CN109948220B - 闸坝多目标泄流估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种闸坝多目标泄流估算方法及系统，该方法包括步骤：S10、根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；S20、确定闸坝供水范围的特征河长，并结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；S30、确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；S40、确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量。本发明不仅识别了闸坝的入流量和供水范围，而且给出了闸坝防洪、发电、农业、工业、生活等不同目标下的动态蓄泄水量，为闸坝控制流域水循环过程模拟提供了技术支撑。

Description

闸坝多目标泄流估算方法及系统

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种适用于流域水文模型的闸坝多目标泄流估算方法及系统，主要用于闸坝多目标泄流预报、闸坝控制流域水文过程模拟等工作。

背景技术

闸坝修建和调控在流域防汛抗旱、蓄水发电、水产养殖、交通航运和休闲旅游等方面起着举足轻重的作用，极大地促进了区域经济社会的发展。目前闸坝修建已成为一个全球性的现象，全球60％以上的河流受闸坝控制，估计到2025年将达70％。中国是全球闸坝数量最多的国家。据2017年全球大坝委员会(ICOLD)统计，全球40.9％的大坝位于中国；我国也建成中小型水库98063座，中小型水闸102986座。闸坝工程的建设极大地改变了河流的自然状态(河流非连续化、泥沙淤积和河床加高等)，剧烈地扰动自然径流情势(减少下泄流量、坦化洪峰、延长洪水历时、高低脉冲频繁等)，由此导致上下游生境破坏和生物多样性减少等，闸坝的生态和环境负面效应凸显。比如黄河流域筑坝导致下游断流严峻，而坝上泥沙淤积明显；淮河流域闸坝的过度建设和不合理调度导致突发性水污染事件频发，下游生态系统遭受严重破坏。因此，闸坝修建和调控已成为水资源开发利用、污染防治和生态修复等流域管理工作中不可忽视的内容之一。

闸坝对径流的影响是闸坝生态和环境效应的基础，直接决定营养物和其它水质指标在河流水系中时间和空间的分布特征，从而引起河流生境和生物群落的变化。闸坝调控流域水文模拟则是闸坝对径流情势影响评价中的关键技术问题之一。受闸坝调控的影响，现存的流域水文模型对降雨-径流过程的模拟精度下降明显，因此，必须在流域水文模型的基础上开发闸坝泄流模块，从而更好地认识闸坝调控流域径流的变化特征，也为闸坝的生态和环境效应评估、优化调度等提供基础。

受人为扰动、调控目标多样及其动态变化等影响，闸坝的泄流模拟仍是流域水文模拟中的难点问题之一，备受国内外学者的关注。已有方法大致可以分为：(1)适用于大尺度陆面模式的水文学方法，主要针对出流调节型水库、蓄水型水库、河道型水库、灌溉或非灌溉型水库单一的调控目标(防洪、供水、灌溉等)进行调控演算，常为月或年尺度模型；(2)适用于流域模型的水文学方法，往往采用闸坝的水位-流量关系曲线、库容-流量关系曲线等，或直接采用实测泄流资料，该方法需要详细的调度规则资料，是一种综合调度方法，无法区分不同调度目标下的泄流过程，局限于资料详细的特定水库；(3)适用于河道模型的水动力学方法，主要是通过圣维南方程求解，需要详细的闸上下游水位、闸门开启度等资料作为边界条件和限制条件，该方法需要的资料更详尽、运算慢、难以普遍推广。因此，上述方法大多局限于单一调度规则或资料详尽的特定水库，目前仍缺乏具有普适性的闸坝多目标泄流估算方法。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种多目标闸坝泄流估算方法及系统，结合水文模拟技术、工生产生活基础资料和闸坝特征库容等资料，可快速、有效地确定闸坝的入流量和供水范围，以及闸坝防洪、发电、农业、工业、生活等不同目标下的动态蓄水量和泄水量，为闸坝控制流域水循环过程模拟提供了技术支撑。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种闸坝多目标泄流估算方法，包括步骤：

S10、根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；

S20、确定闸坝供水范围的特征河长，并结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；

S30、确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；

S40、确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量。

可选地，所述步骤S10包括：

S11、以闸坝大坝位置为流域出口，基于DEM提取闸坝上游流域范围，设定集水面积阈值划分若干子流域，并提取各子流域及其内部河流的相关属性参数；

S12、基于多期高精度土地利用数据和子流域空间分布，确定各子流域内土地利用的分布及其变化；

S13、收集闸坝上游流域范围内的气象站及长序列观测数据，利用空间插值算法确定各子流域的气象信息，基于闸坝入库站的实测径流序列，利用自动优化算法确定模型参数。

可选地，所述步骤S20包括：

S21、根据闸坝流域范围内的气象序列，基于闸坝流域水文模型模拟闸坝入流量，或收集实测闸坝入流序列，采用闸坝水量平衡演算方程，确定闸坝当天的总蓄水量；

S22、根据闸坝总蓄水量和特征河长的非线性关系，确定当天供水范围的特征河长；

S23、构建闸坝特征河长与闸坝上游子流域河道长度、面积比例的定量关系，计算闸坝供水范围内的子流域个数，通过闸坝所在子流域的位置，按照子流域汇流顺序从下自上追溯，确定供水范围内的子流域和位置。

可选地，所述步骤S20中的闸坝水量平衡演算方程及特征河长的计算方程式为：

式中：Q_in,t-1和Q_in,t分别为第t-1和t时刻的闸坝入流量；Q_out,t-1和Q_out,t分别为第t-1和t时刻的闸坝泄流量；△t为时间步长，取1天；P、Et和I分别为闸坝库区范围内△t时段的降水量、蒸发量和渗漏量；A_t-1和A_t分别为第t-1和t时刻的闸坝水面面积；V_t-1和V_t分别为第t-1和t时刻的闸坝蓄水量；V_总为闸坝的总库容；L_res,t为t时刻闸坝蓄水量对应的特征河长；k为特征属性参数，取值范围为0～1之间，具体数值可以通过参数率定获得。

可选地，所述步骤S30中闸坝的供水目标包括防洪、发电、农业、工业、生活等；结合实际调研，根据闸坝调度任务确定主要目标为防洪安全第一、发电量最大、保障农业灌溉用水量、工业或生活用水量最大中的任意一个或多个目标组合。

可选地，所述步骤S30中确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量包括：

S31、确定工业取水量和生活取水量，其对应的计算方程为：

式中：Q_Ind,t和Q_Live,t分别为第t时刻的闸坝工业取水量和生活取水量；

RQ_ind、RQ_live,rur和RQ_live,urb分别为万元GDP用水量、农村人口人均用水量和城镇人口人均用水量；GDP_ind,sub,i、Hum_rur,sub,i和Hum_urb,sub,i分别为第i个子流域工业GDP、农村和城镇人口；

S32、确定农业灌溉取水量，其对应的计算方程为：

式中：Q_Arg,t为第t时刻的闸坝农业灌溉取水量；A_arg,sub,i为第i个子流域第j种作物耕种面积；m为子流域中的作物类型数量；t_irrg,j为第j种作物的灌溉时间；RQ_arg,j为第j种作物的灌溉定额，可以由用户自行给定，也可以根据作物土壤需水量来确定，即：

RQ_arg,j＝(FC-SW)·SD

式中：FC和SW分别为田间持水量和当前土壤含水量；SD为土层深度；

S33、确定闸坝防洪调度泄流量，汛期和非汛期的闸坝蓄水量和闸坝泄流量计算方程为：

Q_fld,t＝V_t-V_fld,t

式中：V_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝蓄水量；V_fs和V_uc分别为汛限库容和兴利库容；T_fld和T_nfld分别为闸坝在汛期和非汛期的防洪规则调度时间；t_fld,int和t_fld,int分别为汛期闸坝防洪调度起始和终止时刻；Q_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝泄流量；

S34、确定闸坝发电用水量，供水范围内发电用水量和闸坝蓄水量计算方程为：

式中：Q_ele,t和P_ele分别为发电用水量和总发电量；V_ele,t为发电取用水后的闸坝蓄水量；r_ele为发电用水效率；H为闸坝上、下游水位落差，可表示为：H_t＝f(V_t)。

可选地，所述步骤S40之后，包括步骤S50：校核闸坝多目标泄流量和蓄水量。

可选地，所述步骤S50包括：

若步骤S40中确定的蓄水量介于闸坝的死库容和总库容之间，则闸坝泄流量和蓄水量计算合理；

若步骤S40中确定的蓄水量小于死库容，则减少闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在死库容；

若步骤S40中确定的蓄水量大于总库容，则增加闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在总库容。

根据本发明的另一个方面，提供一种闸坝多目标泄流估算系统，包括：

水文模型构建模块，用于根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；

供水范围确定模块，用于根据模拟或实际闸坝来水情况，基于闸坝水量平衡演算方程、闸坝蓄水量和特征河长之间的非线性关系，确定闸坝供水范围的特征河长，结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；

供水目标确定模块，用于确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；

蓄水量确定模块，用于确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量。

可选地，所述水文模型构建模块，具体用于：

以闸坝大坝位置为流域出口，基于DEM提取闸坝上游流域范围，设定集水面积阈值划分若干子流域，并提取各子流域及其内部河流的相关属性参数；

基于多期高精度土地利用数据和子流域空间分布，确定各子流域内土地利用的分布及其变化；

收集闸坝上游流域范围内的气象站及长序列观测数据，利用空间插值算法确定各子流域的气象信息，基于闸坝入库站的实测径流序列，利用自动优化算法确定模型参数。

可选地，所述供水范围确定模块，具体用于：

根据闸坝流域范围内的气象序列，基于闸坝流域水文模型模拟闸坝入流量，或收集实测闸坝入流序列，采用闸坝水量平衡演算方程，确定闸坝当天的总蓄水量；

根据闸坝总蓄水量和特征河长的非线性关系，确定当天供水范围的特征河长；

构建闸坝特征河长与闸坝上游子流域河道长度、面积比例的定量关系，计算闸坝供水范围内的子流域个数，通过闸坝所在子流域的位置，按照子流域汇流顺序从下自上追溯，确定供水范围内的子流域和位置。

根据本发明的另一个方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明任一实施例提供的方法中的步骤。

本发明提供了闸坝多目标泄流估算方法及系统，结合流域水文模拟技术，基于闸坝入库水系及其所在子流域的汇流关系等，根据闸坝蓄水量，快速高效地确定闸坝的入库流量和供水范围的动态变化，满足了闸坝的供水能力、农业、工业和生活取水估算的需求。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的闸坝多目标泄流估算方法的流程示意图。

图2为本发明另一实施例的闸坝多目标泄流估算方法的流程示意图。

图3本发明确定闸坝多目标的动态供水范围的流程示意图。

图4本发明确定闸坝各目标对应的蓄泄水量流程示意图。

图5为本发明实施例的闸坝多目标泄流估算系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的闸坝即水库和水闸，具体是指具有防洪、发电、农业、工业、生活用水等综合利用效益的水利工程，且供水范围为闸坝上游。如图1所示，本发明提供一种闸坝多目标泄流估算方法，包括步骤：

S10、根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；

更具体地，可以以闸坝大坝地理位置为流域出口，基于DEM提取闸坝上游流域范围、河流和子流域分布，基于多期高精度土地利用数据确定子流域内土地利用的分布及其变化，根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，利用自动优化算法确定模型参数；

S20、确定闸坝供水范围的特征河长，并结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；

S30、确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；

在确定闸坝的多种供水目标时，可以结合实际调研，根据闸坝调度任务确定闸坝保障防洪、发电、农业、工业、生活等中的一个或多个供水目标组合。一般而言，闸坝的供水目标为防洪、发电、农业、工业、生活等；结合实际调研，根据闸坝调度任务确定主要目标为防洪安全第一、发电量最大、保障农业灌溉用水量、工业或生活用水量最大中的任意一个或多个目标组合；

在确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量时，可以包括：确定闸坝供水范围内的工业产值GDP、耕地面积、城镇人口、农村人口、防洪调度规则和发电量，利用万元GDP用水量、不同作物类型灌溉用水定额、人均用水定额，计算工业、农业和生活的取水量；结合防洪调度规则确定汛期和非汛期的闸坝防洪调度泄流量；利用发电用水效率和闸坝上下游水位差计算发电用水量；

S40、确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量。

闸坝非汛期以保障工、农业用水和生活用水为主要供水目标，闸坝汛期以防洪和发电的效益最大化为主要供水目标，根据闸坝各目标对应的蓄泄水量，确定特定调度规则下的总泄流量和蓄水量。

在图1对应的实施例的基础上，本发明提供的一个实施例中，步骤S40之后，包括步骤S50：校核闸坝多目标泄流量和蓄水量。

更具体地，所述步骤S50包括：

若步骤S40中确定的蓄水量介于闸坝的死库容和总库容之间，则闸坝泄流量和蓄水量计算合理；

若步骤S40中确定的蓄水量小于死库容，则减少闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在死库容；

若步骤S40中确定的蓄水量大于总库容，则增加闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在总库容。

请参照图2，本发明实施例提供的一种闸坝多目标泄流估算方法，包括步骤：

S61、构建闸坝控制流域水文模型：以闸坝大坝地理位置为流域出口，基于DEM提取闸坝上游流域范围、河流和子流域分布，基于多期高精度土地利用数据确定子流域内土地利用的分布及其变化，根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，利用自动优化算法确定模型参数；

S62、确定闸坝的多种供水目标和动态供水范围：结合实际调研，根据闸坝调度任务确定闸坝保障防洪、发电、农业、工业、生活等中的一个或多个供水目标组合，根据模拟或实际闸坝来水情况，基于闸坝水量平衡演算方程、闸坝蓄水量和特征河长之间的非线性关系，确定闸坝供水范围的特征河长，结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；

S63、确定闸坝各目标对应的蓄泄水量：确定闸坝供水范围内的工业产值GDP、耕地面积、城镇人口、农村人口、防洪调度规则和发电量，利用万元GDP用水量、不同作物类型灌溉用水定额、人均用水定额，计算工业、农业和生活的取水量；结合防洪调度规则确定汛期和非汛期的闸坝防洪调度泄流量；利用发电用水效率和闸坝上下游水位差计算发电用水量；

S64、确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量：闸坝非汛期以保障工、农业用水和生活用水为主要供水目标，闸坝汛期以防洪和发电的效益最大化为主要供水目标，根据闸坝各目标对应的蓄泄水量，确定特定调度规则下的总泄流量和蓄水量；

S65、校核闸坝多目标泄流量和蓄水量：结合闸坝特征库容校核闸坝泄流量和蓄水量，若步骤S64中计算的闸坝蓄水量介于闸坝死库容和总库容之间，则闸坝泄流量和蓄水量计算合理，若闸坝蓄水量小于死库容，需减少闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在死库容，若闸坝蓄水量大于总库容，需增加闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在总库容。

在上述任一实施例的基础上，步骤S10或S61包括：

S11、以闸坝大坝位置为流域出口，基于DEM提取闸坝上游流域范围，设定集水面积阈值划分若干子流域，并提取各子流域及其内部河流的相关属性参数；

S12、基于多期高精度土地利用数据和子流域空间分布，确定各子流域内土地利用的分布及其变化；

S13、收集闸坝上游流域范围内的气象站及长序列观测数据，利用空间插值算法确定各子流域的气象信息，基于闸坝入库站的实测径流序列，利用自动优化算法确定模型参数。

在上述任一实施例的基础上，如图3所示，步骤S20或S62包括：

S21、根据闸坝流域范围内的气象序列，基于闸坝流域水文模型模拟闸坝入流量，或收集实测闸坝入流序列，采用闸坝水量平衡演算方程，确定闸坝当天的总蓄水量V_t；

S22、根据闸坝当天的总蓄水量和特征河长的非线性关系，确定当天供水范围的特征河长L_res,t。其中，闸坝水量平衡演算方程和特征河长计算方程为式(1)：

式中：Q_in,t-1和Q_in,t分别为第t-1和t时刻的闸坝入流量；Q_out,t-1和Q_out,t分别为第t-1和t时刻的闸坝泄流量；△t为时间步长，取1天；P、Et和I分别为闸坝库区范围内△t时段的降水量、蒸发量和渗漏量；A_t-1和A_t分别为第t-1和t时刻的闸坝水面面积；V_t-1和V_t分别为第t-1和t时刻的闸坝蓄水量；V_总为闸坝的总库容；L_res,t为t时刻闸坝蓄水量对应的特征河长；k为特征属性参数，取值范围为0～1之间，具体数值可以通过参数率定获得。

S23、构建闸坝特征河长与闸坝上游子流域河道长度、面积比例的定量关系，计算闸坝供水范围内的子流域个数，相应的方程为式(2)：

式中：L_sub,i为闸坝上游第i个子流域内的河道长度；r_i为第i个子流域内闸坝控制面积占子流域面积的百分比；n为供水范围涉及的子流域个数。

其次，通过闸坝所在子流域的位置，按照子流域汇流顺序从下自上追溯，确定供水范围内的子流域和位置。

在上述任一实施例的基础上，如图4所示，所述步骤S30或S63中确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量包括：

S31、确定工业取水量和生活取水量，其对应的计算方程为式(3)：

式中：Q_Ind,t和Q_Live,t分别为第t时刻的闸坝工业取水量和生活取水量；RQ_ind、RQ_live,rur和RQ_live,urb分别为万元GDP用水量、农村人口人均用水量和城镇人口人均用水量；GDP_ind,sub,i、Hum_rur,sub,i和Hum_urb,sub,i分别为第i个子流域工业GDP、农村和城镇人口；

S32、确定农业灌溉取水量，其对应的计算方程为式(4)：

式中：Q_Arg,t为第t时刻的闸坝农业灌溉取水量；A_arg,sub,i为第i个子流域第j种作物耕种面积；m为子流域中的作物类型数量；t_irrg,j为第j种作物的灌溉时间；RQ_arg,j为第j种作物的灌溉定额，可以由用户自行给定，也可以根据作物土壤需水量来确定，即：

RQ_arg,j＝(FC-SW)·SD (5)

式中：FC和SW分别为田间持水量和当前土壤含水量；SD为土层深度；

可见，通过计算供水范围内的工业产值GDP、耕地面积、城镇和农村人口；其次，利用万元GDP用水量、不同作物类型灌溉用水定额、人均用水定额，可以确定工业、农业和生活取水量。工、农业和生活总取水量和对应的闸坝蓄水量为：

式中：Q_Sc,t为工、农业和生活总取水量；V_Sc,t为工、农业和生活取水后的闸坝蓄水量。

S33、确定闸坝防洪调度泄流量，闸坝防洪调度规则为：在汛期为了防洪安全，闸坝库容一般以放水为主，位于汛限库容附近；在非汛期，为了供水安全，闸坝一般以蓄水为主，位于兴利库容附近。汛期和非汛期的闸坝蓄水量和闸坝泄流量计算方程为式(7)和式(8)：

Q_fld,t＝V_t-V_fld,t (8)

式中：V_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝蓄水量；V_fs和V_uc分别为汛限库容和兴利库容；T_fld和T_nfld分别为闸坝在汛期和非汛期的防洪规则调度时间；t_fld,int和t_fld,int分别为汛期闸坝防洪调度起始和终止时刻；Q_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝泄流量。

S34、确定闸坝发电用水量，供水范围内发电用水量和闸坝蓄水量计算方程为式(9)：

式中：Q_ele,t和P_ele分别为发电用水量和总发电量；V_ele,t为发电取用水后的闸坝蓄水量；r_ele为发电用水效率；H为闸坝上、下游水位落差，可表示为：H_t＝f(V_t)。

在上述任一实施例的基础上，所述步骤S40或S44中闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量的确定，具体如下：

S41、确定非汛期闸坝总泄流量：闸坝非汛期以兴利为主，即以保障工、农业用水和生活用水为主要供水目标，闸坝泄流量最小。闸坝总泄流量计算方程为式(10)：

S42、确定汛期闸坝总泄流量：闸坝汛期以防洪和发电的效益最大化为主要供水目标，闸坝总泄流量计算方程为式(11)：

S43、确定闸坝总蓄水量：根据不同时期特定调度规则下的总泄流量，确定闸坝的蓄水量，计算方程为式(12)：

V_t+1＝V_t-Q_out,t·Δt (12)

在步骤S50或S65中闸坝泄流量和蓄水量的校核，具体如下：

若步骤S43确定闸坝的蓄水量介于闸坝死库容和总库容之间，则闸坝泄流量和蓄水量计算合理；

若步骤S43确定闸坝的蓄水量小于死库容，需减少闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在死库容。校核后的闸坝泄流量和蓄水量的计算方程为式(13)：

式中：V_死为闸坝死库容。

若步骤S43确定闸坝的蓄水量大于闸坝总库容，需增大闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在总库容。校核后的闸坝泄流量和蓄水量的计算方程为式(14)：

本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明任一实施例提供的方法中的步骤。

如图5所示，本发明提供一种闸坝多目标泄流估算系统，包括：

水文模型构建模块81，用于根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；更具体地，水文模型构建模块81用于实现上述步骤S10，在此不再赘述。

供水范围确定模块82，用于根据模拟或实际闸坝来水情况，基于闸坝水量平衡演算方程、闸坝蓄水量和特征河长之间的非线性关系，确定闸坝供水范围的特征河长，结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；更具体地，供水范围确定模块82用于实现上述步骤S20，在此不再赘述。

供水目标确定模块83，用于确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；更具体地，供水目标确定模块83用于实现上述步骤S30，在此不再赘述。

蓄水量确定模块84，用于确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量。更具体地，蓄水量确定模块84用于实现上述步骤S40，在此不再赘述。

在图5对应的实施例的基础上，本发明另一实施例提供的闸坝多目标泄流估算系统中，还包括校核模块，用于结合闸坝特征库容校核闸坝泄流量和蓄水量，校核闸坝多目标泄流量和蓄水量：更具体地，校核模块用于实现上述步骤S50，在此不再赘述。

本发明提供了闸坝多目标泄流估算方法及系统，不仅识别了闸坝的入流量和供水范围，而且给出了闸坝防洪、发电、农业、工业、生活等不同目标下的动态蓄泄水量，为闸坝控制流域水循环过程模拟提供了技术支撑。

本发明结合流域水文模拟技术，基于闸坝入库水系及其所在子流域的汇流关系等，根据闸坝蓄水量，快速高效地确定闸坝的入库流量和供水范围的动态变化，满足了闸坝的供水能力、农业、工业和生活取水估算的需求。

本发明提出的基于多目标调度规则的泄流量估算方法，满足了闸坝的多目标调度规则对应的取水量估算的需求。

本发明提出的基于闸坝多目标蓄泄流估算和校核算法，该方法客观合理、具有物理机制、而且方便推广应用，提高了闸坝调控流域径流模拟精度。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (9)

1.一种闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，包括步骤：

S10、根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；

S20、确定闸坝供水范围的特征河长，并结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；

S30、确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；

S40、确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量；

所述步骤S30中确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量包括：

S31、确定工业取水量和生活取水量，其对应的计算方程式为：

式中：Q_Ind,t和Q_Live,t分别为第t时刻的闸坝工业取水量和生活取水量；RQ_ind、RQ_live,rur和RQ_live,urb分别为万元GDP用水量、农村人口人均用水量和城镇人口人均用水量；GDP_ind,sub,i、Hum_rur,sub,i和Hum_urb,sub,i分别为第i个子流域工业GDP、农村和城镇人口；

S32、确定农业灌溉取水量，其对应的计算方程式为：

式中：Q_Arg,t为第t时刻的闸坝农业灌溉取水量；A_arg,sub,i,j为第i个子流域第j种作物耕种面积；m为子流域中的作物类型数量；t_irrg,j为第j种作物的灌溉时间；RQ_arg,j为第j种作物的灌溉定额，可以由用户自行给定，也可以根据作物土壤需水量来确定灌溉用水量，即：

RQ_arg,j＝(FC-SW)·SD

式中：FC和SW分别为田间持水量和当前土壤含水量；SD为土层深度；

S33、确定闸坝防洪调度泄流量，汛期和非汛期的闸坝蓄水量和闸坝泄流量计算方程式为：

Q_fld,t＝V_t-V_fld,t

式中：V_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝蓄水量；V_fs和V_uc分别为汛限库容和兴利库容；T_fld和T_nfld分别为闸坝在汛期和非汛期的防洪规则调度时间；t_fld,int和t_fld,end分别为汛期闸坝防洪调度起始和终止时刻；Q_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝泄流量；V_t为第t时刻的闸坝蓄水量；

S34、确定闸坝发电用水量，供水范围内发电用水量和闸坝蓄水量计算方程为：

式中：Q_ele,t和P_ele分别为发电用水量和总发电量；V_ele,t为发电取用水后的闸坝蓄水量；r_ele为发电用水效率；H为闸坝上、下游水位落差，可表示为：H_t＝f(V_t)。

2.根据权利要求1所述闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，所述步骤S10包括：

S11、以闸坝大坝位置为流域出口，基于DEM提取闸坝上游流域范围，设定集水面积阈值划分若干子流域，并提取各子流域及其内部河流的相关属性参数；

S12、基于多期高精度土地利用数据和子流域空间分布，确定各子流域内土地利用的分布及其变化；

S13、收集闸坝上游流域范围内的气象站及长序列观测数据，利用空间插值算法确定各子流域的气象信息，基于闸坝入库站的实测径流序列，利用自动优化算法确定模型参数。

3.根据权利要求1所述闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，所述步骤S20包括：

S21、根据闸坝流域范围内的气象序列，基于闸坝流域水文模型模拟闸坝入流量，或收集实测闸坝入流序列，采用闸坝水量平衡演算方程，确定闸坝当天的总蓄水量；

S22、根据闸坝总蓄水量和特征河长的非线性关系，确定当天供水范围的特征河长；

S23、构建闸坝特征河长与闸坝上游子流域河道长度、面积比例的定量关系，计算闸坝供水范围内的子流域个数，通过闸坝所在子流域的位置，按照子流域汇流顺序从下自上追溯，确定供水范围内的子流域和位置。

4.根据权利要求1所述闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，所述步骤S20中的闸坝水量平衡演算方程及特征河长的计算方程式为：

式中：Q_in,t-1和Q_in,t分别为第t-1和t时刻的闸坝入流量；Q_out,t-1和Q_out,t分别为第t-1和t时刻的闸坝泄流量；△t为时间步长，取1天；P、Et和I分别为闸坝库区范围内△t时段的降水量、蒸发量和渗漏量；A_t-1和A_t分别为第t-1和t时刻的闸坝水面面积；V_t-1和V_t分别为第t-1和t时刻的闸坝蓄水量；V_总为闸坝的总库容；L_res,t为t时刻闸坝蓄水量对应的特征河长；k为特征属性参数，取值范围为0～1之间，具体数值可以通过参数率定获得。

5.根据权利要求1所述闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，所述步骤S30中闸坝的供水目标包括防洪、发电、农业、工业、生活等；结合实际调研，根据闸坝调度任务确定主要目标为防洪安全第一、发电量最大、保障农业灌溉用水量、工业或生活用水量最大中的任意一个或多个目标组合。

6.根据权利要求1所述闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，所述步骤S40之后，包括步骤S50：校核闸坝多目标泄流量和蓄水量。

7.根据权利要求1所述闸坝多目标泄流估算方法，其特征在于，所述步骤S50包括：

若步骤S40中确定的蓄水量介于闸坝的死库容和总库容之间，则闸坝泄流量和蓄水量计算合理；

若步骤S40中确定的蓄水量小于死库容，则减少闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在死库容；

若步骤S40中确定的蓄水量大于总库容，则增加闸坝泄流量，使闸坝蓄水量维持在总库容。

8.一种闸坝多目标泄流估算系统，其特征在于，包括：

水文模型构建模块，用于根据闸坝上游流域范围内的气象站长序列观测数据和闸坝入库站的实测径流序列，构建闸坝控制流域水文模型并确定模型参数；

供水范围确定模块，用于根据模拟或实际闸坝来水情况，基于闸坝水量平衡演算方程、闸坝蓄水量和特征河长之间的非线性关系，确定闸坝供水范围的特征河长，结合子流域汇流顺序确定供水范围涉及的子流域；

供水目标确定模块，用于确定闸坝的多种供水目标并确定闸坝各供水目标对应的蓄泄水量；

蓄水量确定模块，用于确定闸坝特定调度规则下的总泄流量和蓄水量；

所述供水目标确定模块运行以下步骤：

S31、确定工业取水量和生活取水量，其对应的计算方程式为：

式中：Q_Ind,t和Q_Live,t分别为第t时刻的闸坝工业取水量和生活取水量；RQ_ind、RQ_live,rur和RQ_live,urb分别为万元GDP用水量、农村人口人均用水量和城镇人口人均用水量；GDP_ind,sub,i、Hum_rur,sub,i和Hum_urb,sub,i分别为第i个子流域工业GDP、农村和城镇人口；

S32、确定农业灌溉取水量，其对应的计算方程式为：

式中：Q_Arg,t为第t时刻的闸坝农业灌溉取水量；A_arg,sub,i,j为第i个子流域第j种作物耕种面积；m为子流域中的作物类型数量；t_irrg,j为第j种作物的灌溉时间；RQ_arg,j为第j种作物的灌溉定额，可以由用户自行给定，也可以根据作物土壤需水量来确定灌溉用水量，即：

RQ_arg,j＝(FC-SW)·SD

式中：FC和SW分别为田间持水量和当前土壤含水量；SD为土层深度；

S33、确定闸坝防洪调度泄流量，汛期和非汛期的闸坝蓄水量和闸坝泄流量计算方程式为：

Q_fld,t＝V_t-V_fld,t

式中：V_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝蓄水量；V_fs和V_uc分别为汛限库容和兴利库容；T_fld和T_nfld分别为闸坝在汛期和非汛期的防洪规则调度时间；t_fld,int和t_fld,end分别为汛期闸坝防洪调度起始和终止时刻；Q_fld,t为第t时刻防洪调度规则对应的闸坝泄流量；V_t为第t时刻的闸坝蓄水量；

S34、确定闸坝发电用水量，供水范围内发电用水量和闸坝蓄水量计算方程为：

式中：Q_ele,t和P_ele分别为发电用水量和总发电量；V_ele,t为发电取用水后的闸坝蓄水量；r_ele为发电用水效率；H为闸坝上、下游水位落差，可表示为：H_t＝f(V_t)。

9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，其特征在于，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行上述权利要求1～7任一项所述的方法中的步骤。

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