CN106934232A - 一种平原河网地区河道水量建模调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平原河网河道水量建模调控方法，属于水量调控领域。一种平原河网读取河道水量建模调控方法，包括前期历史数据查询并对采集数据进行建模，再实地验证，采集实时数据，利用采集的数据与建立的水位‑流量数学模型进行对比，然后进行数据处理，综合处理的结果，对数学模型进行率定验证，最后通过数学模型对活动溢流堰等水利工程进行模拟，通过模拟的参数来指导活动溢流堰等水利工程调控河道水量。它可以实现使用建立的数学模型在考虑影响河流流量的因素的情况下，达到对平原河网地区河道水量有效调控的目的。

Description

一种平原河网地区河道水量建模调控方法

技术领域

本发明涉及水量调控领域，更具体地说，涉及一种平原河网河道水量建模调控方法。

背景技术

生态需水量是生态系统达到某种生态水平或者维持某种生态系统平衡所需要的水量，或是发挥期望的生态功能所需要的水量，水量配置是合理的、可持续的；对于一个特定生态系统，其生态需水有一个阈值范围，具有上限值和下限值，超过上下限值都会导致生态系统的退化和破坏。平原河网地区多为经济发达、人口众多的地区，同时又是河湖密布、地势平坦低洼、易于发生洪涝灾害的地区，且在降雨量少时因人口用水过多，也容易出现缺水现象；平原河网地区的水系承担着行洪排涝、蓄水抗旱、供水、航运、造景、生态和环境等功能。然而，在城市化进程中，很多平原地区的河网水系出现了排水标准低、河道淤积、水系连通率及水面率下降、水生态环境遭到破坏等问题，需要通过编制水系规划，构建合理、安全的河网水系布局。

影响河流流量的因素：

(1)、雨水：我国及世界上大多数河流主要靠雨水补给，补给量大小及季节变化因各地气候类型而异。

(2)、冰雪融水：分为季节性积雪融水、高山永久积雪和冰川融水。

①季节性积雪融水：主要指温带、寒带地区冬季的积雪在春季融化后带来的流量。如我国东北地区河流的“春汛”现象。

②高山永久积雪和冰川融水：主要指内陆地区由于气候干燥，河流主要靠高山永久积雪和冰川融水补给，河流流量随气温变化。

(3)、地下水：地下水与河流是互补关系。洪水期，河流补给地下水;枯水期，地下水补给河流。

(4)、湖泊：与河流也是互补关系。有削减河流洪峰、补充枯水期水量的作用。

(5)、植被：植被具有涵养水源，调节水量的作用。特别是河流源头和上游山区的水源林。

(6)、人类活动：河流沿岸的工农业生产和城市居民生活用水都会影响到下游的流量。

在平原河网地区河道水量调控的时候往往忽略了流量影响因素，随着时间变长，流量影响因素累积起来影响调控的准确性。

在平原河网地区通过修筑堤防、兴建水库、建造水闸、利用蓄滞区和分洪区、建立排水系统等措施调控河道水量，但是效果一般，城市内涝与干旱现象依然存在，其中，苏州古城区中应用的活动溢流堰是一种新型的可调控溢流坝，由土建结构、带固定轴的活动溢流堰、驱动装置等组成，适用于宽度10m-100m，水位差1m-6m的河道，活动溢流堰可以直立挡水、卧倒放水，不影响游船航行安全，溢流时形成人工瀑布，具有一定的景观效果，中间可放置防生态浮床，即美化环境，又净化水质，水量调控管理是一个逐渐发展的过程，在硬件设施控制的同时还需要利用目前先进的计算机技术。

发明内容

1.要解决的技术问题

根据平原地区河网周边环境变化、季节变化，如何通过控制活动溢流堰等配水工程控制河道的流量来满足河道的生态需水量。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种平原河网河道水量建模调控方法，其步骤如下：

（1）、查询平原河网地区河网历史数据，所述历史数据更新周期为TA，进行河网水动力原型观测，对研究范围内内闸、坝、泵、涵等水利工程的分布、特性及运行状况进行调查，通过历史数据建立水位-流量数学模型并分析河网水量分配关系；

（2）、对建立的水位-流量数学模型进行验证：

S1：开始准备，分M组进行实验；

S2：每一组采集N1组水位-流量数学模型中的数据，周期为T1，导入水位-流量数学模型，更新水位-流量数学模型，所述的水位-流量数学模型中数据包括河流代码、河流名称、河道总长、水面坡降、地面坡降、河床截面积、流向、水位和流量；

S3；所述在平原河网地区实地开展N2组水位-流量原型观测试验，周期为T2，所述N1等于N2，所述T1等于T2，所述S2与S3时间间隔为TB，且TA的值等于TB的值；

S4：所述N2组每组观测试验采集水位GA和流量KA，同时分别从N1组数学模型中采集水位GB和流量KB，所述GA和GB之间的关系为GA=GB+QA+ΔA，所述QA为水位影响因素影响值，所述ΔA为水位误差，所述KA和KB之间的关系为KA=KB+QB+ΔB，所述QB为流速影响因素影响值，所述ΔB为流速误差，根据方差计算公式算出N2组QA+ΔA的方差δA和N2组QB+ΔB的方差δB，所述方差δA和δB的值越小则水位误差ΔA和流速误差ΔB越小，所述水位误差ΔA和流速误差ΔB越小则观测试验与数学模型越准确，所述观测试验与数学模型越准确则QA和QB越准确；

S5：从M组试验中选取方差δA和δB值相对最小的一组，此时ΔA和ΔB的影响最小，记录此时N1组的水位影响因素影响值分别为QA1、QA2、QA3...QAN1，记录此时N1组的流速影响因素影响值分别为QB1、QB2、QB3...QBN2；

S6：数学模型之后每个周期T1依次计入QA1、QA2、QA3...QAN1和QB1、QB2、QB3...QBN2，完成对水位-流量数学模型的率定验证；

（3）、通过水位-流量数学模型对活动溢流堰等水利工程进行模拟，通过模拟出的参数来指导活动溢流堰等水利工程调控河道水量。

优选地，所述近期数据的采集避开汛期和旱期，对于城市化较高的地区的近期数据采集，分白天和夜晚两组进行数据采集并在建模过程中区别开来，所述白天以周期T来采集N组，所述夜晚相对应的同样以周期T来采集N组。

优选地，所述T1小于或等于TA，S2中所述各项数据的更新采集周期以TA为最小周期进行备注。

优选地，所述的水位-流量原型观测实验是通过对活动溢流堰的变化观察上下游水位变化，其观察：

（1）、在活动溢流堰上下游设置3个水位仪，1#水位仪布置在活动溢流堰下游50m处，2#与3#水位仪布置在活动溢流堰上游72m与180m处；

（2）、分别观察不同开闸速度下的上下游水位变化、不同关闸速度下的上下游水位变化以及不同流量不同关闸速度下形成的上下游水位差；

（3）、记录所有数据。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

建立数学模型，通过实地观测试验对模型进行率定验证，保证了模型的可行性；考虑到流量影响因素，设置水位影响因素影响值和流量影响因素影响值，使用流量影响因素对模型的数据进行后期的校准，防止随着使用时间延长，数学模型处于理想状态下的数据与现实中的数据产生较大的偏移；避开汛期和旱期，而且城市化较高的地区的近期数据采集，分白天和夜晚两组进行数据采集并在建模过程中区别开来，减少特殊天气和人类活动等不确定因素对数学模型的影响；数据更新采集周期以TA为最小周期进行备注，可以在数据更新采集的时候与专业部门的采集数据进行比较，减小误差，最后通过活动溢流堰的方式联合模型准确的控制河道的流量，满足河道的生态需水量。

附图说明

图1为本发明模块图；

图2为本发明河道信息采集表图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-2，一种平原河网河道水量建模调控方法，包括在城市化一般的A地区制作打印足够份的河道信息采集表，将人员分为10组同时对A地区进行试验，咨询A地区水利部门搜集相关数据。

在A地区专业人员的陪同下进行为期两年的近期数据采集工作，周期为每月一次，每次采集1组数据并记录在河道信息采集表中，从A地区数据库查询历史数据并下载下来，河流代码、河流名称、河道总长、河床截面积数据的变更需要在备注中注明，流速选用较为先进的ADCP三维声学多普勒流速采集系统进行测量，水位选用工作可靠而且测量灵敏准确的NKY08-2型探测式水位仪进行测量。

选取10年内的历史数据，A地区历史数据的采集周期为半年，使用STCurve(数据曲线绘制工具)V2.2.0.5绘制近期数据与历史数据的变化曲线，分析并确定各项数据的变化周期记录下来，变化周期最小为半年，安排人员按照变化周期进行数据的更新采集，数据更新采集的时候与专业部门的采集数据进行比较，相差较大时，需要重新采集或者以专业部门的采集数据为准。

使用Infoworks ICM软件对历史数据建立水位-流量数学模型，分析河网水量分配关系后，每一组采集24组水位-流量数学模型中的数据，周期为每月一次，导入水位-流量数学模型，更新水位-流量数学模型，水位-流量数学模型中数据包括河流代码、河流名称、河道总长、水面坡降、地面坡降、河床截面积、流向、水位和流量。

半年后，在A区的水利部门配合下，实地开展同样为期两年的观测试验，周期为每月一次，采集水位GB和流量KB，在开展观测试验的同时采集软件建模的数学模型数据水位GA和流量KA，GA和GB之间的关系为GA=GB+QA+ΔA，QA为水位影响因素影响值，ΔA为水位误差，KA和KB之间的关系为KA=KB+QB+ΔB，QB为流速影响因素影响值，ΔB为流速误差，根据方差计算公式算出24组QA+ΔA的方差δA和24组QB+ΔB的方差δB，方差δA和δB的值越小则水位误差ΔA和流速误差ΔB越小，水位误差ΔA和流速误差ΔB越小则观测试验与数学模型越准确，观测试验与数学模型越准确则QA和QB越准确；

S5：从10组试验中选取方差δA和δB值相对最小的一组，此时ΔA和ΔB的影响最小，记录此时24组的水位影响因素影响值分别为QA1、QA2、QA3...QA24，记录此时N1组的流速影响因素影响值分别为QB1、QB2、QB3...QB24；

S6：数学模型之后每个周期T1依次计入QA1、QA2、QA3...QA24和QB1、QB2、QB3...QB24，完成对水位-流量数学模型的率定验证。

再采用Infoworks ICM软件，对第一水位仪布置在活动溢流堰下游50m处和第二与第三水位仪布置在活动溢流堰上游72m与180m处的三个水位仪实时测量的数据进行建模分析，确定溢流堰的调度规则。

建立好的数学模型对活动溢流堰等水利工程进行模拟，建立联控联调平台，通过模拟出的参数进过计算机自动化控制活动溢流堰等水利工调控河道水量，以满足河道的生态需水量，建模过程中，考虑到了影响河流流量的因素，并用于率定验证水位-流量数学模型，使理想化的水位-流量数学模型与实际结合，减小误差的累积。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种平原河网河道水量建模调控方法，其特征在于：其步骤如下：

（1）、查询平原河网地区河网历史数据，所述历史数据更新周期为TA，进行河网水动力原型观测，对研究范围内内闸、坝、泵、涵等水利工程的分布、特性及运行状况进行调查，通过历史数据建立水位-流量数学模型并分析河网水量分配关系；

（2）、对建立的水位-流量数学模型进行验证：

S1：开始准备，分M组进行实验；

S2：每一组采集N1组水位-流量数学模型中的数据，周期为T1，导入水位-流量数学模型，更新水位-流量数学模型，所述的水位-流量数学模型中数据包括河流代码、河流名称、河道总长、水面坡降、地面坡降、河床截面积、流向、水位和流量；

S3；所述在平原河网地区实地开展N2组水位-流量原型观测试验，周期为T2，所述N1等于N2，所述T1等于T2，所述S2与S3时间间隔为TB，且TA的值等于TB的值；

S4：所述N2组每组观测试验采集水位GA和流量KA，同时分别从N1组数学模型中采集水位GB和流量KB，所述GA和GB之间的关系为GA=GB+QA+ΔA，所述QA为水位影响因素影响值，所述ΔA为水位误差，所述KA和KB之间的关系为KA=KB+QB+ΔB，所述QB为流速影响因素影响值，所述ΔB为流速误差，根据方差计算公式算出N2组QA+ΔA的方差δA和N2组QB+ΔB的方差δB，所述方差δA和δB的值越小则水位误差ΔA和流速误差ΔB越小，所述水位误差ΔA和流速误差ΔB越小则观测试验与数学模型越准确，所述观测试验与数学模型越准确则QA和QB越准确；

S5：从M组试验中选取方差δA和δB值相对最小的一组，此时ΔA和ΔB的影响最小，记录此时N1组的水位影响因素影响值分别为QA1、QA2、QA3...QAN1，记录此时N1组的流速影响因素影响值分别为QB1、QB2、QB3...QBN2；

S6：数学模型之后每个周期T1依次计入QA1、QA2、QA3...QAN1和QB1、QB2、QB3...QBN2，完成对水位-流量数学模型的率定验证；

、通过水位-流量数学模型对活动溢流堰等水利工程进行模拟，通过模拟出的参数来指导活动溢流堰等水利工程调控河道水量。

2.根据权利要求1所述的一种平原河网地区河道水量建模调控方法，其特征在于：所述近期数据的采集避开汛期和旱期，对于城市化较高的地区的近期数据采集，分白天和夜晚两组进行数据采集并在建模过程中区别开来，所述白天以周期T来采集N组，所述夜晚相对应的同样以周期T来采集N组。

3.根据权利要求1所述的一种平原河网地区河道水量建模调控方法，其特征在于：所述T1小于或等于TA，S2中所述各项数据的更新采集周期以TA为最小周期进行备注。

4.根据权利要求1所述的一种平原河网地区河道水量建模调控方法，其特征在于：所述的水位-流量原型观测实验是通过对活动溢流堰的变化观察上下游水位变化，其观察：

（1）、在活动溢流堰上下游设置3个水位仪，1#水位仪布置在活动溢流堰下游50m处，2#与3#水位仪布置在活动溢流堰上游72m与180m处；

（2）、分别观察不同开闸速度下的上下游水位变化、不同关闸速度下的上下游水位变化以及不同流量不同关闸速度下形成的上下游水位差；

（3）、记录所有数据。