CN110059443A - 一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，包括以下步骤：A.获得水库历史垂向水温分布、水位和下泄流量序列；B.通过对h^middle、h^up、h^down随机取值，基于下泄水温预测模型建立若干下泄水温预测公式；C.基于步骤A所收集的数据得出若干个下泄水温预测公式在不同时刻的下泄水温预测值；D.将所得不同时刻的下泄水温预测值与实测值进行对比，确定使得相对偏差PBIAS最小的h^middle、h^up、h^down取值，最终确定该水库的下泄水温预测公式。本发明的有益效果为：提供分层水库取水下泄水温的快速预测方法，能够实现水库下泄水温的精准量化，便于水库下游水温管理。

Description

一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法

技术领域

本发明涉及一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，属于水库水资源管理技术领域。

背景技术

拦河建库蓄水会产生相对静止或流动缓慢的庞大水体，春夏季节受太阳辐射和温暖来流影响，水库表层水温高密度小，而太阳辐射不能达到水体深处，加上库内水体流速低、垂向水交换能力不足，中下层水体往往温度低密度大，从而引起温度垂向分布不均匀，导致水库存在明显的水温分层现象。库区水温分层也带来了下泄水温的不确定性，下泄水温直接影响水库下游河道的水温特征，对农田灌溉、河流养殖、河流水质和生态平衡至关重要。

水库库区水温分布及下泄水温一直备受研究者和流域管理者关注。针对库区水温分布，研究者已针对多项工程实例，通过原型观测、物理模型实验和数值模拟评估了库区水温分布，并提出了3种水库水温经验预测方法(东勘院法、朱伯芳法、统计法)。而针对显著影响水库下游生态环境的下泄水温，研究者已针对各工程实例，通过数值模拟和原型观测，表明其受库区水位、垂向水温分布、下泄流量等因素影响，但目前尚缺少一种简单便捷的下泄水温预测方法，现有下泄水温预测方法很难满足水库实时调度运行对下泄水温高精预测的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，主要针对目前尚缺少一种简单便捷的下泄水温预测方法，现有下泄水温预测方法很难满足水库实时调度运行对下泄水温高精预测的需要，本发明提出一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，在已有库区水温分布和水库运行方式的基础之上，考虑下泄水温多重影响因素，基于水温分层流和取水层理论，提出下泄水温的快速量化公式，为水库实时运行调度的下泄水温预测、下游生态环境保护提供技术支持。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，包括以下步骤：

步骤A，获得水库历史实测的垂向水温分布T_i、水位、下泄流量q_i和下泄水温时间序列，其中，i＝1,2,……,n,n为时间序列个数；

步骤B，通过对h^middle、h^up、h^down进行取值，得出若干组其中，h^middle、h^up、h^down分别为三个待取值的高程变量，其中h^middle和h^up高于水库取水口，h^down低于水库取水口，h^middle位于h^up和h^down之间，j＝1,2,……,k，k为h^middle、h^up、h^down组数；基于下泄水温预测模型建立k个下泄水温预测公式；

步骤C，基于所述步骤A收集的历史实测的垂向水温分布、水位、下泄流量时间序列，得出k个下泄水温预测公式在i时刻的下泄水温预测值

步骤D，将k个下泄水温预测公式所得不同时刻的下泄水温预测值与实测值下泄水温进行对比，进行下泄水温预测模型中三个待取值的高程变量的率定，来确定h^middle、h^up、h^down的取值，进而确定水库的所述下泄水温预测模型。

上述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，所述步骤B中的下泄水温预测模型为，

式中，T表征水温，℃；T_out为所预测的下泄水温，℃；T(h^middle)、T(h^up)、T(h^down)分别表征高程h^middle、h^up、h^down处的水温；Q_full为取水口最大允许下泄流量，q为实际下泄流量，Q_full和q为通过所述步骤A中所收集的水库历史资料确定。

上述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，所述步骤B中三个高程变量h^middle、h^up、h^down的取值，采用随机取值方式。

上述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，所述步骤D中下泄水温预测模型中三个待取值的高程变量的率定，采用误差评价指标。

上述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，所述步骤D中误差评价指标采用相对偏差PBIAS来确定k个下泄水温预测公式所得下泄水温预测值与实测值下泄水温之间的偏差，识别最小PBIAS所对应的h^middle、h^up、h^down取值，即下泄水温预测模型拟采用的最佳h^middle、h^up、h^down取值。

上述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，所述相对偏差PBIAS具体如式(2)所示：

式中，PBIAS_j为第k个下泄水温预测公式的相对偏差。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明为一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，基于水温分层流和取水层理论，考虑了下泄水温的多重影响因素(库区水温分布、下泄流量、水位)，具有较充分的物理意义。可用于任何具有库区水温和调度运行数据的水库，具有良好的移植性和适用性。

(2)本发明的快速量化公式的变化趋势与已有原型观测和模拟仿真研究结果是一致的。该公式同时考虑了坝前垂向水温分布、水位和下泄流量对下泄水温的影响。在式(1)中，T(h^middle)、T(h^up)、T(h^down)量化了坝前垂向水温分布和水位对下泄水温的影响，T(h^middle)和q量化了最大影响层和下泄流量对下泄水温的影响。对于某一水库，随着水位升高，h^middle,h^up和h^down的淹没水深增加，T(h^middle)、T(h^up)、T(h^down)均减小，而预测模型中可以看出T_out与下泄流量呈正相关，因此快速量化公式的变化趋势和与已有原型观测和模拟仿真研究结果是一致的。

(3)本发明的下泄水温的快速预测方法有利于精准量化提出了下泄水温的快速量化公式，为水库实时运行调度的水温预测、下游生态环境保护提供技术支持。适于在流域水温管理中推广，十分方便进行水库实时运行调度的水温预测，具有良好的应用性；

(4)本发明可通过计算机语言编译，平面直观展示水库的下泄水温变化规律，也可输出为文本表格。

附图说明

图1是本发明实施例二中的某水库实测坝前垂向水温分布；

图2是本发明实施例二中的某水库实测水位和下泄流量序列；

图3是本发明实施例二中下泄水温的原型实测值和最佳公式计算值对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

本发明的分层水库取水下泄水温的快速预测方法，包括以下步骤：

步骤A，获得水库历史实测的垂向水温分布T_i、水位、下泄流量q_i和下泄水温时间序列，其中，i＝1,2,……,n,n为时间序列个数；

步骤B，通过对h^middle、h^up、h^down进行随机取值，得出若干组其中，h^middle、h^up、h^down分别为三个待取值的高程变量，其中h^middle和h^up高于水库取水口，h^down低于水库取水口，h^middle位于h^up和h^down之间，j＝1,2,……,k，k为h^middle、h^up、h^down组数；基于下泄水温预测模型建立k个下泄水温预测公式。

步骤B中的下泄水温预测模型为，

式中，T表征水温，℃；T_out为所预测的下泄水温，℃；T(h^middle)、T(h^up)、T(h^down)分别表征高程h^middle、h^up、h^down处的水温；Q_full为取水口最大允许下泄流量，q为实际下泄流量，Q_full和q为通过所述步骤A中所收集的水库历史资料确定。

步骤C，基于所述步骤A收集的历史实测的垂向水温分布、水位、下泄流量时间序列，得出k个下泄水温预测公式在i时刻的下泄水温预测值

步骤D，将k个下泄水温预测公式所得不同时刻的下泄水温预测值与实测值下泄水温进行对比，进行下泄水温预测模型中三个待取值的高程变量的率定，采用误差评价指标来确定h^middle、h^up、h^down的取值，进而确定水库的所述下泄水温预测模型。

步骤D中误差评价指标采用相对偏差PBIAS来确定k个下泄水温预测公式所得下泄水温预测值与实测值下泄水温之间的偏差，识别最小PBIAS所对应的h^middle、h^up、h^down取值，即下泄水温预测模型拟采用的最佳h^middle、h^up、h^down取值。

所述相对偏差PBIAS具体如式(4)所示：

式中，PBIAS_j为第k个下泄水温预测公式的相对偏差。

实施例二：

本实例以某水库的下泄水温预测研究为例，通过实测水温数据进行了率定，提出下泄水温快速预测公式。具体实施步骤如下：

A，获得某水库历史2013/5/5至2014/4/25每月5、15、25日的实测垂向水温分布T_i、下泄流量q_i和下泄水温序列(i＝1,2,……,36)，如图1和图2所示；

步骤B，通过对h^middle、h^up、h^down随机取值，得出8组 基于下泄水温预测模型建立8个下泄水温预测公式，见下表所示；

表1不同下泄水温预测公式h^middle、h^up、h^down取值及所得PBIAS

下泄水温预测公式	h<sup>middle</sup>(m)	h<sup>up</sup>(m)	h<sup>down</sup>(m)	PBIAS
					公式1	422.5	430	410	12.3％
公式2	415	440	400	90.7％
					公式3	415	430	400	92.3％
公式4	422.5	430	400	81.8％
					公式5	422.5	440	410	30.0％
公式6	415	440	410	38.1％
					公式7	415	430	410	39.7％
公式8	422.5	430	400	81.8％

步骤C，基于步骤A所收集的历史实测的垂向水温分布、水位、下泄流量时间序列，得出8个下泄水温预测公式在i时刻的下泄水温预测值其中，Q_full取值870m²/s，是水库在筹建时就定下来的，可根据历史下泄流量序列确定。

步骤D，将各个下泄水温预测模型所得不同时刻的下泄水温预测值与实测值下泄水温进行对比，得出在不同h^middle、h^up、h^down情况下，PBIAS最小为12.3％，见图3所示。此时h^up＝h⁴³⁰位于水库取水口顶上方15m处；h^down＝h⁴¹⁰位于水库取水口顶下方5m处，h^middle＝h_422.5位于水库取水口顶上方7.5m处；进而最终确定该水库的下泄水温预测公式如式(5)所示；其中，水库的取水口顶在415m处，是水库在筹建时就定下来的位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，获得水库历史实测的垂向水温分布T_i、水位、下泄流量q_i和下泄水温(T_out)_i ^obs时间序列，其中，i＝1,2,……,n,n为时间序列个数；

步骤B，通过对h^middle、h^up、h^down进行取值，得出若干组其中，h^middle、h^up、h^down分别为三个待取值的高程变量，其中h^middle和h^up高于水库取水口，h^down低于水库取水口，h^middle位于h^up和h^down之间，j＝1,2,……,k，k为h^middle、h^up、h^down组数；基于下泄水温预测模型建立k个下泄水温预测公式；

步骤C，基于所述步骤A收集的历史实测的垂向水温分布、水位、下泄流量时间序列，得出k个下泄水温预测公式在i时刻的下泄水温预测值

步骤D，将k个下泄水温预测公式所得不同时刻的下泄水温预测值与实测值下泄水温进行对比，进行下泄水温预测模型中三个待取值的高程变量的率定，来确定h^middle、h^up、h^down的取值，进而确定水库的所述下泄水温预测模型。

2.根据权利要求1所述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，其特征在于：所述步骤B中的下泄水温预测模型为，

式中，T表征水温，℃；T_out为所预测的下泄水温，℃；T(h^middle)、T(h^up)、T(h^down)分别表征高程h^middle、h^up、h^down处的水温；Q_full为取水口最大允许下泄流量，q为实际下泄流量，Q_full和q为通过所述步骤A中所收集的水库历史资料确定。

3.根据权利要求1所述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，其特征在于：所述步骤B中三个高程变量h^middle、h^up、h^down的取值，采用随机取值方式。

4.根据权利要求1和2所述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，其特征在于：所述步骤D中下泄水温预测模型中三个待取值的高程变量的率定，采用误差评价指标。

5.根据权利要求4所述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，其特征在于：所述步骤D中误差评价指标采用相对偏差PBIAS来确定k个下泄水温预测公式所得下泄水温预测值与实测值下泄水温之间的偏差，识别最小PBIAS所对应的h^middle、h^up、h^down取值，即下泄水温预测模型拟采用的最佳h^middle、h^up、h^down取值。

6.根据权利要求5所述的一种分层水库取水下泄水温的快速预测方法，其特征在于：所述相对偏差PBIAS具体如式(2)所示：

式中，PBIAS_j为第k个下泄水温预测公式的相对偏差。