CN111626564B - 一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法，包括以下具体步骤，采集目标水库水文、泥沙数据；拟定相机敞泄排沙调度方案，由起动流量、持续时间和最小间隔3个参数组成；采用简化计算方法快速计算水库淤积发展过程；根据水库最大允许淤积量确定可行方案。本方法根据水库沙量平衡基本原理计算不同相机敞泄排沙调度参数组合方案下水库淤积发展过程，所需资料较之已有方法更易收集，能更为简单、快速且直观的对比不同相机敞泄排沙调度方案排沙效果，可直接应用于无资料地区水库泥沙估算和水库泥沙设计初期多方案比选工作中。

Description

一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法
技术领域
本发明涉及水库泥沙管理领域，特别是涉及一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法。
背景技术
天然河流上修建水库后，破坏了河道与来水来沙的相对平衡状态，使河道的侵蚀基面发生较大变化，必然引起库区内泥沙的落淤，从而影响水库库容保留和使用寿命。对于在多泥沙河流上修建的水库或面临泥沙淤积问题的中小型水库，相机间歇性敞泄排沙可以较好的协调发电和排沙的关系，是一种经过实践证明行之有效的泥沙管理方式。这种泥沙管理方式的基本思路是利用不同流量水流输沙能力的差异，中小水时蓄水发电，同时将泥沙拦淤在库内以减少过机泥沙；当来流量较大、输沙能力较强且泥沙淤积到一定层度时，迅速降低水库水位至空库或近似空库状态，利用大水输沙能力强的特点将前期淤积的泥沙冲刷出库；如此循环往复，以实现水库长期使用的目的。
这一方式成立的关键是确定合理的相机敞泄排沙调度参数，一般包括起动流量、持续时间、最小间隔等。若起动流量较小，或持续时间较长，或间隔较短，虽可减少泥沙淤积、实现水库长期使用，当频繁的排沙也会显著影响水库的发电效益；反之，虽可增加水库的发电效益，但将难以保证水库的使用寿命。
目前工程设计中泥沙调度方式拟定及效果评估一般常用的有三种方法，包括经验公式法、数学模型法和物理模型法。经验公式法具有简便、快速的特点，一般可用于估算特征水位对水库淤积的影响，但通常难以用于研究间歇性的相机敞泄排沙调度方案对泥沙淤积过程的影响；数学模型法，目前广泛采用的一维模型理论成熟、性能稳定，但水库敞泄排沙具有很强的三维性，一维模型的适用性和稳定性面临着很大挑战，而水库三维水沙模型发展至今仍存在计算复杂、耗时较长、稳定性差等问题，难以普及；物理模型法，是研究水库泥沙问题最为成熟可靠的手段，但该方法成本高、耗时长，难以用于初期多方案比选阶段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法，可直接应用于无资料地区水库泥沙估算和水库泥沙设计初期多方案比选工作中。
本发明一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法，包括以下具体步骤，
(1)采集目标水库水文、泥沙数据，
具体包括：水库坝址长系列或代表系列逐日流量Qi、逐日含沙量Si，i＝1～I，I为总天数；
(2)拟定相机敞泄排沙调度方案，包括起动流量Qn、持续时间tn和最小间隔Δtn，n为方案序号，n＝1……N，N为总方案数；
(3)基于沙量平衡原理，采用简化计算方法快速计算水库淤积发展过程；
(4)根据水库最大允许淤积量选取可行方案。
所述步骤(3)基于沙量平衡原理，采用简化计算方法快速计算水库淤积发展过程的具体步骤如下：
1)逐日计算第一次泄空冲刷起动前的累积淤积量：
Figure GDA0003563284430000031
其中，Vi为累积淤积量；Qi，Si分别为逐日流量和逐日含沙量；dt为每一个计算步长，此处为天；i表征计算第i天，I1为第一次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数；α为入库泥沙沉降效率，取0.8～1；ρs为泥沙平均干容重；
2)判断当入库流量
Figure GDA0003563284430000032
且距离上一次冲刷期末或起始时刻的淤积历时大于最小间隔Δtn时，起动泄空冲刷；
3)判断该次泄空冲刷能否排出调沙库容内前期淤积的泥沙：
如
Figure GDA0003563284430000033
则不能排空；反之，则可以排空；
其中，
Figure GDA0003563284430000034
为第一次泄空冲刷前的累积淤积量；Vmin为排沙底孔底板高程以下无法被冲刷恢复部分的库容损失；I1第一次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数，tn为泄空冲刷持续天数；Smax为泄空冲刷期间最大可能出库含沙量；
4)计算第一次泄空冲刷后的剩余累积淤积量：
如
Figure GDA0003563284430000035
则
Figure GDA0003563284430000036
反之，
Figure GDA0003563284430000037
5)逐日计算第二次泄空冲刷起动前的累积淤积量：
Figure GDA0003563284430000038
其中，I2为第二次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数，且(I2-I1-tn-1)>Δtn；
6)重复步骤2)～5)，直至计算结束，即可得水库按方案n敞泄排沙调度条件下逐日累积冲淤量Vi发展过程，i＝1～I，I为总天数。
所述步骤(4)根据水库最大允许淤积量选取可行方案的具体步骤如下：
①确定水库最大允许淤积量MaxV，取水库死库容作为最大允许淤积量；
④确定各间歇性敞泄排沙调度方案下，淤积过程中的最大淤积量，Vmax,n,n＝1，2，……N；
判断方案是否可行，如Vmax,n>MaxV，则方案不可行；反之，则方案可行，即可生成水库敞泄排沙调度方案。
本发明的技术效果：本方法基于水库沙量平衡基本原理计算不同相机敞泄排沙调度参数组合方案下水库淤积发展过程，所需资料较之已有方法更易收集，能更为简单、快速且直观的对比不同相机敞泄排沙调度方案排沙效果，可直接应用于无资料地区水库泥沙估算和水库泥沙设计初期多方案比选工作中。
附图说明
图1为本发明实施例的水库相机敞泄排沙调度方案快速生成流程示意图，
图2为本发明实施例的输沙量累积频率曲线，
图3为本发明实施例的敞泄排沙调度方案下水库淤积过程图。
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。
如图1至图3所示，一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法，包括以下步骤：
步骤1，采集目标水库水文、泥沙数据。采集水库坝址长系列或代表系列逐日流量Qi、逐日含沙量Si，i＝1～I，I为总天数；
步骤2，拟定相机敞泄排沙调度方案参数，包括步骤2.1和步骤2.2。该步骤的重点是根据水库水沙特性确定起动流量等调度关键参数。
步骤2.1，绘制输沙量累积频率曲线。实施例通过将每日输沙量Qi×Si×dt，按流量Qi自大至小排列，然后计算累积输沙量
Figure GDA0003563284430000051
即可绘制大于某一流量级输沙量累积频率曲线，如图2所示。
步骤2.2，在步骤2.1所绘输沙量累积频率曲线中查找对应某一百分比的流量，即可确定起动流量Qn，大于Qn所对应的累积输沙量所占百分比一般应大于50％；此外，还需确定持续时间tn和最小间隔Δtn，n为方案序号，n＝1，N，N为总方案数。
步骤3，基于沙量平衡原理，采用简化计算方法快速计算水库淤积发展过程。包括步骤3.1～步骤3.6。
步骤3.1逐日计算第一次泄空冲刷起动前的累积淤积量：
Figure GDA0003563284430000052
其中，Vi为累积淤积量；Qi，Si分别为逐日流量和逐日含沙量；dt为每一个计算步长，此处为天；i表征计算第i天，I1为第一次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数；α为入库泥沙沉降效率，一般可取0.8～1；ρs为泥沙平均干容重。
步骤3.2，判断当入库流量
Figure GDA0003563284430000053
且距离上一次冲刷期末或起始时刻的淤积历时大于最小间隔Δtn时，起动泄空冲刷；
步骤3.3，判断该次泄空冲刷能否排出调沙库容内前期淤积的泥沙：如果，
Figure GDA0003563284430000061
则不能排空；反之，则可以排空。
其中，
Figure GDA0003563284430000062
为第一次泄空冲刷前的累积淤积量；Vmin为排沙底孔底板高程以下无法被冲刷恢复部分的库容损失；I1第一次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数，tn为泄空冲刷持续天数；Smax为泄空冲刷期间最大可能出库含沙量，一般取经验值。
步骤3.4，计算第一次泄空冲刷后的剩余累积淤积量：
如果步骤3.3判断可以排空，则
Figure GDA0003563284430000063
反之，
Figure GDA0003563284430000064
步骤3.5，逐日计算第二次泄空冲刷起动前的累积淤积量：
Figure GDA0003563284430000065
其中，I2为第二次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数，且(I2-I1-tn-1)>Δtn。
步骤3.6，重复步骤3.1～3.5，直至计算结束，即可得水库按方案n敞泄排沙调度条件下逐日累积冲淤量Vi发展过程，i＝1～I，I为总天数。
步骤4，根据水库最大允许淤积量选取可行方案，包括步骤4.1～步骤4.3。
步骤4.1，确定水库最大允许淤积量MaxV，一般可取水库死库容作为最大允许淤积量；
步骤4.2，确定各间歇性敞泄排沙调度方案下，淤积过程中的最大淤积量，Vmax,n,n＝1，……N；
步骤4.3，判断方案是否可行，如Vmax,n>MaxV，则方案不可行；反之，则方案可行，即可生成水库敞泄排沙调度方案。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法，其特征在于：包括以下具体步骤，
(1)采集目标水库水文、泥沙数据，
具体包括：水库坝址长系列或代表系列逐日流量Qi、逐日含沙量Si，i＝1～I，I为总天数；
(2)拟定相机敞泄排沙调度方案，包括起动流量Qn、持续时间tn和最小间隔Δtn，n为方案序号，n＝1……N，N为总方案数；
(3)基于沙量平衡原理，采用简化计算方法快速计算水库淤积发展过程；
(4)根据水库最大允许淤积量选取可行方案；
所述步骤(3)基于沙量平衡原理，采用简化计算方法快速计算水库淤积发展过程的具体步骤如下：
1)逐日计算第一次泄空冲刷起动前的累积淤积量：
Figure FDA0003563284420000011
其中，Vi为累积淤积量；Qi，Si分别为逐日流量和逐日含沙量；dt为每一个计算步长，此处为天；i表征计算第i天，I1为第一次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数；α为入库泥沙沉降效率，取0.8～1；ρs为泥沙平均干容重；
2)判断当入库流量
Figure FDA0003563284420000012
且距离上一次冲刷期末或起始时刻的淤积历时大于最小间隔Δtn时，起动泄空冲刷；
3)判断该次泄空冲刷能否排出调沙库容内前期淤积的泥沙：
如
Figure FDA0003563284420000013
则不能排空；反之，则可以排空；
其中，
Figure FDA0003563284420000021
为第一次泄空冲刷前的累积淤积量；Vmin为排沙底孔底板高程以下无法被冲刷恢复部分的库容损失；I1第一次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数，tn为泄空冲刷持续天数；Smax为泄空冲刷期间最大可能出库含沙量；
4)计算第一次泄空冲刷后的剩余累积淤积量：
如
Figure FDA0003563284420000022
则
Figure FDA0003563284420000023
反之，
Figure FDA0003563284420000024
5)逐日计算第二次泄空冲刷起动前的累积淤积量：
Figure FDA0003563284420000025
其中，I2为第二次泄空冲刷起动前水库已运行的总天数，且(I2-I1-tn-1)＞Δtn；
6)重复步骤2)～5)，直至计算结束，即可得水库按方案n敞泄排沙调度条件下逐日累积冲淤量Vi发展过程，i＝1～I，I为总天数。
2.如权利要求1所述的水库相机敞泄排沙调度方案快速生成方法，其特征在于：所述步骤(4)根据水库最大允许淤积量选取可行方案的具体步骤如下：
①确定水库最大允许淤积量MaxV，取水库死库容作为最大允许淤积量；
②确定各间歇性敞泄排沙调度方案下，淤积过程中的最大淤积量，
Vmx，n，n＝1，2，......N；
③判断方案是否可行，如Vmax，n＞MaxV，则方案不可行；反之，则方案可行，即可生成水库敞泄排沙调度方案。
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