前流量过程，计算出口边界采用坝址处的水位流量关系控制，实测出库流量过程采用坝下游宜昌水文站实测流量过程值，对于三峡水库蓄水运用后流量过程，计算出口边界采用坝前实测水位过程控制，实测出库流量过程采用坝下游黄陵庙水文站实测流量过程值。

所述步骤3中，采用三级解法对水流方程进行求解，首先对水流方程(1)和(2)采用普列斯曼的四点隐式差分格式进行离散，可得差分方程如下：

$B_{i1}{Q}_i^{n+1}+B_{i2}{Q}_{i+1}^{n+1}+B_{i3}{\mathrm{Zs}}_i^{n+1}+B_{i4}{\mathrm{Zs}}_{i+1}^{n+1}=B_{i5}---\left(5\right)$

$A_{i1}{Q}_i^{n+1}+A_{i2}{Q}_{i+1}^{n+1}+A_{i3}{\mathrm{Zs}}_i^{n+1}+A_{i4}{\mathrm{Zs}}_{i+1}^{n+1}=A_{i5}---\left(6\right)$

式中系数均按实际条件推导得出；

假设某河段中有m个断面，将该河段中通过差分得到的微段方程(5)和(6)依次进行自相消元，再通过递推关系式将未知数集中到汊点处，即可得到该河段首尾断面的水位流量关系：

Q₁＝α₁+β₁Zs₁+δ₁Zs_m (7)

Q_m＝θ_m+η_mZs₁+γ_mZs_m (8)

式中系数α₁,β₁,δ₁,θ_m,η_m,γ_m由递推公式求解得出；

将纳入计算范围的三峡水库干支流河道作为一个整体给出边界条件，各干支流进口给流量过程，模型出口给水位过程或流量过程。将边界条件和各河段首尾断面的水位流量关系带入汊点连接方程(3)和(4)，就可以建立起以三峡水库干支流河道各汊点水位为未知量的代数方程组，求解此方程组得各汊点水位，利用方程(7)和(8)逐步回代可得到各河段端点流量，然后按照单一河道求解方法采用追赶法求出各单一河段内部的各断面水位和流量；

库区綦江、木洞河等小支流日均流量均首先固定给一个很小的假设值如10m³/s，当某日出库流量的模型计算值大于实测值时，各小支流日均流量继续采用假设小值10m³/s，而当某日出库流量的模型计算值小于实测值时，则将二者的差值根据各小支流流域面积按比例分配到各入汇小支流上，然后将计算得到的各小支流流量过程输出来作为初步得到的区间各小支流入库流量过程值。

所述步骤4中，采用步骤3初步计算得到的各小支流流量过程再次进行库区水流输移计算，将每年的出库流量过程计算值与实测值画在EXCEL图中进行流量过程线对比，对流量过程线中少部分差别较大的时刻点，手动进行各入库小支流流量修正，使得流量过程线的计算值与实测值的相位和大小能够吻合的更好，另外，各年入库水量在扣除水库蓄水量变化之后与实测出库水量相比，其变化值一般均控制在1％以内，水库蓄水量变化根据库水位变化通过水位库容曲线直线插值得到。

本发明的有益效果是：本发明可克服现有技术存在的不足，本发明能够实现区间入流总量、过程和空间分布的准确计算，可提高水库调蓄计算的精度，为水库实时调度和精细调度提供技术支撑，本发明方法同样适用于其他大型河道型水库区间入库流量的反推计算。

附图说明

图1是三峡水库库区干支流河道及水文站位置图；

图2是本发明一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法流程图；

图3是三峡水库水位库容曲线图；

图4是区间流量改进前三峡水库出库流量计算结果与实测结果比较图

图5是区间流量改进后三峡水库出库流量计算结果与实测结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一的具体步骤如下：

步骤1，收集三峡水库建库后2009年入库站干流朱沱站、嘉陵江北碚站、乌江武隆站日均流量过程资料，出库站黄陵庙站2009年日均流量过程资料，2009年坝前实测水位过程资料，2008年年底库区干支流河道断面资料及库区各小支流流域面积资料；

步骤2，根据所收集的资料，建立三峡水库干支流河道一维非恒定流水动力学模型，模型为一树状河网模型，模型基本方程为圣维南方程，首先采用普列斯曼的四点隐式差分格式对模型基本方程进行离散，然后采用三级解法对水流方程进行求解，具体方法如下：

水流连续方程:

水流运动方程:

汊点流量连接方程

汊点水位连接方程

式中：角标i为断面号；Q为流量；A为过水面积；t为时间；x为沿流程坐标；Z为水位；K为断面流量模数；B为断面宽度；Ω为汊点的蓄水量；

采用三级解法对水流方程进行求解，首先对水流方程(1)和(2)采用普列斯曼的四点隐式差分格式进行离散，可得差分方程如下：

$B_{i1}{Q}_i^{n+1}+B_{i2}{Q}_{i+1}^{n+1}+B_{i3}{\mathrm{Zs}}_i^{n+1}+B_{i4}{\mathrm{Zs}}_{i+1}^{n+1}=B_{i5}---\left(5\right)$

$A_{i1}{Q}_i^{n+1}+A_{i2}{Q}_{i+1}^{n+1}+A_{i3}{\mathrm{Zs}}_i^{n+1}+A_{i4}{\mathrm{Zs}}_{i+1}^{n+1}=A_{i5}---\left(6\right)$

式中系数均按实际条件推导得出；

假设某河段中有m个断面，将该河段中通过差分得到的微段方程(5)和(6)依次进行自相消元，再通过递推关系式将未知数集中到汊点处，即可得到该河段首尾断面的水位流量关系：

Q₁＝α₁+β₁Zs₁+δ₁Zs_m (7)

Q_m＝θ_m+η_mZs₁+γ_mZs_m (8)

式中系数α₁,β₁,δ₁,θ_m,η_m,γ_m由递推公式求解得出；

将纳入计算范围的三峡水库干支流河道作为一个整体给出边界条件，各干支流进口给流量过程，模型出口给水位过程或流量过程。将边界条件和各河段首尾断面的水位流量关系带入汊点连接方程(3)和(4)，就可以建立起以三峡水库干支流河道各汊点水位为未知量的代数方程组，求解此方程组得各汊点水位，利用方程(7)和(8)逐步回代可得到各河段端点流量，然后按照单一河道求解方法采用追赶法求出各单一河段内部的各断面水位和流量。

步骤3，库区各入汇小支流綦江、木洞河、大洪河、龙溪河、渠溪河、龙河、小江(支流小江又包含南河、东河、普里河、彭河等支流)、梅溪河、大宁河、沿渡河、清港河、香溪河日均流量均给定一个10m³/s的假设值，然后采用建立的水动力学模型进行库区水流输移计算，在模型中将日出库流量过程计算值与实测值的偏小值分配到库区各入汇小支流上。模型计算中，当某日出库流量的模型计算值大于实测值时，各小支流日均流量继续采10m³/s，而当某日出库流量的模型计算值小于实测值时，则将二者的差值根据各小支流流域面积按比例分配到各入汇小支流上，然后将计算得到的各小支流流量过程输出来作为初步得到的区间各小支流入库流量过程值。日出库流量过程实测值为坝下游黄陵庙站2009年日均流量过程值。

步骤4，根据步骤3中计算得到的区间各小支流日均流量过程初步结果，再次采用三峡水库干支流河道一维非恒定流水动力学模型进行库区水流输移计算，将计算得到的2009年出库流量过程与实测的黄陵庙站2009年流量过程进行比较，比较后发现2009年8月31日出库流量计算值偏大约1400m³/s，8月31日各小支流流量均为10m³/s，而8月30日各小支流流量均大于10m³/s，因此手动将8月30日各小支流流量全部缩小为原来的一半，重新计算后发现8月31日出库流量计算值与实测值的误差缩小到了500m³/s以内，出库流量计算值和实测值的过程线吻合较好。采用修正后的区间小支流入流过程后入库总水量与黄陵庙站实测出库水量相比偏大32.6亿m³，2009年12月31日水位为167.71m，比2009年1月1日的库水位167.49m略高，采用水位库容曲线(见图2)插值得到蓄水量增加了1.93亿m³。扣除水库蓄水量1.93亿m³后，2009年入库水量比实测值偏多26.5亿m³，相对偏多0.69％，而不考虑区间入流时，入库流量偏小与实测值相比偏小9.3％。可见，通过反推求出区间入流后，三峡水库入库水量与实测值相比更加接近了(见图3、图4)。从总的效果来看，本发明实现了三峡水库区间入流总量、过程和空间分布的准确计算。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，收集三峡水库进出口边界水位流量、库区干支流河道断面及库区各小支流流域面积资料；

步骤2，建立三峡水库干支流河道一维非恒定流水动力学模型；

步骤3，首先对库区各入汇小支流日均流量均固定给一个假设值，然后采用建立的水动力学模型进行库区水流输移计算，将日出库流量过程计算值与实测值的偏小值按流域面积比例分配到库区各入汇小支流上，从而得到三峡水库区间各小支流入流过程值；

步骤4，对计算得到的三峡水库区间各小支流入流过程中的部分时刻值进行手动修正。

2.根据权利要求1所述的一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，需要收集的资料包括干流朱沱站、支流嘉陵江北碚站、支流乌江武隆站流量过程，坝址处的水位流量关系或者坝前实测水位过程，宜昌水文站或者黄陵庙水文站实测流量过程值，三峡水库库区干支流河道断面及库区各小支流流域面积。

3.根据权利要求1所述的一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，其特征在于，步骤2中所建模型方程为:

水流连续方程:

水流运动方程:

汊点流量连接方程

汊点水位连接方程

式中：角标i为断面号；Q为流量；A为过水面积；t为时间；x为沿流程坐标；Z为水位；K为断面流量模数；B为断面宽度；Ω为汊点的蓄水量；

计算范围为干流朱沱—三峡坝址，长760km，考虑嘉陵江、乌江、綦江、木洞河、大洪河、龙溪河、渠溪河、龙河、小江、梅溪河、大宁河、沿渡河、清港河、香溪河共十四条支流；计算进口边界中干流朱沱站、支流嘉陵江北碚站、支流乌江武隆站采用实测流量过程，对于三峡水库蓄水运用前流量过程，计算出口边界采用坝址处的水位流量关系控制，实测出库流量过程采用坝下游宜昌水文站实测流量过程值，对于三峡水库蓄水运用后流量过程，计算出口边界采用坝前实测水位过程控制，实测出库流量过程采用坝下游黄陵庙水文站实测流量过程值。

4.根据权利要求3所述的一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，其特征在于，所述步骤3中，采用三级解法对水流方程进行求解，首先对水流方程(1)和(2)采用普列斯曼的四点隐式差分格式进行离散，可得差分方程如下：

$B_{i1}{Q}_i^{n+1}+B_{i2}{Q}_{i+1}^{n+1}+B_{i3}{\mathrm{Zs}}_i^{n+1}+B_{i4}{\mathrm{Zs}}_{i+1}^{n+1}=B_{i5}---\left(5\right)$

$A_{i1}{Q}_i^{n+1}+A_{i2}{Q}_{i+1}^{n+1}+A_{i3}{\mathrm{Zs}}_i^{n+1}+A_{i4}{\mathrm{Zs}}_{i+1}^{n+1}=A_{i5}---\left(6\right)$

式中系数均按实际条件推导得出；

假设某河段中有m个断面，将该河段中通过差分得到的微段方程(5)和(6)依次进行自相消元，再通过递推关系式将未知数集中到汊点处，即可得到该河段首尾断面的水位流量关系：

Q₁＝α₁+β₁Zs₁+δ₁Zs_m (7)

Q_m＝θ_m+η_mZs₁+γ_mZs_m (8)

式中系数α₁,β₁,δ₁,θ_m,η_m,γ_m由递推公式求解得出；

将纳入计算范围的三峡水库干支流河道作为一个整体给出边界条件，各干支流进口给流量过程，模型出口给水位过程或流量过程。将边界条件和各河段首尾断面的水位流量关系带入汊点连接方程(3)和(4)，就可以建立起以三峡水库干支流河道各汊点水位为未知量的代数方程组，求解此方程组得各汊点水位，利用方程(7)和(8)逐步回代可得到各河段端点流量，然后按照单一河道求解方法采用追赶法求出各单一河段内部的各断面水位和流量；

库区綦江、木洞河等小支流日均流量均首先固定给一个很小的假设值如10m³/s，当某日出库流量的模型计算值大于实测值时，各小支流日均流量继续采用假设小值10m³/s，而当某日出库流量的模型计算值小于实测值时，则将二者的差值根据各小支流流域面积按比例分配到各入汇小支流上，然后将计算得到的各小支流流量过程输出来作为初步得到的区间各小支流入库流量过程值。

5.根据权利要求4所述的一种反推三峡水库区间入流过程的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，采用步骤3初步计算得到的各小支流流量过程再次进行库区水流输移计算，将每年的出库流量过程计算值与实测值画在EXCEL图中进行流量过程线对比，对流量过程线中少部分差别较大的时刻点，手动进行各入库小支流流量修正，使得流量过程线的计算值与实测值的相位和大小能够吻合的更好，另外，各年入库水量在扣除水库蓄水量变化之后与实测出库水量相比，其变化值一般均控制在1％以内，水库蓄水量变化根据库水位变化通过水位库容曲线直线插值得到。