CN110110455B - 给定流量下调节闸门开度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种给定流量下调节闸门开度的方法。其包括根据闸门的孔的数量以及给定流量Q，利用Saint‑Venant方程组，获取渠道的横断面尺寸；对渠道俯视平面用非结构化网格进行空间离散；并以实线交点定义水位信息，虚线交点定义流量信息，且闸门位于虚线上；采用全隐式标量耗散有限体积法求解Saint‑Venant方程组，并根据Saint‑Venant方程组的解建立过闸水运动实时并行计算模型；以给定流量Q为过闸水运动实时并行计算模型的内边界条件，并以小于等于闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，运算过闸水运动实时并行计算模型，获得恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值；调节渠道的闸门开度，直至实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值吻合。

Description

给定流量下调节闸门开度的方法
技术领域
本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种给定流量下调节闸门开度的方法。
背景技术
给定渠道控制节点处的流量后，如何设定闸门开度，在流域或灌区地表水网调控过程中极其重要。传统的确定闸门开度的方法是比例分配法，即基于最大开度对应的过流量和无开度时零过流量，开等比例的分配流量与开度。该方法简洁易用，但完全未考虑水运动过程的势能与动能梯度驱动的非线性特征，故精度不高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种更加精准的给定流量下调节闸门开度的方法。
为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种给定流量下调节闸门开度的方法，其包括：
S1、根据闸门的孔的数量以及给定流量Q，利用Saint-Venant方程组，获取渠道的横断面尺寸；
S2、对渠道俯视平面用非结构化网格进行空间离散；
S3、在空间离散后的非结构化网格中，以实线交点定义水位信息，虚线交点定义流量信息，且闸门位于虚线上；
S4、根据步骤S3中的流量和水位的定义，采用全隐式标量耗散有限体积法求解Saint-Venant方程组，并根据Saint-Venant方程组的解建立过闸水运动实时并行计算模型；
S5、以给定流量Q为过闸水运动实时并行计算模型的内边界条件，并以小于等于闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，运算过闸水运动实时并行计算模型，获得过闸水流运动过程唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值；
S6、调节渠道的闸门开度，直至实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值吻合，此时的闸门开度即给定流量Q下的闸门开度。
进一步地，当闸门的孔的数量为1时，Saint-Venant方程组为：
Figure GDA0002255570360000021
Figure GDA0002255570360000022
其中：地表水位ζ＝h+zb，h为地表水深(m)、zb是地表相对高程(m)；t为时间坐标(s)；s为沿渠道方向的距离坐标(m)；Q为给定流量(m3/s·m)；
Figure GDA0002255570360000023
为渠道的过流速度(m/s)；A为渠道的过流断面面积(m2)；R为渠道的水力半径(m)；g＝9.8为重力加速度(m/s2)；n为地表糙率(s/m1/3)；
当闸门的孔的数量大于1时，Saint-Venant方程组为：
Figure GDA0002255570360000024
Figure GDA0002255570360000026
其中，x和y为以闸门方向为X轴，渠道方向为Y轴的坐标系中的坐标(m)；u和v分别为水流沿x和y坐标向的垂向均布流速(m/s)；qx和qy分别为水流沿x和y坐标向的单宽流量(m2/s)。
进一步地，步骤S4中，以闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，若过闸水流运动过程无法达到恒定流态，则逐渐减小上游水位边界条件后运算过闸水运动实时并行计算模型，直至获得唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值。
进一步地，当实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的上游水位值和下游水位值的误差值小于预设误差值时，即判定为吻合。
本发明的有益效果为：
本发明以上游水位和下游水位为调控目标，通过Saint-Venant方程组完全考虑水运动过程的势能与动能梯度驱动机制的非线性特征来建立流量、水位和闸门开度这三者之间的定量映射关系，进而更加精准地确定给定流量下的闸门开度。并且本发明无需闸门具体的几何参数，即能确定单孔或多孔闸门的开度。
附图说明
图1为本方法的局部流程图；
图2为闸门的孔的数量大于1时，空间离散后的非结构化网格中水位、流量及闸门定位位置示意图；
图3为河北冶河灌区的鹿泉大李庄试验点的闸门和渠道底部几何尺寸图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，该给定流量下调节闸门开度的方法，包括：
S1、根据闸门的孔的数量以及给定流量Q，利用Saint-Venant方程组，获取渠道的横断面尺寸；
S2、对渠道俯视平面用非结构化网格进行空间离散；
S3、在空间离散后的非结构化网格中，以实线交点定义水位信息，虚线交点定义流量信息，且闸门位于虚线上；
S4、根据步骤S3中的流量和水位的定义，采用全隐式标量耗散有限体积法求解Saint-Venant方程组，并根据Saint-Venant方程组的解建立过闸水运动实时并行计算模型；
S5、以给定流量Q为所述过闸水运动实时并行计算模型的内边界条件，并以小于等于闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，运算过闸水运动实时并行计算模型，获得过闸水流运动过程唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值；
S6、调节渠道的闸门开度，直至实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值吻合，此时的闸门开度即给定流量Q下的闸门开度。
实施时，本方案优选步骤S1中，当闸门的孔的数量为1时，Saint-Venant方程组为：
Figure GDA0002255570360000041
Figure GDA0002255570360000042
其中：地表水位ζ＝h+zb，h为地表水深(m)、zb是地表相对高程(m)；t为时间坐标(s)；s为沿渠道方向的距离坐标(m)；Q为给定流量(m3/s·m)；
Figure GDA0002255570360000043
为渠道的过流速度(m/s)；A为渠道的过流断面面积(m2)；R为渠道的水力半径(m)；g＝9.8为重力加速度(m/s2)；为地表糙率(s/m1/3)；
当闸门的孔的数量大于1时，Saint-Venant方程组为：
Figure GDA0002255570360000051
其中，x和y为以闸门方向为X轴，渠道方向为Y轴的坐标系中的坐标(m)；u和v分别为水流沿x和y坐标向的垂向均布流速(m/s)；qx和qy分别为水流沿x和y坐标向的单宽流量(m2/s)，此时Q＝hu。
并且，在步骤S4中，以闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，若过闸水流运动过程无法达到恒定流态，则逐渐减小上游水位边界条件后运算过闸水运动实时并行计算模型，直至获得唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值。
在步骤S5中，当实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的上游水位值和下游水位值的误差值小于预设误差值时，即判定为吻合。
下面以河北冶河灌区的鹿泉大李庄试验点为例，应用上述方法。
该试验点的闸门和渠底几何尺寸见图2，其中，渠道两侧的坡度为10°。基于这些渠道几何参数，在给定流量Q分别为16.85(m3/s)、17.36(m3/s)和18.21(m3/s)的条件下，上下游水位的实测值和唯一恒定流态下的模拟值以及流量的给定值和实测值与闸门开度的对应表如下：
Figure GDA0002255570360000054
以上述河北冶河灌区的鹿泉大李庄试验点为例，采用传统的比例分配法，在给定流量Q分别为16.85(m3/s)、17.36(m3/s)和18.21(m3/s)的条件下，确定的闸门开度及流量对应表如下：
结果表明当将上下游水位实测值与上下游水位的模拟值吻合时，流量的实测值与给定值之间具有极好的拟合度，由此确定了更加精准的闸门开度。

Claims (3)

1.给定流量下调节闸门开度的方法，其特征在于，包括：
S1、根据闸门的孔的数量以及给定流量Q，利用Saint-Venant方程组，获取渠道的横断面尺寸；
当闸门的孔的数量为1时，Saint-Venant方程组为：
Figure FDA0002255570350000011
其中：地表水位ζ＝h+zb，h为地表水深(m)、zb是地表相对高程(m)；t为时间坐标(s)；s为沿渠道方向的距离坐标(m)；Q为给定流量(m3/s·m)；
Figure FDA0002255570350000016
为渠道的过流速度(m/s)；A为渠道的过流断面面积(m2)；R为渠道的水力半径(m)；g＝9.8为重力加速度(m/s2)；n为地表糙率(s/m1/3)；
当闸门的孔的数量大于1时，Saint-Venant方程组为：
Figure FDA0002255570350000013
Figure FDA0002255570350000014
Figure FDA0002255570350000015
其中，x和y为以闸门方向为X轴，渠道方向为Y轴的坐标系中的坐标(m)；u和v分别为水流沿x和y坐标向的垂向均布流速(m/s)；qx和qy分别为水流沿x和y坐标向的单宽流量(m2/s)；
S2、对渠道俯视平面用非结构化网格进行空间离散；
S3、在空间离散后的非结构化网格中，以实线交点定义水位信息，虚线交点定义流量信息，且闸门位于虚线上；
S4、根据步骤S3中的流量和水位的定义，采用全隐式标量耗散有限体积法求解Saint-Venant方程组，并根据Saint-Venant方程组的解建立过闸水运动实时并行计算模型；
S5、以给定流量Q为所述过闸水运动实时并行计算模型的内边界条件，并以小于等于闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，运算过闸水运动实时并行计算模型，获得过闸水流运动过程唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值；
S6、调节渠道的闸门开度，直至实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值吻合，此时的闸门开度即给定流量Q下的闸门开度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，以闸门最高点处水位值为上游水位边界条件，若过闸水流运动过程无法达到恒定流态，则逐渐减小上游水位边界条件后运算过闸水运动实时并行计算模型，直至获得唯一恒定流态下的模拟上游水位值和下游水位值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S5中，当实测的上游水位值和下游水位值与唯一恒定流态下的上游水位值和下游水位值的误差值小于预设误差值时，即判定为吻合。
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