CN110543731B - 一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统。该方法包括：获取干流水库和调蓄水库的基本参数；根据基本参数，结合拟定的调度运用方式计算两个水库的出库流量；根据两个水库的出库流量，利用水流运动特性计算两个水库的水力要素；根据两个水库的水力要素计算两个水库各断面的泥沙冲淤要素；根据水力要素和泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；若否，则根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并进行下一时段的调度模拟；若是，则生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定拟定的调度运用方式的可行性。本发明的模拟方法及系统能够提高供水调度模拟的准确度。

Description

一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及水利工程领域，特别是涉及一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统。

背景技术

一般河流的水资源利用开发是通过在河流上修建单个水利枢纽工程来实现。在高含沙河流(特别是年均含沙量200kg/m³以上)上开发具有供水功能的水库，面临着水库供水与有效库容保持之间难以协调的矛盾。对于高含沙河流，主汛期水库入库含沙量高，水库若蓄洪水来满足供水要求，则极易造成库区严重淤积，水库有效库容难以保持；水库要保持有效库容，主汛期必须有一定敞泄运用的机会，而水库排沙运用则必须泄放水库的蓄水，供水任务就难以保证。如甘肃省庆阳市巴家嘴水库是庆阳市唯一的大型水源工程，水库年均入库含沙量为220kg/m³，为了保证供水安全，水库库容不断淤损，大坝加高加固改造3次仍无法解决泥沙淤积问题，而泥沙淤积严重影响了水库和供水安全。因此，高含沙河流的水资源开发利用需要对水、沙进行分置开发，即采用“干流水库+调蓄水库”的并联水库开发模式，通过干流水库调控泥沙，通过调蓄水库调节供水。其中洪水期干流水库敞泄排沙运用，由支流调蓄水库供水；平水期或者非汛期干流水库调蓄径流，并由干流水库向调蓄水库充水(引干流水库表层清水进入调蓄水库)，经调蓄水库调蓄后向用水对象供水。因此，水库要实现库容保持和供水调节的双重目标，需要确定合理的水库排沙调度和供水调度方式。

水库调度运用方式的合理性多是通过数值模拟手段论证。当前，水库的冲淤计算采用库区泥沙冲淤水动力学模型模拟，水库供水调节采用径流调节模型计算，现有的两个模型是相互独立的模型，径流调节计算只能采用水库的定库容，无法考虑库区泥沙冲淤变化的影响，导致与实际情况不符，从而使得供水调节模拟准确度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统，提高供水调度模拟的准确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法，应用于干流水库和调蓄水库共同调度的水利工程，该模拟方法包括：

获取所述干流水库和所述调蓄水库的基本参数；

根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量；

根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素；

根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素；

根据所述水力要素和所述泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；

判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示否，则根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并返回步骤“根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量”进行下一时段的调度模拟；

若所述第一判断结果表示是，则生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定所述拟定的调度运用方式的可行性。

可选的，所述根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，具体包括：

当所述干流水库进行排沙运用时，以排沙出库流量作为所述干流水库的出库流量；

当所述干流水库进行兴利调节时，以输出到所述调蓄水库的流量与所述干流水库下泄的流量之和作为所述干流水库的出库流量；

以输送给供水用户的流量与所述调蓄水库下泄的流量之和作为所述调蓄水库的出库流量。

可选的，所述根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素，具体包括：

利用公式V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt计算所述干流水库的蓄水量；其中V_t干流为第t时段末干流水库蓄水量，V_t-1干流为第t-1时段末干流水库蓄水量，Q_{入，t干流}为第t时段内干流水库平均入库流量，Q_{出，t干流}为第t时段内干流水库平均出库流量，Δt为计算时间步长；

利用干流水库的水位～库容曲线计算所述干流水库的蓄水量对应的坝前断面水位；

利用公式

计算干流水库库区各断面的流量；其中Q_i为干流水库库区第i断面流量，Dis_i为干流水库第i断面距坝里程；Dis为干流水库库区总长度；

利用公式

进行试算得到干流水库各断面水位和过水面积；其中Q_i-1为第i-1断面流量，Q_i为第i断面流量，A_i-1为第i-1断面过水面积，A_i为第i断面过水面积，Z_i-1为第i-1断面水位，Z_i为第i断面水位；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，g为重力加速度，

J_i-1为第i-1断面能坡，J_i为第i断面的能坡；

将所述各断面的过水面积除以对应断面的过水河宽得到各断面平均水深；

将所述各断面的流量除以对应断面的过水面积得到各断面的平均流速；

利用公式V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt计算所述调蓄水库的蓄水量；其中V_t调蓄为第t时段末调蓄水库蓄水量，V_t-1调蓄为t-1时段末调蓄水库蓄水量；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库出库流量；

利用调蓄水库的水位～库容曲线计算所述调蓄水库的蓄水量对应的调蓄水库水位。

可选的，所述根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素，具体包括：

利用公式

计算干流水库的水流挟沙力；

将所述水流挟沙力代入公式

得到干流水库的分组沙水流挟沙力；

将所述分组沙水流挟沙力代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的含沙量；

将所述各断面分组沙的含沙量代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的冲淤厚度；

其中Q_i+1为干流水库第i+1断面的流量，Q_i为干流水库第i断面的流量；S为含沙量，S_k,i+1为干流水库第i+1断面第k分组沙的含沙量，S_k,i为干流水库第i断面第k分组沙的含沙量；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为干流水库第i断面第k分组沙的挟沙力；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i分别为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积；Δt为计算时间步长；ΔX_i为干流水库第i+1断面与第i断面之间的间距；ΔZ_bk,i为干流水库第i断面第k分组沙的冲淤厚度；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速；D₅₀为床沙中值粒径；γ_s为沙粒容重；γ_m为浑水容重；h为水深；V为断面流速；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；S_*k为第k分组沙的挟沙力；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数；

当所述干流水库的坝前水流含沙量超过预设含沙量阈值时，以所述干流水库的坝前水流含沙量作为所述调蓄水库的引水平均含沙量；

当所述干流水库的坝前水流含沙量低于所述预设含沙量阈值时，利用公式

计算调蓄水库引水平均含沙量；其中S_i为调蓄水库第i断面的含沙量，β为含沙量分布指数，S_a为河床底层含沙量，

为相对水深，a_z＝0.5/h。

一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟系统，应用于干流水库和调蓄水库共同调度的水利工程，所述模拟系统包括：

基本参数获取模块，用于获取所述干流水库和所述调蓄水库的基本参数；

出库流量计算模块，用于根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量；

水力要素计算模块，用于根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素；

泥沙冲淤要素计算模块，用于根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素；

地形更新模块，用于根据所述水力要素和所述泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；

判断模块，用于判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；

返回模块，用于若所述第一判断结果表示否，则根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并返回所述出库流量计算模块进行下一时段的调度模拟；

可行性判断模块，用于若所述第一判断结果表示是，则生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定所述拟定的调度运用方式的可行性。

可选的，所述出库流量计算模块包括：

干流水库出库流量第一计算单元，用于当所述干流水库进行排沙运用时，以排沙出库流量作为所述干流水库的出库流量；

干流水库出库流量第二计算单元，用于当所述干流水库进行兴利调节时，以输出到所述调蓄水库的流量与所述干流水库下泄的流量之和作为所述干流水库的出库流量；

调蓄水库出库流量计算单元，用于以输送给供水用户的流量与所述调蓄水库下泄的流量之和作为所述调蓄水库的出库流量。

可选的，所述水力要素计算模块包括：

干流水库蓄水量计算单元，用于利用公式V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt计算所述干流水库的蓄水量；其中V_t干流为第t时段末干流水库蓄水量，V_t-1干流为第t-1时段末干流水库蓄水量，Q_{入，t干流}为第t时段内干流水库平均入库流量，Q_{出，t干流}为第t时段内干流水库平均出库流量，Δt为计算时间步长；

坝前断面水位计算单元，用于利用干流水库的水位～库容曲线计算所述干流水库的蓄水量对应的坝前断面水位；

干流水库断面流量计算单元，用于利用公式

计算干流水库库区各断面的流量；其中Q_i为干流水库库区第i断面流量，Dis_i为干流水库第i断面距坝里程；Dis为干流水库库区总长度；

干流水库断面水位和面积计算单元，用于利用公式

进行试算得到干流水库各断面水位和过水面积；其中Q_i-1为第i-1断面流量，Q_i为第i断面流量，A_i-1为第i-1断面过水面积，A_i为第i断面过水面积，Z_i-1为第i-1断面水位，Z_i为第i断面水位；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，g为重力加速度，

J_i-1为第i-1断面能坡，J_i为第i断面的能坡；

干流水库平均水深计算单元，用于将所述各断面的过水面积除以对应断面的过水河宽得到各断面平均水深；

干流水库平均流速计算单元，用于将所述各断面的流量除以对应断面的过水面积得到各断面的平均流速；

调蓄水库蓄水量计算单元，用于利用公式V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt计算所述调蓄水库的蓄水量；其中V_t调蓄为第t时段末调蓄水库蓄水量，V_t-1调蓄为t-1时段末调蓄水库蓄水量；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库出库流量；

调蓄水库水位计算单元，用于利用调蓄水库的水位～库容曲线计算所述调蓄水库的蓄水量对应的调蓄水库水位。

可选的，所述泥沙冲淤要素计算模块包括：

水流挟沙力计算单元，用于利用公式

计算干流水库的水流挟沙力；

分组沙水流挟沙力计算单元，用于将所述水流挟沙力代入公式

得到干流水库的分组沙水流挟沙力；

各断面分组沙含沙量计算单元，用于将所述分组沙水流挟沙力代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的含沙量；

各断面分组沙冲淤厚度计算单元，用于将所述各断面分组沙的含沙量代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的冲淤厚度；

其中Q_i+1为干流水库第i+1断面的流量，Q_i为干流水库第i断面的流量；S为含沙量，S_k,i+1为干流水库第i+1断面第k分组沙的含沙量，S_k,i为干流水库第i断面第k分组沙的含沙量；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为干流水库第i断面第k分组沙的挟沙力；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i分别为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积；Δt为计算时间步长；ΔX_i为干流水库第i+1断面与第i断面之间的间距；ΔZ_bk,i为干流水库第i断面第k分组沙的冲淤厚度；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速；D₅₀为床沙中值粒径；γ_s为沙粒容重；γ_m为浑水容重；h为水深；V为断面流速；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；S_*k为第k分组沙的挟沙力；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数；

调蓄水库含沙量第一计算单元，用于当所述干流水库的坝前水流含沙量超过预设含沙量阈值时，以所述干流水库的坝前水流含沙量作为所述调蓄水库引水平均含沙量；

调蓄水库含沙量第二计算单元，用于当所述干流水库的坝前水流含沙量低于所述预设含沙量阈值时，利用公式

计算调蓄水库引水平均含沙量；其中S_i为调蓄水库第i断面的含沙量，β为含沙量分布指数，S_a为河床底层含沙量，

为相对水深，a_z＝0.5/h。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统，通过模拟在冲淤后河道的地形的变化并及时更新基本参数，从而能够实现水库泥沙冲淤对供水调节计算影响的模拟，更加贴近于实际情况，提高供水调节模拟的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法的方法流程图；

图2为实施例2的干流水库和调蓄水库组成的并联水库径流-泥沙联合配置模型进行高含沙河流水库水沙分置调度模拟的流程图；

图3为实施例3不同排沙时段方案贾咀水库高程1030m以下库容变化图；

图4为实施例3不同排沙流量方案贾咀水库高程1030m以下库容变化图；

图5为本发明实施例4高含沙河流水库水沙分置调度模拟系统的系统结构图。

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。

本发明的目的是提供一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统，提高供水调度模拟的准确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

图1为本发明实施例1的高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法的方法流程图。

该高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法，应用于干流水库和调蓄水库共同调度的水利工程，参见图1，该模拟方法包括：

步骤101：获取所述干流水库和所述调蓄水库的基本参数；

步骤102：根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量；

步骤103：根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素；

步骤104：根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素；

步骤105：根据所述水力要素和所述泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；

步骤106：判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示否，则执行步骤107；若所述第一判断结果表示是，则执行步骤108；

步骤107：根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并返回步骤102进行下一时段的调度模拟；

步骤108：生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定所述拟定的调度运用方式的可行性。

可选的，步骤102具体包括：

当所述干流水库进行排沙运用时，以排沙出库流量作为所述干流水库的出库流量；

当所述干流水库进行兴利调节时，以输出到所述调蓄水库的流量与所述干流水库下泄的流量之和作为所述干流水库的出库流量；

以输送给供水用户的流量与所述调蓄水库下泄的流量之和作为所述调蓄水库的出库流量。

可选的，步骤103具体包括：

利用公式V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt计算所述干流水库的蓄水量；其中V_t干流为第t时段末干流水库蓄水量，V_t-1干流为第t-1时段末干流水库蓄水量，Q_{入，t干流}为第t时段内干流水库平均入库流量，Q_{出，t干流}为第t时段内干流水库平均出库流量，Δt为计算时间步长；

利用干流水库的水位～库容曲线计算所述干流水库的蓄水量对应的坝前断面水位；

利用公式

计算干流水库库区各断面的流量；其中Q_i为干流水库库区第i断面流量，Dis_i为干流水库第i断面距坝里程；Dis为干流水库库区总长度；

利用公式

进行试算得到干流水库各断面水位和过水面积；其中Q_i-1为第i-1断面流量，Q_i为第i断面流量，A_i-1为第i-1断面过水面积，A_i为第i断面过水面积，Z_i-1为第i-1断面水位，Z_i为第i断面水位；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，g为重力加速度，

J_i-1为第i-1断面能坡，J_i为第i断面的能坡；

将所述各断面的过水面积除以对应断面的过水河宽得到各断面平均水深；

将所述各断面的流量除以对应断面的过水面积得到各断面的平均流速；

利用公式V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt计算所述调蓄水库的蓄水量；其中V_t调蓄为第t时段末调蓄水库蓄水量，V_t-1调蓄为t-1时段末调蓄水库蓄水量；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库出库流量；

利用调蓄水库的水位～库容曲线计算所述调蓄水库的蓄水量对应的调蓄水库水位。

可选的，步骤104具体包括：

利用公式

计算干流水库的水流挟沙力；

将所述水流挟沙力代入公式

得到干流水库的分组沙水流挟沙力；

将所述分组沙水流挟沙力代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的含沙量；

将所述各断面分组沙的含沙量代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的冲淤厚度；

其中Q_i+1为干流水库第i+1断面的流量，Q_i为干流水库第i断面的流量；S为含沙量，S_k,i+1为干流水库第i+1断面第k分组沙的含沙量，S_k,i为干流水库第i断面第k分组沙的含沙量；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为干流水库第i断面第k分组沙的挟沙力；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i分别为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积；Δt为计算时间步长；ΔX_i为干流水库第i+1断面与第i断面之间的间距；ΔZ_bk,i为干流水库第i断面第k分组沙的冲淤厚度；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速；D₅₀为床沙中值粒径；γ_s为沙粒容重；γ_m为浑水容重；h为水深；V为断面流速；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；S_*k为第k分组沙的挟沙力；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数；

当所述干流水库的坝前水流含沙量超过预设含沙量阈值时，以所述干流水库的坝前水流含沙量作为所述调蓄水库引水平均含沙量；

当所述干流水库的坝前水流含沙量低于所述预设含沙量阈值时，利用公式

计算调蓄水库引水平均含沙量；其中S_i为调蓄水库第i断面的含沙量，β为含沙量分布指数，S_a为河床底层含沙量，

为相对水深，a_z＝0.5/h。

实施例2：

为合理确定高含沙河流水库调度运用方式，实现高含沙河流水库水沙分置并联水库(即干流水库和调蓄水库联合供水的水库)泥沙冲淤和供水调节的模拟目的，采用FORTRAN语言，建立并联水库径流-泥沙联合配置模型，模型功能单元包括基础资料输入、水库调度、水力要素计算、泥沙冲淤计算、河床变形、库容计算、糙率和床沙级配调整和结果输出，可实现计算基础资料输入、库区水流泥沙演进计算、水库供水量计算、库区冲淤量和淤积形态计算、水库库容计算、计算结果输出等。

图2为实施例2的干流水库和调蓄水库组成的并联水库径流-泥沙联合配置模型进行高含沙河流水库水沙分置调度模拟的流程图。

参见图2，该流程包括以下几个过程：

(1)基础资料输入

基础资料输入的目的是为模型计算做好准备。

输入干流水库和调蓄水库实测大断面，输入干流水库来水流量、输沙率及泥沙分组沙颗粒级配等，输入干流水库糙率、挟沙力计算参数、恢复饱和系数等参数，输入供水区需水过程线。若调蓄水库设置在某条支流上，还应输入支流调蓄水库来水来沙量和糙率、挟沙力等参数。

(2)水库调度计算

水库调度计算的目的是根据第(1)步骤输入的入库水沙条件，依据针对高含沙河流水库水沙分置并联水库拟定的调度运用方式，分别计算干流水库和调蓄水库的出库流量，如下：

1)干流水库

干流水库来沙量大，汛期水库遇到合适的水沙条件时(如入库流量大于排沙流量，或入库含沙量大于排沙含沙量)要泄流排沙，以防止泥沙大量淤积在库区导致水库有效库容淤损；汛期其他时段和非汛期，水库还要进行兴利调节，向调蓄水库充蓄水量，并经调蓄水库对供水区供水，满足供水任务。据此，干流水库先拟定一套水库调度运用方式。根据水库调度运用方式，对进入干流水库的水流进行调节，得到出库流量Q_{出，t干流}，当汛期水库排沙运用时，Q_{出，t干流}为排沙出库流量，一般等于

(其中V_可调为排沙水位以上水库蓄水量)；当干流水库蓄水进行兴利调节时，Q_{出，t干流}为充蓄调蓄水库的流量和干流水库需要下泄的生态流量。

2)调蓄水库

调蓄水库的入库流量即从干流水库引入的流量，若调蓄水库设置在支流上，还应加上支流来水量。调蓄水库的出库流量即根据供水要求输送给供水用户的流量和调蓄水库所在支流需要下泄的生态流量。

(3)水力要素计算

水力要素计算的目的是得到干流水库沿程流量、水位、水深、面积、流速等，以及调蓄水库蓄水位和蓄水量变化。即：干流水库，根据第(2)步骤中计算得到的出库流量，首先依据水量平衡原理，计算得到坝前断面水位；再依据水流连续方程，计算得到沿程各断面过流流量；再依据水流运动方程计算得到各断面过流面积、水位等。调蓄水库，根据第(2)步骤中计算得到的出库流量，依据水量平衡原理，计算得到蓄水位和蓄水量。计算过程如下：

1)干流水库

①坝前断面水位计算

根据第(2)步骤水库调度计算得到的出库流量，依据水量平衡原理：

V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt

计算得到水库蓄水量。式中V_t干流、V_t-1干流分别为第t、t-1时段末干流水库蓄水量，单位为m³，其中V_t-1干流已知；Q_{入，t干流}为第t时段内平均入库流量，单位为m³/s；Q_{出，t干流}为第t时段内平均出库流量，单位为m³/s；Δt为计算时间步长。然后，根据计算时段初水库水位～库容曲线，插值得到计算时段末坝前断面水位。当入库水量超过出库水量时，水库蓄水量增加，库水位上升；反之，当入库水量小于出库水量时，水库蓄水量减少，库水位下降。

②库区各断面过流流量计算

库区各断面流量根据水流连续方程计算得到(不考虑库区内支流入汇)：

该式考虑流量沿程变化，采用有限差分法可以离散为：

式中，Q_i为库区第i断面流量，单位为m³/s，Dis_i为第i断面距坝里程，单位为km；Dis为库区总长度，单位为km。断面编号i自上而下依次减小。

③库区各断面过流面积、水位计算

库区各断面面积、水位，根据水流运动方程计算得到：

该式采用有限差分法可以离散为：

式中，Q_i-1、Q_i为第i-1断面、第i断面流量，单位为m³/s；A_i-1、A_i为第i-1断面、第i断面过水面积，单位为m²；Z_i-1、Z_i为第i-1断面、第i断面水位，单位为m；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s²；

J_i-1、J_i为第i-1断面、第i断面的能坡；

单位为m²。

由于第i断面水位Z_i的公式的等号右边A与水位Z有直接关系，因此要试算得到各断面的面积和水位。计算时，由坝前向上游依次推算。坝前断面水位由本步骤中第①步计算得到。

④库区各断面其他水力要素计算

库区各断面平均水深根据本步骤中第③中计算得到的断面过水面积除以过水河宽得到，平均流速等于断面过流流量除以过水面积得到。

2)调蓄水库

调蓄水库主要关注水库蓄水位和蓄水量变化。

汛期干流水库敞泄排沙运用时，由调蓄水库供水；干流水库蓄水兴利运用时，由干流水库向调蓄水库充水，经调蓄水库调蓄后向供水用户供水。调蓄水库的水量主要来自于干流水库引水，若调蓄水库设置在支流上，还应考虑支流来水量。依据水量平衡原理：

V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt

计算得到支流水库蓄水量。式中V_t调蓄、V_t-1调蓄分别为第t、t-1时段末调蓄水库蓄水量，单位为m³；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量，单位为m³/s；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库对外供水量，单位为m³/s，由供水区需水过程和调蓄水库所在支流需要下泄的生态流量之和确定；Δt为计算时间步长，单位为s。然后，根据计算时段初调蓄水库水位～库容曲线，插值得到计算时段末调蓄水库库水位。当进入调蓄水库的流量超过调蓄水库供水量时，水库蓄水量增加，库水位上升；反之，调蓄水库库水位下降。

(4)泥沙冲淤计算

干流水库泥沙冲淤计算的目的是计算各时段内库区各断面分组沙挟沙力、断面分组沙含沙量，调蓄水库泥沙冲淤计算的目的是得到水库引沙量和淤积量。计算时干流水库各断面的流量、水位等水力要素，均通过第(3)步骤计算得到。

1)干流水库

由泥沙连续方程(分粒径组)、河床变形方程联合求解得到。两方程表达式如下：

泥沙连续方程(分粒径组)

河床变形方程

泥沙连续方程采用有限差分法离散为：

河床变形方程采用有限差分法离散为：

此外，方程中涉及的水流挟沙力和分组沙水流挟沙力，采用适合于多沙河流高含沙水流计算的张红武公式：

上述四个公式中：Q_i+1、Q_i为第i+1断面、第i断面的流量，根据第(3)步水力要素计算得到，单位为m³/s；S为含沙量，S_k,i+1、S_k,i为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的含沙量，单位为kg/m³；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为第i断面第k分组沙的挟沙力，采用公式张红武公式计算得到，单位为kg/m³；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i为第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积，单位为m²；Δt为计算时间步长，单位为s；ΔX_i为第i+1断面与第i断面之间的间距，单位为m；ΔZ_bk,i为第i断面第k分组沙的冲淤厚度，单位为m；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速，单位为m/s；D₅₀为床沙中值粒径，单位为mm；γ_s为沙粒容重，取2650kg/m³；γ_m为浑水容重，单位为kg/m³；h为水深，单位为m；V为断面流速，单位为m/s；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数。

首先根据张红武公式，计算各断面分组沙水流挟沙力，然后根据泥沙连续方程和河床变形方程通过有限差分法得到的两个方程联合计算，自库区上游进口断面开始往下计算，求得各断面分组沙水流含沙量。

2)调蓄水库

调蓄水库淤积的泥沙主要来自于干流水库引沙量和自身来沙量。自身来沙量根据进入水库的沙量统计得到，调蓄水库从干流大库引沙量，根据引水流量过程、相应的干流大库引水口含沙量过程及引水历时相乘求得。

调蓄水库从干流水库引水口处的含沙量过程，根据干流水库坝前断面平均含沙量过程，考虑泥沙垂线分布求得。高含沙河流汛期水流含沙量高，根据已建水库实测资料，认为坝前水流含沙量超过300kg/m³时，坝前含沙量比较均匀，基本等于断面平均含沙量；当坝前水流含沙量低于300kg/m³时，考虑含沙量的垂线分布，计算公式为：

式中，β为含沙量分布指数，根据典型多沙河流三门峡等水库实测资料确定，一般为0.6～0.7；S_a为河床底层含沙量，一般为断面平均含沙量的1.19～1.47倍，单位为kg/m³；

为相对水深，a_z＝0.5/h，h为坝前水深，单位为m。

(5)河床变形计算

对于干流水库，根据第(3)～(5)步骤中计算得到的水力要素、泥沙冲淤要素，由河床变形方程的有限差分法离散公式计算各断面的冲淤面积，然后修正各断面高程，得到计算时段末库区河道的地形。

对于调蓄水库，一般无排沙设施，干流水库引入的沙量和支流来沙量在调蓄水库中按平铺淤积考虑。

(6)水库库容计算

根据第(5)步骤中计算时段末修正后的库区地形，采用断面法计算时段末水库的库容曲线，作为下一计算时段水库泥沙冲淤计算和供水调节计算的边界条件。

(7)糙率和床沙级配调整

糙率和床沙级配与库区地形有关，计算时段末，库区地形发生变化后(第(5)步骤计算结果)，应调整糙率和床沙级配，作为下一计算时段水库泥沙冲淤计算和供水调节计算的边界条件。

1)糙率调整

水库冲淤变化过程中，糙率的变化是非常复杂的，作以下处理：

式中：ΔA_i为某时刻断面冲淤面积，由第(5)步骤计算得到；t表示时间；常数α、A₀和起始糙率n_t-1,i,j根据实测库区水面线、断面形态、河床组成等综合确定，计算过程中，要限定糙率计算值不超出一定的范围。

2)床沙级配调整

采用武汉大学韦直林的计算方法。对于每一个断面，淤积物概化为表、中、底三层。表层为泥沙的交换层，中间层为过渡层，底层为泥沙冲刷极限层。假定在每一计算时段内，各层间的界面都固定不变，泥沙交换限制在表层进行，中层和底层暂时不受影响。在时段末，根据床面的冲刷或淤积，往下或往上移动表层和中层，保持这两层的厚度不变，而令底层厚度随冲淤厚度的大小而变化。

(8)结果输出

输出水库库区进出库流量、含沙量、泥沙冲淤变化、河底高程、河道断面、水库供水量过程等结果，并转至下一时段开展计算。当计算总时段等于设定的总时长，计算结束。

(9)模型应用

可利用并联水库径流-泥沙联合配置模型，通过模拟高含沙河流水库库容长期保持情况、供水情况，来论证水库调度运用方式的合理性。经模拟后，若并联水库无法实现水库库容长期保持，则应调整水库排沙调度方式，增加水库排沙机会，然后再次采用并联水库径流-泥沙联合配置模型模拟，直至水库能够合理确定实现兼顾水库有效库容保持和满足供水任务的调度运用方式。或者，高含沙河流水利枢纽工程设计时，可拟定多个水库调度运用方式，采用本实施例提出的并联水库径流-泥沙联合配置模型，从水库库容长期保持情况、供水情况等多个方面比选论证，推荐能实现工程开发任务、充分发挥枢纽工程效益的水库调度运用方式。

本实施例针对高含沙河流水库水沙分置并联水库所公开的并联水库径流-泥沙联合配置模型，实现了水库径流调节和泥沙冲淤耦合计算，使得水库由定库容调节径流向动库容调节径流转变，准确模拟了水库泥沙冲淤和供水调节计算，在水沙演进、径流调节技术的深度融合方面取得了突破性进展，提高了多沙河流水沙调节计算的精度，并突破了以往模型仅限于单库计算的局限性。实施例所公开的模型，可用于高含沙河流水库调度运用方式的论证和水沙分置开发效果的模拟；经模型计算，若水库按原制定的调度运用方式无法实现工程开发任务，则继续调整水库调度运用方式，最终确定合理的水库调度运用方式，为水利枢纽工程设计提供技术支撑。

实施例3：

该实施例3以甘肃马莲河为例进行说明。

甘肃马莲河年均含沙量为280kg/m³，汛期平均含沙量高达406kg/m³，属典型的高含沙河流。为开发利用马莲河水力资源，缓解当地工程性缺水问题，在马莲河上修建水利枢纽工程。马莲河汛期平均含沙量高，汛期水库必须排沙运用来长期保持水库有效库容，但排沙期间水库无法供水，因此马莲河开发采用水沙分置开发模式，建立并联水库即在马莲河干流上修建贾咀水库、在支流砚瓦川上修建调蓄水库，通过干流贾咀水库调控泥沙，支流调蓄水库调节供水来实现水库开发任务。马莲河干流贾咀水库、支流砚瓦川调蓄水库之间通过管道连接。

马莲河水库调度运用方式的制定直接关系到工程开发任务能否实现和工程建设的成败。为充分发挥水库供水效益，并长期保持水库有效库容，小水期(或枯水期)干流贾咀水库蓄水运用，满足下游生态流量，并向砚瓦川调蓄水库充水，由砚瓦川水库对外供水；排沙期当发生大流量高含沙量洪水时，贾咀水库降至死水位排沙运用，减少水库淤积，长期维持水库有效库容；当发生大洪水时，水库调洪运用。因此，需要论证水库调度运用方式中最重要的两个指标：水库排沙运用时段、起排流量。通过并联水库径流-泥沙联合配置模型，分别论证了水库排沙运用时段、起排流量，确定了水库调度运用方式。论证过程如下：

(1)排沙运用时段论证

水库排沙运用时段是水库排沙的主要时期，该时段当入库流量大于起排流量时，水库应降至死水位泄流排沙运用，冲刷前期淤积的泥沙，恢复并保持水库长期有效库容。排沙运用时段以外，水库蓄水运用，满足下游生态流量，并向砚瓦川充水。汛期6～8月是马莲河干流高含沙洪水的主要发生时段，该时段内水库排沙运用，更有利于水库库容的恢复。初步拟定6月1日～8月31日、7月1日～8月31日、6月21日～8月20日、7月1日～8月20日四个排沙运用时段方案进行比较。

①水库有效库容保持情况

模型计算得到的不同排沙时段方案贾咀水库高程1030m以下库容变化见图3。由图可知，排沙时段6月1日～8月31日和7月1日～8月31日方案，水库库容随库区的冲淤变化而增减，水库进入正常运用期以后，泥沙在设计的槽库容中有冲有淤，水库可长期保持有效库容；排沙时段6月21日～8月20日和7月1日～8月20日方案，水库排沙天数少，槽库容逐渐淤损，水库有效库容不断减少，有效库容不能长期保持。

②水库供水量

计算的不同排沙时段水库供水保证率见表1。由表可知，排沙时段6月1日～8月31日方案，排沙天数最多，水库工业供水保证率96.1％，灌溉供水保证率77.2％，小于灌溉设计保证率85％，不能满足灌溉供水任务。排沙时段6月21日～8月20日方案，工业供水保证率97.0％，灌溉供水保证率84.2％，小于灌溉设计保证率85％，不能满足灌溉供水任务。其他两个排沙时段方案，工业和灌溉供水保证率均满足供水要求。

表1不同排沙时段水库供水保证率

③方案比选

排沙时段6月1日～8月31日和7月1日～8月31日方案，水库可长期保持有效库容，但排沙时段6月1日～8月31日方案，灌溉供水保证率小于设计保证率，无法满足灌溉供水任务。因此，贾咀水库排沙时段推荐7月1日～8月31日方案，水库可同时实现长期保持有效库容和满足供水任务。

(2)起排流量论证

马莲河贾咀水库汛期发生高含沙洪水时，水库应尽可能泄流排沙，减少水库淤积。汛期入库水流含沙量较小时，在不影响水库有效库容保持的前提下，可采取蓄水运用的方式增加供水量。因此，需要确定水库排沙的起排流量，即主汛期入库流量大于起排流量时，水库泄水至死水位排沙运用，小于起排流量时，水库可蓄水运用并向砚瓦川调蓄水库充水。起排流量越大，水库排沙天数越少，供水保证率越高。根据入库水沙条件，初步拟定0m³/s(即主汛期7～8月敞泄运用)、10m³/s、20m³/s、30m³/s、40m³/s五个起排流量方案进行比较。

①水库有效库容保持情况

模型计算得到的不同起排流量方案贾咀水库高程1030m以下库容变化见图4。由图可知，起排流量0m³/s、10m³/s和20m³/s方案，水库库容随库区的冲淤变化而增减，水库进入正常运用期，泥沙在设计槽库容中有冲有淤，水库可长期保持有效库容；起排流量30m³/s和40m³/s方案，设计槽库容逐渐淤损，水库有效库容不断减少，不能长期保持。

②水库供水量

不同起排流量方案水库供水保证率见表2。由表可知，起排流量越大，排沙天数越少，水库供水保证率越高。起排流量0m³/s和10m³/s方案，水库工业供水保证率小于设计保证率95.0％，灌溉供水保证率小于设计保证率85.0％，不能满足供水任务。起排流量20m³/s、30m³/s和40m³/s方案，工业供水保证率满足设计保证率95.0％要求，灌溉供水保证率满足设计保证率85.0％要求。

表2不同起排流量方案水库供水保证率

③方案比选

起排流量0m³/s、10m³/s和20m³/s方案，水库可长期保持有效库容，但是起排流量0m³/s、10m³/s方案，工业、灌溉供水保证率均小于设计保证率，无法满足供水任务。因此，起排流量推荐20m³/s，可同时实现长期保持有效库容和满足供水任务。

(3)水库调度运用方式

根据推荐的水库排沙运用时段和起排流量，确定了可同时实现水库有效库容长期保持和满足供水要求的水库调度运用方式。主汛期7月1日～8月31日和调节期9月1日～次年6月30日贾咀水库、砚瓦川水库调度运行方式如下。

①7月1日～8月31日

当入库流量大于起排流量20m³/s时，贾咀水库敞泄运用，水位泄放至死水位后进出库平衡运用，该时期内贾咀水库不向砚瓦川调蓄水库充水。砚瓦川调蓄水库向供水区供水，下泄流量满足生态流量要求。

当入库流量小于起排流量20m³/s时，贾咀水库蓄水拦沙运用，下泄流量满足生态流量要求，同时贾咀水库向砚瓦川水库充水。砚瓦川水库向供水区供水，下泄流量满足生态流量要求。

②9月1日～次年6月30日

贾咀水库蓄水拦沙运用，下泄流量满足生态流量要求，同时贾咀水库向砚瓦川水库充水。贾咀水库水位蓄至正常蓄水位后，入出库平衡运用。

砚瓦川水库向供水区供水，下泄流量满足生态流量要求。

实施例4：

图5为本发明实施例4高含沙河流水库水沙分置调度模拟系统的系统结构图。

该高含沙河流水库水沙分置调度模拟系统，应用于干流水库和调蓄水库共同调度的水利工程。参见图5，所述模拟系统包括：

基本参数获取模块501，用于获取所述干流水库和所述调蓄水库的基本参数；

出库流量计算模块502，用于根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量；

水力要素计算模块503，用于根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素；

泥沙冲淤要素计算模块504，用于根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素；

地形更新模块505，用于根据所述水力要素和所述泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；

判断模块506，用于判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；

返回模块507，用于若所述第一判断结果表示否，则根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并返回出库流量计算模块502进行下一时段的调度模拟；

可行性判断模块508，用于若所述第一判断结果表示是，则生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定所述拟定的调度运用方式的可行性。

可选的，所述出库流量计算模块502包括：

干流水库出库流量第一计算单元，用于当所述干流水库进行排沙运用时，以排沙出库流量作为所述干流水库的出库流量；

干流水库出库流量第二计算单元，用于当所述干流水库进行兴利调节时，以输出到所述调蓄水库的流量与所述干流水库下泄的流量之和作为所述干流水库的出库流量；

调蓄水库出库流量计算单元，用于以输送给供水用户的流量与所述调蓄水库下泄的流量之和作为所述调蓄水库的出库流量。

可选的，所述水力要素计算模块503包括：

干流水库蓄水量计算单元，用于利用公式V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt计算所述干流水库的蓄水量；其中V_t干流为第t时段末干流水库蓄水量，V_t-1干流为第t-1时段末干流水库蓄水量，Q_{入，t干流}为第t时段内干流水库平均入库流量，Q_{出，t干流}为第t时段内干流水库平均出库流量，Δt为计算时间步长；

坝前断面水位计算单元，用于利用干流水库的水位～库容曲线计算所述干流水库的蓄水量对应的坝前断面水位；

干流水库断面流量计算单元，用于利用公式

计算干流水库库区各断面的流量；其中Q_i为干流水库库区第i断面流量，Dis_i为干流水库第i断面距坝里程；Dis为干流水库库区总长度；

干流水库断面水位和面积计算单元，用于利用公式

进行试算得到干流水库各断面水位和过水面积；其中Q_i-1为第i-1断面流量，Q_i为第i断面流量，A_i-1为第i-1断面过水面积，A_i为第i断面过水面积，Z_i-1为第i-1断面水位，Z_i为第i断面水位；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，g为重力加速度，

J_i-1为第i-1断面能坡，J_i为第i断面的能坡；

干流水库平均水深计算单元，用于将所述各断面的过水面积除以对应断面的过水河宽得到各断面平均水深；

干流水库平均流速计算单元，用于将所述各断面的流量除以对应断面的过水面积得到各断面的平均流速；

调蓄水库蓄水量计算单元，用于利用公式V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt计算所述调蓄水库的蓄水量；其中V_t调蓄为第t时段末调蓄水库蓄水量，V_t-1调蓄为t-1时段末调蓄水库蓄水量；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库出库流量；

调蓄水库水位计算单元，用于利用调蓄水库的水位～库容曲线计算所述调蓄水库的蓄水量对应的调蓄水库水位。

可选的，所述泥沙冲淤要素计算模块504包括：

水流挟沙力计算单元，用于利用公式

计算干流水库的水流挟沙力；

分组沙水流挟沙力计算单元，用于将所述水流挟沙力代入公式

得到干流水库的分组沙水流挟沙力；

各断面分组沙含沙量计算单元，用于将所述分组沙水流挟沙力代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的含沙量；

各断面分组沙冲淤厚度计算单元，用于将所述各断面分组沙的含沙量代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的冲淤厚度；

其中Q_i+1为干流水库第i+1断面的流量，Q_i为干流水库第i断面的流量；S为含沙量，S_k,i+1为干流水库第i+1断面第k分组沙的含沙量，S_k,i为干流水库第i断面第k分组沙的含沙量；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为干流水库第i断面第k分组沙的挟沙力；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i分别为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积；Δt为计算时间步长；ΔX_i为干流水库第i+1断面与第i断面之间的间距；ΔZ_bk,i为干流水库第i断面第k分组沙的冲淤厚度；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速；D₅₀为床沙中值粒径；γ_s为沙粒容重；γ_m为浑水容重；h为水深；V为断面流速；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；S_*k为第k分组沙的挟沙力；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数；

调蓄水库含沙量第一计算单元，用于当所述干流水库的坝前水流含沙量超过预设含沙量阈值时，以所述干流水库的坝前水流含沙量作为所述调蓄水库引水平均含沙量；

调蓄水库含沙量第二计算单元，用于当所述干流水库的坝前水流含沙量低于所述预设含沙量阈值时，利用公式

计算调蓄水库引水平均含沙量；其中S_i为调蓄水库第i断面的含沙量，β为含沙量分布指数，S_a为河床底层含沙量，

为相对水深，a_z＝0.5/h。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法及系统，通过模拟在冲淤后河道的地形的变化并及时更新基本参数，从而能够实现水库泥沙冲淤对供水调节计算影响的模拟，更加贴近于实际情况，提高供水调节模拟的准确度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法，应用于干流水库和调蓄水库共同调度的水利工程，其特征在于，所述模拟方法包括：

获取所述干流水库和所述调蓄水库的基本参数；

根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量；

根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素；

根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素；

根据所述水力要素和所述泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；

判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示否，则根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并返回步骤“根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量”进行下一时段的调度模拟；

若所述第一判断结果表示是，则生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定所述拟定的调度运用方式的可行性；

其中，所述根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素，具体包括：

利用公式V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt计算所述干流水库的蓄水量；其中V_t干流为第t时段末干流水库蓄水量，V_t-1干流为第t-1时段末干流水库蓄水量，Q_{入，t干流}为第t时段内干流水库平均入库流量，Q_{出，t干流}为第t时段内干流水库平均出库流量，Δt为计算时间步长；

利用干流水库的水位～库容曲线计算所述干流水库的蓄水量对应的坝前断面水位；

利用公式

计算干流水库库区各断面的流量；其中Q_i为干流水库库区第i断面流量，Dis_i为干流水库第i断面距坝里程；Dis为干流水库库区总长度；

利用公式

进行试算得到干流水库各断面水位和过水面积；其中Q_i-1为第i-1断面流量，Q_i为第i断面流量，A_i-1为第i-1断面过水面积，A_i为第i断面过水面积，Z_i-1为第i-1断面水位，Z_i为第i断面水位；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，g为重力加速度，

J_i-1为第i-1断面能坡，J_i为第i断面的能坡；

将所述各断面的过水面积除以对应断面的过水河宽得到各断面平均水深；

将所述各断面的流量除以对应断面的过水面积得到各断面的平均流速；

利用公式V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt计算所述调蓄水库的蓄水量；其中V_t调蓄为第t时段末调蓄水库蓄水量，V_t-1调蓄为t-1时段末调蓄水库蓄水量；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库出库流量；

利用调蓄水库的水位～库容曲线计算所述调蓄水库的蓄水量对应的调蓄水库水位；

其中，所述根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素，具体包括：

利用公式

计算干流水库的水流挟沙力；

将所述水流挟沙力代入公式

得到干流水库的分组沙水流挟沙力；

将所述分组沙水流挟沙力代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的含沙量；

将所述各断面分组沙的含沙量代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的冲淤厚度；

其中Q_i+1为干流水库第i+1断面的流量，Q_i为干流水库第i断面的流量；S为含沙量，S_k,i+1为干流水库第i+1断面第k分组沙的含沙量，S_k,i为干流水库第i断面第k分组沙的含沙量；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为干流水库第i断面第k分组沙的挟沙力；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i分别为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积；Δt为计算时间步长；ΔX_i为干流水库第i+1断面与第i断面之间的间距；ΔZ_bk,i为干流水库第i断面第k分组沙的冲淤厚度；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速；D₅₀为床沙中值粒径；γ_s为沙粒容重；γ_m为浑水容重；h为水深；V为断面流速；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；S_*k为第k分组沙的挟沙力；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数；

当所述干流水库的坝前水流含沙量超过预设含沙量阈值时，以所述干流水库的坝前水流含沙量作为所述调蓄水库的引水平均含沙量；

当所述干流水库的坝前水流含沙量低于所述预设含沙量阈值时，利用公式

计算调蓄水库引水平均含沙量；其中S_i为调蓄水库第i断面的含沙量，β为含沙量分布指数，S_a为河床底层含沙量，

为相对水深，a_z＝0.5/h。

2.根据权利要求1所述的高含沙河流水库水沙分置调度模拟方法，其特征在于，所述根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，具体包括：

当所述干流水库进行排沙运用时，以排沙出库流量作为所述干流水库的出库流量；

当所述干流水库进行兴利调节时，以输出到所述调蓄水库的流量与所述干流水库下泄的流量之和作为所述干流水库的出库流量；

以输送给供水用户的流量与所述调蓄水库下泄的流量之和作为所述调蓄水库的出库流量。

3.一种高含沙河流水库水沙分置调度模拟系统，应用于干流水库和调蓄水库共同调度的水利工程，其特征在于，所述模拟系统包括：

基本参数获取模块，用于获取所述干流水库和所述调蓄水库的基本参数；

出库流量计算模块，用于根据所述基本参数，结合对所述干流水库和所述调蓄水库拟定的调度运用方式计算所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量；

水力要素计算模块，用于根据所述干流水库和所述调蓄水库的出库流量，利用水流运动特性计算所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素；

泥沙冲淤要素计算模块，用于根据所述干流水库和所述调蓄水库的水力要素计算所述干流水库和所述调蓄水库各断面的泥沙冲淤要素；

地形更新模块，用于根据所述水力要素和所述泥沙冲淤要素计算当前时段末河道的地形；

判断模块，用于判断是否到达模拟结束时刻，得到第一判断结果；

返回模块，用于若所述第一判断结果表示否，则根据所述当前时段末河道的地形更新下一时段的基本参数，并返回所述出库流量计算模块进行下一时段的调度模拟；

可行性判断模块，用于若所述第一判断结果表示是，则生成模拟结果，并根据所述模拟结果确定所述拟定的调度运用方式的可行性；

其中，所述水力要素计算模块包括：

干流水库蓄水量计算单元，用于利用公式V_t干流-V_t-1干流＝(Q_{入，t干流}-Q_{出，t干流})Δt计算所述干流水库的蓄水量；其中V_t干流为第t时段末干流水库蓄水量，V_t-1干流为第t-1时段末干流水库蓄水量，Q_{入，t干流}为第t时段内干流水库平均入库流量，Q_{出，t干流}为第t时段内干流水库平均出库流量，Δt为计算时间步长；

坝前断面水位计算单元，用于利用干流水库的水位～库容曲线计算所述干流水库的蓄水量对应的坝前断面水位；

干流水库断面流量计算单元，用于利用公式

计算干流水库库区各断面的流量；其中Q_i为干流水库库区第i断面流量，Dis_i为干流水库第i断面距坝里程；Dis为干流水库库区总长度；

干流水库断面水位和面积计算单元，用于利用公式

进行试算得到干流水库各断面水位和过水面积；其中Q_i-1为第i-1断面流量，Q_i为第i断面流量，A_i-1为第i-1断面过水面积，A_i为第i断面过水面积，Z_i-1为第i-1断面水位，Z_i为第i断面水位；ΔX_i为第i-1断面与第i断面之间的间距，g为重力加速度，

J_i-1为第i-1断面能坡，J_i为第i断面的能坡；

干流水库平均水深计算单元，用于将所述各断面的过水面积除以对应断面的过水河宽得到各断面平均水深；

干流水库平均流速计算单元，用于将所述各断面的流量除以对应断面的过水面积得到各断面的平均流速；

调蓄水库蓄水量计算单元，用于利用公式V_t调蓄-V_t-1调蓄＝(Q_{入，t调蓄}-Q_{出，t调蓄})Δt计算所述调蓄水库的蓄水量；其中V_t调蓄为第t时段末调蓄水库蓄水量，V_t-1调蓄为t-1时段末调蓄水库蓄水量；Q_{入，t调蓄}为第t时段内调蓄水库平均入库流量，包括从干流水库中的引水量和调蓄水库自身来水量；Q_{出，t调蓄}为第t时段内调蓄水库出库流量；

调蓄水库水位计算单元，用于利用调蓄水库的水位～库容曲线计算所述调蓄水库的蓄水量对应的调蓄水库水位；

其中，所述泥沙冲淤要素计算模块包括：

水流挟沙力计算单元，用于利用公式

计算干流水库的水流挟沙力；

分组沙水流挟沙力计算单元，用于将所述水流挟沙力代入公式

得到干流水库的分组沙水流挟沙力；

各断面分组沙含沙量计算单元，用于将所述分组沙水流挟沙力代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的含沙量；

各断面分组沙冲淤厚度计算单元，用于将所述各断面分组沙的含沙量代入公式

得到干流水库的各断面分组沙的冲淤厚度；

其中Q_i+1为干流水库第i+1断面的流量，Q_i为干流水库第i断面的流量；S为含沙量，S_k,i+1为干流水库第i+1断面第k分组沙的含沙量，S_k,i为干流水库第i断面第k分组沙的含沙量；S_*为水流挟沙力；S_*k,i为干流水库第i断面第k分组沙的挟沙力；γ为淤积物干容重；ΔA_dk,i+1、ΔA_dk,i分别为干流水库第i+1断面、第i断面第k分组沙的冲淤面积；Δt为计算时间步长；ΔX_i为干流水库第i+1断面与第i断面之间的间距；ΔZ_bk,i为干流水库第i断面第k分组沙的冲淤厚度；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，ω_k为第k分组沙的泥沙沉速；D₅₀为床沙中值粒径；γ_s为沙粒容重；γ_m为浑水容重；h为水深；V为断面流速；κ为卡门常数，

S_v为利用体积比计算的进口断面平均含沙量；S_*k为第k分组沙的挟沙力；P_k为上游断面来沙级配；P_uk为表层床沙级配；n为泥沙粒径分组数；

调蓄水库含沙量第一计算单元，用于当所述干流水库的坝前水流含沙量超过预设含沙量阈值时，以所述干流水库的坝前水流含沙量作为所述调蓄水库引水平均含沙量；

调蓄水库含沙量第二计算单元，用于当所述干流水库的坝前水流含沙量低于所述预设含沙量阈值时，利用公式

计算调蓄水库引水平均含沙量；其中S_i为调蓄水库第i断面的含沙量，β为含沙量分布指数，S_a为河床底层含沙量，

为相对水深，a_z＝0.5/h。

4.根据权利要求3所述的高含沙河流水库水沙分置调度模拟系统，其特征在于，所述出库流量计算模块包括：

干流水库出库流量第一计算单元，用于当所述干流水库进行排沙运用时，以排沙出库流量作为所述干流水库的出库流量；

干流水库出库流量第二计算单元，用于当所述干流水库进行兴利调节时，以输出到所述调蓄水库的流量与所述干流水库下泄的流量之和作为所述干流水库的出库流量；

调蓄水库出库流量计算单元，用于以输送给供水用户的流量与所述调蓄水库下泄的流量之和作为所述调蓄水库的出库流量。

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