CN110826131B

CN110826131B - 大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法、系统及介质

Info

Publication number: CN110826131B
Application number: CN201911065206.1A
Authority: CN
Inventors: 田福文; 周德文; 张微微; 黄运财
Original assignee: Sinohydro Bureau 8 Co Ltd
Current assignee: Sinohydro Bureau 8 Co Ltd
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN110826131A

Abstract

本发明公开了一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法、系统及介质，本发明方法包括建立整体参数矩阵，整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q_A及多个指定的龙口宽度B_i下的计算龙口流量Q_B；根据整体参数矩阵逐行比较，针对每一种指定的龙口宽度B_i查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B得到局部参数矩阵；根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H，最终得到所有指定的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H。本发明能够代替图解法，相对图解法而言能够提高计算参数的适应性、保证计算收敛性、缩短设计周期、减少设计人员的工作量。

Description

大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域和计算机应用领域，具体涉及一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法、系统及介质。

背景技术

截流水力计算成果是截流施工组织的基础，而进行截流水力计算的第一步就是求解不同龙口宽度下的龙口流量与上游水位。目前国内外的截流水力计算中，均采用图解法来进行求解，其原理来自于截流设计流量和恒定，如式(1)所示：

Q₀＝Q_k+Q_d

式(1)中，Q₀为截流设计流量，Q_k为龙口流量，Q_d为分流建筑物分流量。

图解法示意图如图1所示，其中：Q₀为截流设计流量；Q_k为龙口流量；Q_d为分流建筑物分流量；曲线A为分流建筑物上游水位与泄流能力曲线，即为Q_d与H的关系曲线；曲线A₁为曲线A向右平移Q₀得到，本质上为Q_k与H的关系曲线；曲线族B_n为不同龙口宽度B下的计算龙口流量与上游水位H关系曲线族；图解法通过A₁与B_n的每一个交点确定各龙口宽度B条件下的Q_k和H组合。参见图1，图解法截流水力计算的具体操作是通过绘制分流建筑物上游水位与分流能力关系曲线A及在不同龙口宽度下的计算龙口流量与上游水位关系曲线族B_n，对曲线A进行平移操作得到曲线A₁，从而寻找到曲线A₁到与曲线族B_n的每一个交点，进而通过确定不同龙口宽度B对应的实际龙口流量Q与上游水位H。

然而，一般的计算模型和计算方法不支持对不规则曲线交点的求取，通过联立曲线方程进行求解也存在Q_k和Q_d流量曲线函数不是标准函数，仍然需要进行复杂的拟合试算，而人工试算困难且繁琐的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法、系统及介质，本发明能够利用参数矩阵建立数值算法的流量方程进行特定龙口宽度B所对应的龙口流量Q与上游水位H的求解，以代替图解法，从而提高计算参数的适应性、保证计算收敛性、缩短设计周期、减少设计人员的工作量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法，实施步骤包括：

1)建立大江截流的整体参数矩阵，所述整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q_A以及多个指定的龙口宽度B_i下的计算龙口流量Q_B；

2)根据整体参数矩阵进行逐行比较，针对每一种指定的龙口宽度B_i查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B得到局部参数矩阵；

3)根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H，最终得到所有指定的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H。

可选地，步骤2)中查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B具体是指查找满足预设条件第i行Q_B<Q_A且第i+1行Q_A>Q_B的两行记录。

可选地，步骤3)中根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H的详细步骤包括：以龙口流量Q和上游水位H构建坐标系，通过插值法在其局部参数矩阵中找到待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B之间的交点，从而得到该交点在所述坐标系中坐标对应的龙口流量Q和上游水位H。

可选地，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)假定龙口段的上游水位H，结合分流建筑物泄流能力及截流设计流量和恒定的原理，反推和龙口宽度B无关的待泄龙口流量Q_A，从而得到假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q_A；

1.2)指定多个龙口宽度B_i，分别针对各个指定的龙口宽度B_i结合假定的上游水位H计算在假定工况下的计算龙口流量Q_B；

1.3)将假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q_A，以及各个指定的龙口宽度B_i在对应上游水位H的计算龙口流量Q_B构建得到大江截流的整体参数矩阵。

此外，本发明还提供一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，包括：

整体参数矩阵构建程序单元，用于建立大江截流的整体参数矩阵，所述整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q_A以及多个指定的龙口宽度B_i下的计算龙口流量Q_B；

局部参数矩阵构建程序单元，用于根据整体参数矩阵进行逐行比较，针对每一种指定的龙口宽度B_i查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B得到局部参数矩阵；

结果生成程序单元，用于根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H，最终得到所有指定的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H。

可选地，所述局部参数矩阵构建程序单元查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B具体是指查找满足预设条件第i行Q_B<Q_A且第i+1行Q_A>Q_B的两行记录。

可选地，所述结果生成程序单元根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H的详细步骤包括：以龙口流量Q和上游水位H构建坐标系，通过插值法在其局部参数矩阵中找到待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B之间的交点，从而得到该交点在所述坐标系中坐标对应的龙口流量Q和上游水位H。

可选地，所述整体参数矩阵构建程序单元包括：

上游水位及待泄龙口流量构建程序模块，用于假定龙口段的上游水位H，结合分流建筑物泄流能力及截流设计流量和恒定的原理，反推和龙口宽度B无关的待泄龙口流量Q_A，从而得到假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q_A；

上游水位及计算龙口流量构建程序模块，用于指定多个龙口宽度B_i，分别针对各个指定的龙口宽度B_i结合假定的上游水位H计算在假定工况下的计算龙口流量Q_B；

整体参数矩阵组合程序模块，用于将假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q_A，以及各个指定的龙口宽度B_i在对应上游水位H的计算龙口流量Q_B构建得到大江截流的整体参数矩阵。

此外，本发明还提供一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明方法旨在通过输入工程参数，通过泄流能力计算得到的待泄龙口流量Q_A，根据假定的龙口宽度B以及上游水位H，逐步计算相应的计算龙口流量Q_B，从而建立与龙口宽度B、上游水位H、待泄龙口流量Q_A、计算龙口流量Q_B有关的整体参数矩阵。通过在整体参数矩阵中查找最相近条件下的待泄龙口流量与计算龙口流量组，构建局部参数矩阵。通过局部参数矩阵插值求解特定龙口宽度所对应的龙口流量Q与上游水位H。本专利通过建立与龙口宽度B、上游水位H、待泄龙口流量Q_A、计算龙口流量Q_B有关的参数矩阵，并利用参数矩阵建立数值算法的流量方程进行特定龙口宽度B所对应的龙口流量Q与上游水位H的求解，以代替图解法，从而提高计算参数的适应性、保证计算收敛性、缩短设计周期、减少设计人员的工作量。

2、本发明方法通过建立参数矩阵进行数值求解，计算参数能直接反映到矩阵中，计算透明度高、结果直观、效率高、稳定性好，是截流水力计算的强健核心。

附图说明

图1为现有技术图解法进行截流水力计算的原理示意图。

图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图3为本发明实施例中整体参数矩阵的格式示意图。

图4为本发明实施例中整体参数矩阵的数据实例。

图5为本发明实施例中局部参数矩阵的格式示意图。

图6为本发明实施例中局部参数矩阵的数据实例(B＝100m时)。

图7为本发明实施例中的最终参数矩阵。

图8为本发明实施例中的最终计算结果。

具体实施方式

为了便于本领域一般技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作详细描述。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。在实际使用中，为了计算整个截流过程的水力参数，本发明在设计上存在重复循环的计算步骤，在此仅给出部分龙口宽度对应的上游水位与龙口流量计算过程。

如图2所示，本实施例大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的实施步骤包括：

1)建立大江截流的整体参数矩阵，整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q_A以及多个指定的龙口宽度B_i下的计算龙口流量Q_B；

参见图2，本实施例大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法主要由两大部分组成，分别为包括了从输入工程参数到进行假定参数、典型泄流能力计算处理在内的计算环境构建部分，以及作为核心内容的建立整体参数矩阵并通过对整体参数矩阵进行处理求解部分。

本实施例中，前期准备计算环节包括：输入工程参数，建立截流水力计算环境。进行分流建筑物泄流能力计算，得到分流建筑物上游水位与下泄流量关系。结合假定龙口段上游水位H，反推待泄龙口流量Q_A。根据工程参数假定龙口宽度B，结合假定上游水位H，求得在假定工况下的计算龙口流量Q_B。在本实例中，截流设计流量为3910m³/s，对应下游水位27.30m；假定上游水位H以下游水位为起点，取水位步长0.10m进行逐步增加，为后续计算便利，在此扩大计算范围，假定上游水位将增长到待泄龙口流量Q_A为负值为止。结合分流建筑物分流能力计算，可得H＝28.20m时Q_A即为负值，有Q_A＝-96.80m³/s。假定龙口宽度B以河面宽100m为起点，取步长10m进行逐步减少。结合假定龙口宽度B、假定上游水位H与龙口流量计算公式，可得计算龙口流量Q_B。

如图2所示，本实施例中步骤1)的详细步骤包括：

其中，在进行截流水力计算之前需要将相关工程计算参数输入，建立截流水力计算环境。相关工程计算参数包括截流设计流量、设计流量对应下游水位、下游河床高程、戗堤顶部高程、戗堤各个侧面边坡系数、最大龙口宽度等一系列对于不同工程而有所不同的截流水力计算所需要的基本参数。在本发明中还包括上游水位与龙口宽度的假定、导流建筑物泄流能力计算。随着工程技术的快速发展，目前国内外关于施工截流方面的设计资料及施工技术已经日趋成熟，结合水力学计算原理建立的截流水力计算环境的技术理论已十分成熟，不是本发明主要内容，在此不做详述。

本实施例中，假定龙口段的上游水位H，结合分流建筑物泄流能力(分流建筑物上游水位与下泄流量关系)及截流设计流量和恒定，反推待泄龙口流量Q_A。由于Q_A没有与进行龙口宽度B结合，得到的水力参数没有工程实际意义。因此本发明通过假定龙口宽度B，结合假定的上游水位H，得在假定工况下的计算龙口流量Q_B，再根据假定龙口宽度B、假定上游水位H、龙口流量Q_A、龙口流量Q_B建立整体参数矩阵，将龙口宽度B纳入考虑范围。最终得到的整体参数矩阵如图3所示。在本实例中，根据前期准备过程的计算结果，建立的整体参数矩阵如图4所示。假定龙口宽度从100m按10m步长递减到0m，在此仅给出部分龙口宽度；假定上游水位从27.30m按0.10m步长递增到28.30m。

由水力学原理，随着假定上游水位H增加，对应计算龙口流量Q_B值将会随之增长；随着合龙过程不断进行，龙口宽度B不断减少，对应Q_B值将会随之消减。而Q_A是由泄流量反推得到的待泄龙口流量，随上游水位增加泄流能力增强，Q_A将会随之消减；因此整体参数矩阵必然存在一个这样的局部现象：在这个局部的参数矩阵中，相同龙口宽度的计算龙口流量Q_B包含了与之相同上游水位的龙口流量Q_A，从而可以通过插值求解得到这一特定龙口宽度所对应的龙口流量Q与上游水位H。在本发明中，通过对每一龙口宽度下的计算龙口流量Q_B与待泄龙口流量Q_A进行逐行比较来判断并查找局部参数矩阵。以龙口宽度B1为例，具体局部参数矩阵如图5所示，若在较低的上游水位H7有Q7<qL61；较高的上游水位H8有Q8>qL71，此时区间【qL61，qL71】包含区间【Q7，Q8】，此时B1、H7、H8、qL61、qL71、Q7、Q8共同构成局部参数矩阵。图5中为了便于区分，局部参数矩阵中H、B较为连续不进行处理，对流量进行斜体加粗处理。

本实施例中，步骤2)中查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B具体是指查找满足预设条件第i行Q_B<Q_A且第i+1行Q_A>Q_B的两行记录。参见图6，以假定龙口宽度B＝100m为例：首先针对于假定龙口宽度B＝100m，查找到计算龙口流量Q_B上的对应列，与待泄龙口流量Q_A进行逐行比较来判断并查找局部参数矩阵。由于随H增加，Q_A减少，Q_B增加，必然能找到相关的两行，满足第i行Q_B<Q_A，第i+1行Q_A>Q_B。具体到实例中，即为27.60m与27.70m的上游水位所对应的两行，H＝27.60m时Q_B＝1084.87m³/s<Q_A＝1596.67m³/s，H＝27.70m时Q_A＝1253.32m³/s>Q_B＝1238.80m³/s，从而建立假定龙口宽度B＝100m时的局部参数矩阵。

本实施例中，步骤3)中根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H的详细步骤包括：以龙口流量Q和上游水位H构建坐标系，通过插值法在其局部参数矩阵中找到待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B之间的交点，从而得到该交点在坐标系中坐标对应的龙口流量Q和上游水位H。以图5为例，对这个局部参数矩阵而言【qL61，qL71】趋势增加，【Q7，Q8】趋势减少，因此两者必定存在一个交点，这个交点即为龙口宽度B1实际对应的龙口流量Q，再将此龙口流量Q代入【H7，H8】对应的【Q7，Q8】即可插值得到实际对应的上游水位H。在本实例中，针对于龙口宽度B＝100m，假定上游水位H＝27.60m时Q_B＝1084.87m³/s<Q_A＝1596.67m³/s、假定上游水位H＝27.70m时Q_A＝1253.32m³/s>Q_B＝1238.80m³/s。通过线性计算可以得到H＝27.697m时Q_A＝Q_B＝1248.67m³/s，即在龙口宽度B＝100m时，实际对应的上游水位H＝27.697m，龙口流量Q＝1248.67m³/s。

本实施例中，所有局部参数矩阵构成的最终参数矩阵如图7所示，通过步骤3)计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H后，最终得到的由所有指定的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H所构成的最终计算结果如图8所示。

此外，本实施例还提供一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，包括：

整体参数矩阵构建程序单元，用于建立大江截流的整体参数矩阵，整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q_A以及多个指定的龙口宽度B_i下的计算龙口流量Q_B；

本实施例中，局部参数矩阵构建程序单元查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B具体是指查找满足预设条件第i行Q_B<Q_A且第i+1行Q_A>Q_B的两行记录。

本实施例中，结果生成程序单元根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B_i所对应的龙口流量Q和上游水位H的详细步骤包括：以龙口流量Q和上游水位H构建坐标系，通过插值法在其局部参数矩阵中找到待泄龙口流量Q_A与计算龙口流量Q_B之间的交点，从而得到该交点在坐标系中坐标对应的龙口流量Q和上游水位H。

本实施例中，整体参数矩阵构建程序单元包括：

此外，本实施例还提供一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行本实施例前述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行本实施例前述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行本实施例前述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的计算机程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法，其特征在于实施步骤包括：

1）建立大江截流的整体参数矩阵，所述整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q _A以及多个指定的龙口宽度B _i下的计算龙口流量Q _B；

2）根据整体参数矩阵进行逐行比较，针对每一种指定的龙口宽度B _i查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量QA与计算龙口流量QB得到局部参数矩阵；

3）根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B _i所对应的龙口流量Q和上游水位H，最终得到所有指定的龙口宽度B _i所对应的龙口流量Q和上游水位H；

步骤1）的详细步骤包括：

1.1）假定龙口段的上游水位H，结合分流建筑物泄流能力及截流设计流量和恒定的原理，反推和龙口宽度B无关的待泄龙口流量Q _A，从而得到假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q _A；

1.2）指定多个龙口宽度B _i，分别针对各个指定的龙口宽度B _i结合假定的上游水位H计算在假定工况下的计算龙口流量Q _B；

1.3）将假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q _A，以及各个指定的龙口宽度B _i在对应上游水位H的计算龙口流量Q _B构建得到大江截流的整体参数矩阵；

步骤3）中根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B _i所对应的龙口流量Q和上游水位H的详细步骤包括：以龙口流量Q和上游水位H构建坐标系，通过插值法在其局部参数矩阵中找到待泄龙口流量QA与计算龙口流量QB之间的交点，从而得到该交点在所述坐标系中坐标对应的龙口流量Q和上游水位H。

2.根据权利要求1所述的大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法，其特征在于，步骤2）中查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量QA与计算龙口流量QB具体是指查找满足预设条件第i行Q _B<Q _A且第i+1行Q _A>Q _B的两行记录。

3.一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，其特征在于包括：

整体参数矩阵构建程序单元，用于建立大江截流的整体参数矩阵，所述整体参数矩阵的每一行记录包括上游水位H、待泄龙口流量Q _A以及多个指定的龙口宽度B _i下的计算龙口流量Q _B；

局部参数矩阵构建程序单元，用于根据整体参数矩阵进行逐行比较，针对每一种指定的龙口宽度B _i查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量QA与计算龙口流量QB得到局部参数矩阵；

结果生成程序单元，用于根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B _i所对应的龙口流量Q和上游水位H，最终得到所有指定的龙口宽度B _i所对应的龙口流量Q和上游水位H；

所述整体参数矩阵构建程序单元包括：

上游水位及待泄龙口流量构建程序模块，用于假定龙口段的上游水位H，结合分流建筑物泄流能力及截流设计流量和恒定的原理，反推和龙口宽度B无关的待泄龙口流量Q _A，从而得到假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q _A；

上游水位及计算龙口流量构建程序模块，用于指定多个龙口宽度B _i，分别针对各个指定的龙口宽度B _i结合假定的上游水位H计算在假定工况下的计算龙口流量Q _B；

整体参数矩阵组合程序模块，用于将假定的多个不同上游水位H及其对应的待泄龙口流量Q _A，以及各个指定的龙口宽度B _i在对应上游水位H的计算龙口流量Q _B构建得到大江截流的整体参数矩阵；

所述结果生成程序单元根据局部参数矩阵求解计算对应的龙口宽度B _i所对应的龙口流量Q和上游水位H的详细步骤包括：以龙口流量Q和上游水位H构建坐标系，通过插值法在其局部参数矩阵中找到待泄龙口流量QA与计算龙口流量QB之间的交点，从而得到该交点在所述坐标系中坐标对应的龙口流量Q和上游水位H。

4.根据权利要求3所述的大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，其特征在于，所述局部参数矩阵构建程序单元查找在整体参数矩阵中查找最相近的待泄龙口流量QA与计算龙口流量QB具体是指查找满足预设条件第i行Q _B<Q _A且第i+1行Q _A>Q _B的两行记录。

5.一种大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1或2所述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行权利要求1或2所述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的计算机程序。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1或2所述大江截流龙口流量、上游水位参数矩阵计算方法的计算机程序。