CN107542058B - 一种针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，包括步骤：a).构建等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)；b).利用等时段长Δt的工作曲线，计算时段末出库流量q2；c).若变化节点为防洪高水位变化节点，则根据水量平衡方程和变化时刻入库流量表达式求解变量Δtx；若变化节点为厂房设计标准或厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件或水位控制条件求解变量Δtx；其中Δtx为变化节点所在等时段的前段时长，d).构建(Δt‑Δtx)时段步长的工作曲线，求解变化时段末出库流量并输出。本发明适用于变化节点的变时段长的调洪计算，对于防洪高水位和考虑机组过水能力厂房设计标准和校核标准洪水时的变化节点，计算误差小，计算精度高，尤其适用于程序实现。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法。
背景技术
《水电工程水利计算规范》(DL/T 5105-1999)规定：调洪计算中除考虑泄洪建筑物的泄流能力外，可计入水电站机组的过水能力。当洪水大于电站厂房设计标准洪水时，可计入全部机组过水能力的二分之一参与泄洪；当洪水大于电站厂房校核标准洪水或者水头超出机组允许运行水头范围时，则不考虑机组参与泄洪。
水库调洪计算常见的有试算法、半图解法、数值解法等。
试算法计算精度相对较高，但计算繁琐，循环假定和判断求解不利于程序实现。
数值解法本身受算法选择(欧拉法、龙格-库塔法等)及阶数选取影响，计算精度不一，且计算较为复杂；
半图解法包括双辅助线法、单辅助线法等，各种方法各有其优缺点，计算精度除与时段长的选取有关外，计算方法本身也是一个重要的影响因素。半图解法中的单辅助线法，是将调洪计算中的水量平衡方程进行形式转化，形成调洪演算工作曲线q～(V/ΔT+q/2)，通过转化形式方程左侧(V1/ΔT+q1/2)+Q均-q1数值查工作曲线，推求出流量q2。单辅助线法操作简单，且易于编程实现，计算精度非常接近试算法，实际中应用较多，但单辅助线法多适用于无闸门的等时段长的水库调洪计算中，对于变时段长的出流量计算，尤其是对于防洪高水位和考虑机组过水能力厂房设计标准和校核标准洪水时的变化节点，简单的通过算数平均常引起一些不必要的误差，尤其泄流能力变率大的位置，误差增大十分明显，甚至超出允许误差。基于此，本发明提出一种基于单辅助线算法的针对承担下游防洪任务的水库且考虑机组过水能力的的调洪计算方法。
发明内容
现有的基于单辅助线算法的针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，不适用于变时段长的调洪计算，对于变化节点误差大。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，适用于变化节点的变时段长的调洪计算，对于防洪高水位和考虑机组过水能力厂房设计标准和校核标准洪水时的变化节点，计算误差小，计算精度高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，包括步骤：
a).构建等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)；其中，q为出库流量，V为水库蓄量；
b).利用等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)，计算时段末出库流量q2；其特点是还包括步骤：
c).若变化节点为防洪高水位变化节点，则根据水量平衡方程和变化时刻入库流量表达式求解变量Δtx；若变化节点为厂房设计标准洪水水位变化节点或厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件或水位控制条件求解变量Δtx；其中Δtx为变化节点所在等时段的前段时长，0≤Δtx≤Δt；
d).构建(Δt-Δtx)时段步长的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)，求解变化时段末出库流量并输出，调洪结束。
本发明根据单辅助线算法的优点(操作简单，且易于编程实现，计算精度高)，针对无控制条件的等时段长时段末出库流量的计算，采用传统的单辅助线算法，构建基于等时段步长的工作曲线q～(V/Δt+q/2)；对应变化时段中的变化节点，构建变化时段前段时长Δtx，进而重构变化时段后段时长(Δt-Δtx)的工作曲线并计算出变化时段末出库流量，适用于变化节点的变时段长的调洪计算，对于防洪高水位和考虑机组过水能力厂房设计标准和校核标准洪水时的变化节点，计算误差小，计算精度高。
作为一种优选方式，在步骤c中，若变化节点为防洪高水位变化节点，则联合水量平衡方程和入库流量Qinx＝Q1+(Q2-Q1)/Δt*Δtx求解变量Δtx；其中，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量，qcx为变化节点所在变时段的前段时长时段末控泄流量。
作为一种优选方式，在步骤c中，若变化节点为厂房设计标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件求解变量Δtx；其中，Q设为厂房设计标准洪水入库流量，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量。
作为一种优选方式，在步骤c中，若变化节点为厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件求解变量Δtx；其中，Q校为厂房校核标准洪水入库流量，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量。
作为一种优选方式，在步骤d中，根据水库库容曲线和泄流曲线构建变时段长Δt-Δtx的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)。
与现有技术相比，本发明针对承担下游防洪任务的水库，在考虑机组过水能力的调洪计算中，对变时段节点，通过求解前段时长Δtx，进而重构变化时段后段时长(Δt-Δtx)对应的工作曲线，对变化时段末出库流量进行计算，适用于变化节点的变时段长的调洪计算，对于防洪高水位和考虑机组过水能力厂房设计标准和校核标准洪水时的变化节点，计算误差小，计算精度高；解决了单辅助线算法仅适用于无闸门的等时段长的水库调洪计算的限制问题，扩大了单辅助线法的应用范围；提高了单辅助线法在有控制条件的水库调洪计算中的计算精度，对于变化节点，较简单的算术平均处理方法，以最高库水位为例，计算精度提高0.01～0.1m，尤其适用于程序实现。
附图说明
图1为等时段长Δt的工作曲线图。
图2为防洪高水位变化节点各变量关系示意图。
图3为防洪高水位变化节点重建的工作曲线图。
图4为厂房设计标准或校核标准洪水水位变化节点各变量关系示意图。
图5为厂房设计标准洪水水位变化节点重建的工作曲线图。
图6为对2000年一遇洪水进行调洪计算过程示意图。
具体实施方式
在本实施方式中，针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，包括步骤：
a).构建等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)；其中，q为出库流量，V为水库蓄量。
等时段长Δt时段末出库流量的计算采用传统的单辅助线算法。在步骤a中，根据水库库容曲线和泄流曲线等，构建等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)。本实施例中，等时段长Δt(3h)的工作曲线q～(V/Δt+q/2)见图1。
等时段长Δt的工作曲线与水库及库容的对应关系见表1。
表1等时段长Δt的工作曲线与水位、库容对应关系表b).利用等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)，计算时段末出库流量q2。
以涨水阶段为例，起调水位162m，泄流能力7286m3/s，当来水水小于泄流能力时，按来水泄，当来水大于泄流能力时，按泄流能力且，此时出流量尚未达到水库控制泄量8400m3/s。
基于等时段长Δt的单辅助线算法水量平衡方程改写形式为：
其中，Q1(m3/s)为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2(m3/s)为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1(m3/s)为变化节点所在等时段的时段初出库流量，q2(m3/s)为变化节点所在等时段的时段末出库流量，V1(m3)为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，V2(m3)为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Δt(s)为时段长。本实施方式中，调洪计算等时段长Δt时按工作曲线q～(V/Δt+q/2)查算的出库流量见表2中序号6～15。
| 序号 | 入库流量(m3/s) | 出库流量(m3/s) | 库水位(m) |
| 1 | 5600 | 5600 | 162 |
| 2 | 6070 | 6070 | 162 |
| 3 | 6460 | 6460 | 162 |
| 4 | 6850 | 6850 | 162 |
| 5 | 7130 | 7130 | 162 |
| 6 | 7420 | 7292* | 162.01 |
| 7 | 7560 | 7309* | 162.02 |
| 8 | 7670 | 7335* | 162.05 |
| 9 | 7790 | 7368* | 162.08 |
| 10 | 7910 | 7410* | 162.12 |
| 11 | 8310 | 7469* | 162.19 |
| 12 | 8710 | 7558* | 162.27 |
| 13 | 10300 | 7724* | 162.44 |
| 14 | 11800 | 8008* | 162.73 |
| 15 | 11900 | 8341* | 163.06 |
| 16 | 12000 | 8400 | 163.38 |
表2按工作曲线查算的出库流量调洪过程表c).若变化节点为防洪高水位变化节点，则根据水量平衡方程和变化时刻入库流量表达式求解变量Δtx；若变化节点为厂房设计标准洪水水位变化节点或厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件或水位控制条件求解变量Δtx；其中Δtx为变化节点所在等时段的前段时长，0≤Δtx≤Δt。
d).根据水库库容曲线和泄流曲线构建(Δt-Δtx)时段步长的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)，求解变化时段末出库流量并输出，调洪结束。
若变化节点为防洪高水位变化节点，假设达到防洪高水位Zf时刻时段内的时段长为Δtx，0≤Δtx≤Δt，Zf时泄流能力q'cx已知，前一秒出库控泄流量qcx已知。
联合水量平衡方程(公式1)和入库流量Qinx＝Q1+(Q2-Q1)/Δt*Δtx(公式2)，构建变量Δtx的一元二次方程，求得(由于一元二次方程有两个解，此处根据条件0≤Δtx≤Δt选取其一)。将求得的Δtx代入公式2可得到入库流量Qinx，计算本时刻水库库容Vx。根据水位库容曲线和泄流曲线等，重新构建(Δt-Δtx)时段步长的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)。其中，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量，由Zf查水位库容曲线可知，qcx为变化节点所在变时段的前段时长时段末控泄流量。最后，根据Qinx、Vx、q'cx、Q2等查询新构建的工作曲线，得到变化时段末出库流量并输出，调洪结束。
对于防洪高水位变化节点，各变量关系示意图如图2所示。图3中示出防洪高水位变化节点重建的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)。各变量求解成果见表3。
表3防洪高水位变化时段各节点计算成果表
若变化节点为厂房设计标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件(公式3)构建关于变量Δtx的一元二次方程；其中，Q设(m3/s)为厂房设计标准洪水入库流量，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量。
若变化节点为厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件(公式4)构建关于变量Δtx的一元二次方程；其中，Q校(m3/s)为厂房校核标准洪水入库流量，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量。
分别求解变化节点为厂房设计标准洪水水位或校核标准洪水水位对应的一元二次方程(根据0≤Δtx≤Δt选取解)，进而求得本时刻入库流量Qinx及水库蓄量Vx。对于厂房设计标准，下一秒出库控泄流量q'cx＝Q设-qd；对于厂房校核标准，下一秒出库控泄流量q'cx＝Q校-qd。根据水位库容曲线和泄流曲线等，分别重新构建厂房设计标准和厂房校核标准洪水时的(Δt-Δtx)时段步长(厂房设计标准和厂房校核标准洪水时的Δtx值不同)的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)。最后，根据Qinx、Vx、q'cx、Q2等查询新构建的工作曲线，得到变化时段末出库流量并输出，调洪结束。
对于厂房设计标准或校核标准洪水水位变化节点，各变量关系示意图如图4所示。图5中示出厂房设计标准洪水水位变化节点重建的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)。厂房设计标准或校核标准洪水水位变化节点各变量求解成果见表4。
表4厂房设计标准或校核标准洪水水位变化节点各变量求解成果表
应用本发明所述方法对2000年一遇洪水进行调洪计算过程结果如表5和图6所示。
表5调洪计算过程成果表
以最高库水位为例，应用本发明所述方法后，相较于原来的调洪方法，计算精度提高0.01～0.1m。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，包括步骤：
a).构建等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)；其中，q为出库流量，V为水库蓄量；
b).利用等时段长Δt的工作曲线q～(V/Δt+q/2)，计算时段末出库流量q2；其特征在于，还包括步骤：
c).若变化节点为防洪高水位变化节点，则根据水量平衡方程和变化时刻入库流量表达式求解变量Δtx；若变化节点为厂房设计标准洪水水位变化节点或厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件或水位控制条件求解变量Δtx；其中Δtx为变化节点所在等时段的前段时长，0≤Δtx≤Δt；
d).构建(Δt-Δtx)时段步长的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)，求解变化时段末出库流量并输出，调洪结束；
其中：
在步骤c中，若变化节点为厂房设计标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件求解变量Δtx；其中，Q设为厂房设计标准洪水入库流量，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量；
在步骤c中，若变化节点为厂房校核标准洪水水位变化节点，则根据流量控制条件求解变量Δtx；其中，Q校为厂房校核标准洪水入库流量，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量。
2.如权利要求1所述的针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，其特征在于，在步骤c中，若变化节点为防洪高水位变化节点，则联合水量平衡方程和入库流量Qinx＝Q1+(Q2-Q1)/Δt*Δtx求解变量Δtx；其中，Q1为变化节点所在等时段的时段初入库流量，Q2为变化节点所在等时段的时段末入库流量，q1为变化节点所在等时段的时段初出库流量，V1为变化节点所在等时段的时段初水库蓄量，Vx为变化时刻末水库蓄量，qcx为变化节点所在变时段的前段时长时段末控泄流量。
3.如权利要求1所述的针对承担下游防洪任务的水库的调洪计算方法，其特征在于，在步骤d中，根据水库库容曲线和泄流曲线构建变时段长Δt-Δtx的工作曲线q～(V/(Δt-Δtx)+q/2)。
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