CN111784536B - 一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法 - Google Patents

一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法 Download PDF

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CN111784536B CN202010620980.0A CN202010620980A CN111784536B CN 111784536 B CN111784536 B CN 111784536B CN 202010620980 A CN202010620980 A CN 202010620980A CN 111784536 B CN111784536 B CN 111784536B
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Abstract

本发明公开了一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，包括，S1、建立渠段的仿真模型；S2、基于所述仿真模型，确定渠段的单位流量下流量变化率；S3、基于所述仿真模型，确定渠段的流量‑水位‑蓄量关系；S4、拟合实测下游水位变化曲线，并根据拟合获取的实测水位变化率结合渠段的单位流量下流量变化率，获取上游变化流量；S5、根据上游变化流量结合渠段的流量‑水位‑蓄量关系，获取估计下游水位超限时间。优点是：能有效进行提前预警，防止水位超限造成漫溢灾害，损伤渠道；能与为之后渠道的水力调控提供相应参考；且本方法计算结果与传统不平衡流量下仅依靠水位监测数据得到的预警时间相比，不仅提高了精度，更增加了计算效率。

Description

一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法
技术领域
本发明涉及渠道调度及水利信息化研究技术领域，尤其涉及一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法。
背景技术
随着社会经济的发展,人们对水资源的需求量越来越大，修建大型长距离输水工程成为调节水资源时空分布不均，解决水资源供需矛盾的最有效、最直接的手段。而明渠输水方式又因工程投资小、运行费用低、输水流量大、施工便捷的优点受到广泛关注。近年来，随着调水工程的进一步发展，调水特点逐渐趋于长距离、多起伏、泵闸等多水工建筑物联合调度的方向。
明渠调水工程的水情状态是指输水渠道或其他建筑物的水位、流量、流速等水力要素信息。从国内外已有研究和实际应用来看，各类水情状态的感知方法主要包括原型观测(Prototype observation)和数值模拟(Numerical simulation)两种。在明渠调水工程中，水情状态感知大部分依赖物理设备监测，如自动监测设备：投入式水位计、压力式流量计等，部分学者通过水动力仿真模型对工程中不同水力要素的时空变化规律进行了研究。由于监测设备精度或人员操作等原因，在明渠长距离调水过程中，存在应急条件下渠段上下游进出口流量感知不平衡的情况。
河渠进出流量不平衡会导致水位的持续性涨落，长期作用会使得水位突破高、低限值，不仅可能造成水位漫溢，且在下游存在泵站时更可能会引起机组的不安全运行。
现阶段，常用物理设备监测水位趋势估计不平衡流量下水位到达限制水位的时间，此方法优点是原理简单，但实际操作过程中存在监测时间短则实测趋势拟合精度较差、监测时间长则风险较大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，包括如下步骤，
S1、建立渠段的仿真模型；
S2、基于所述仿真模型，确定渠段的单位流量下流量变化率；
S3、基于所述仿真模型，确定渠段的流量-水位-蓄量关系；
S4、拟合实测下游水位变化曲线，并根据拟合获取的实测水位变化率结合渠段的单位流量下流量变化率，获取上游变化流量；
S5、根据上游变化流量结合渠段的流量-水位-蓄量关系，获取估计下游水位超限时间。
优选的，步骤S1包括如下内容，
S11、基于渠系的一维非恒定流圣维南偏微分方程构建渠段水流关系模型，包括连续性方程(1)和动量方程(2)，
Figure BDA0002565135290000021
Figure BDA0002565135290000022
其中，B为水面宽度；z为水深；t为时间；Q为流量；x为断面的距离坐标；q为区间出流量；A为过水断面面积；g为重力加速度；S0为水力坡降；
Figure BDA0002565135290000023
R为水力半径，no为糙率；
S12、根据渠段水流特点，采用Preissann隐式差分格式对渠段水流关系模型进行差分并线性化处理，获取渠段的仿真模型；
S13、为所述渠段的仿真模型增设外部边界条件；
S14、使用高效率的双扫描法求解。
优选的，所述外部边界条件包括上游流量边界和下游流量边界；所述上游流量边界条件为流量时间序列，如下式
Qu＝Q(t) (3)
其中，Qu为上游流量；Q(t)为流量随时间的函数；
对公式(3)作泰勒级数展开，如公式(4)
Figure BDA0002565135290000031
其中，ΔQu是上游流量变化值，
Figure BDA0002565135290000032
是流量时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA0002565135290000033
为同一时间层上一次迭代值；
统一公式(4)与所述渠段的仿真模型的格式，则公式(4)表示为
auΔhu+buΔQu＝eu (5)
Figure BDA0002565135290000034
其中，Δhu是上游水位变化值，
Figure BDA0002565135290000035
是水深时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA0002565135290000036
为同一时间层上一次迭代值；当au＝0、bu＝1.0，
Figure BDA0002565135290000037
优选的，所述下游流量边界条件为流量时间序列，如下式
Qd＝Q(t) (7)
其中，Qd为下游流量；Q(t)是流量随时间的函数；
对式(7)作泰勒级数展开，如公式(8)
Figure BDA0002565135290000038
其中，ΔQd是下游流量变化值，
Figure BDA0002565135290000039
是流量时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA00025651352900000310
为同一时间层上一次迭代值；
统一公式(8)与所述差分方程的格式，则公式(8)表示为：
cdΔhd+ddΔQd＝ed (9)
Figure BDA00025651352900000311
其中，Δhd是下游水位变化值，
Figure BDA00025651352900000312
是水深时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA00025651352900000313
为同一时间层上一次迭代值；cd＝0、dd＝1.0，
Figure BDA00025651352900000314
优选的，步骤S2具体为，渠段上游入流变化的脉冲流量为ΔQ1，则保持上游流量不变，通过给所述仿真模型设置上游和下游流量边界，能够模拟得到下游水位的变化过程；取模拟结果中Tsj时刻水位Zsj，通过公式(11)即可获取单位流量下流量变化率kn，
Figure BDA00025651352900000315
其中，kn为单位流量下流量变化率，n＝1,2,3,…；Zd为下游初始水位；Tz为滞后时间。
优选的，步骤S3具体为，由于渠段在流量、水位恒定时，相应的蓄量也恒定，则根据仿真模型进行相应工况下蓄量的整理，即可获取流量-水位-蓄量关系。
优选的，步骤S4包括如下内容，
S41、拟合实测下游水位变化曲线；在渠段稳态的情况下，上下游出流流量相同，当上游流量增加，下游流量不变时，渠段内水量不断增加，下游水位会经过一段滞后时间Tz后缓慢上升，一直上升直到高于限制水位；当上游流量减少，下游流量不变时，渠段内水量不断减少，下游水位会经过一段滞后时间Tz后缓慢下降，一直下降直到低于限制水位；通过自动监测计可拟合渠段上游流量变化后一段时间0～Tdq时刻下游水位变化趋势，得到当前时刻Tdq对应实测水位变化率an。
S42、结合实测水位变化率和单位流量下流量变化率kn求取上游变化流量ΔQn *；根据单位流量下流量变化率kn和实测水位变化率为an成比例估算上游变化流量
Figure BDA0002565135290000041
如下式(12)
ΔQn *＝an/kn (12)。
优选的，步骤S5包括如下内容，
S51、当渠段内处于恒定流状态时，不同水位和流量对应不同蓄量值，即渠段内水位-流量-蓄量曲线关系可确定；当上下游存在不平衡流量差时，渠段内水位、蓄量和流量会时刻变化；假定上游存在不平衡流量变化前处于恒定流状态，下游当前水位持续到限制预警水位后也维持恒定流状态；
S52、根据公式(13)计算各对应恒定流稳态蓄量之间的时间间隔，即下游水位超限时间；
T1＝(W2-W1)/ΔQn * (13)
其中，W1为上游变化后流量Qc和下游Tdq时刻水位Zdq对应蓄量值；W2为上游变化后流量Qc和下游限制水位Zx对应蓄量值，W1、W2可由流量-水位-蓄量关系线性插值得到；Qc＝Qu+ΔQn *，Qu为变化前上游流量观测值。
本发明的有益效果是：本发明提供的方法，利用实际工况下测得的水位变化情况结合水力学模型基础值估算上下游不平衡流量差，并求下游初始水位到限制水位的时间间隔的方法，通过下游水位超限时间的计算，能有效进行提前预警，防止水位超限造成漫溢灾害，损伤渠道；而且能保证泵站水位稳定，即保证机组高效安全运行，避免因水位超限而引发的机组运行效率下降、机组振动加剧等不利情况；能避免损坏闸门和启闭设备，造成工程运行事故。
附图说明
图1是本发明实施例中方法的流程图；
图2是本发明实施例中工况一5～8小时内实测水位拟合曲线图；
图3是本发明实施例中三种方法的超限时间结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例中，提供了一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，包括如下步骤，
S1、建立渠段的仿真模型；
S2、基于所述仿真模型，确定渠段的单位流量下流量变化率；
S3、基于所述仿真模型，确定渠段的流量-水位-蓄量关系；
S4、拟合实测下游水位变化曲线，并根据拟合获取的实测水位变化率结合渠段的单位流量下流量变化率，获取上游变化流量；
S5、根据上游变化流量结合渠段的流量-水位-蓄量关系，获取估计下游水位超限时间。
上述方法过程针对上下游流量不平衡的明渠渠道，利用工程实测水位变化趋势结合模型基础值，进行不平衡流量差值估计，并运用蓄量差求下游水位到达限制水位时间。通过下游水位超限时间的计算，可进行提前预警，有效避免因水位超限而引发的渠道漫溢、泵站机组振动、闸门和启闭设备损坏等工程事故。圣维南方程是一阶拟线性双曲偏微分方程，一般不能直接求得解析解。本方法根据渠道水流特点，采用Preissann隐式差分格式对其进行差分格式差分并线性化处理，再与渠道上下游内外边界条件联立，采用高效率的双扫描法求解。
本实施例中，所述方法包括五部分内容，包括建立渠段的仿真模型、基于仿真模型确定渠段单位流量下的流量变化率、基于仿真模型确定渠段流量-水位-蓄量关系、基于监测数据的流量不平衡量分析和基于不平衡量分析估计超限时间。
一、建立渠段的仿真模型(通过搜集相关工程的基本参数如断面数据、糙率数据等构造仿真模型)
本实施例中，该内容对应步骤S1，具体包括如下内容，
S11、基于渠系的一维非恒定流圣维南偏微分方程构建渠段水流关系模型，包括连续性方程(1)和动量方程(2)；也就是说，对于水动力学模型，渠道处的水位流量关系描述公式为圣维南方程，
Figure BDA0002565135290000061
Figure BDA0002565135290000062
其中，B为水面宽度，m；z为水深，m；t为时间，s；Q为流量，m3/s；x为断面的距离坐标，m；q为区间出流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；g为重力加速度，m3/s；S0为水力坡降；
Figure BDA0002565135290000063
R为水力半径，no为糙率；
S12、根据渠段水流特点，采用Preissann隐式差分格式对渠段水流关系模型进行差分并线性化处理，获取渠段的仿真模型；
S13、为所述渠段的仿真模型增设外部边界条件；
S14、采用高效率的双扫描法求解。
本实施例中，为了满足仿真模型的定解条件，还需要增加外部边界条件，计算过程中采用上游流量边界和下游流量边界组合。
本实施例中，所述外部边界条件包括上游流量边界和下游流量边界；所述上游流量边界条件为流量时间序列，如下式
Qu＝Q(t) (3)
其中，Qu为上游流量；Q(t)为流量随时间的函数；
对公式(3)作泰勒级数展开，如公式(4)
Figure BDA0002565135290000071
其中，ΔQu是上游流量变化值，
Figure BDA0002565135290000072
是流量时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA0002565135290000073
为同一时间层上一次迭代值；
统一公式(4)与所述渠段的仿真模型的格式，则公式(4)表示为
auΔhu+buΔQu＝eu (5)
Figure BDA0002565135290000074
其中，Δhu是上游水位变化值，
Figure BDA0002565135290000075
是水深时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA0002565135290000076
为同一时间层上一次迭代值；当au＝0、bu＝1.0，
Figure BDA0002565135290000077
所述下游流量边界条件为流量时间序列，如下式
Qd＝Q(t) (7)
其中，Qd为下游流量；Q(t)是流量随时间的函数；
对式(7)作泰勒级数展开，如公式(8)
Figure BDA0002565135290000078
其中，ΔQd是下游流量变化值，
Figure BDA0002565135290000079
是流量时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA00025651352900000710
为同一时间层上一次迭代值；
统一公式(8)与所述差分方程的格式，则公式(8)表示为：
cdΔhd+ddΔQd＝ed (9)
Figure BDA00025651352900000711
其中，Δhd是下游水位变化值，
Figure BDA00025651352900000712
是水深时间函数在(n+1)Δt时刻的值，
Figure BDA00025651352900000713
为同一时间层上一次迭代值；cd＝0、dd＝1.0，
Figure BDA00025651352900000714
二、基于仿真模型确定渠段单位流量下的流量变化率
本实施例中，该部分对应步骤S2，具体为，在渠道上游由于应急事件而引起过流流量的增大或减小时，可利用模型模拟流量变化过程。假设渠段上游入流变化的脉冲流量为ΔQ1，则保持上游流量不变，通过给所述仿真模型设置上游和下游流量边界，能够模拟得到下游水位的变化过程；取模拟结果中Tsj时刻水位Zsj，通过公式(11)即可获取单位流量下流量变化率kn，
Figure BDA0002565135290000081
其中，kn为单位流量下流量变化率，n＝1,2,3,…；Zd为下游初始水位；Tz为滞后时间。
三、基于仿真模型确定渠段流量-水位-蓄量关系
本实施例中，该部分对应步骤S3，具体为，由于渠段在流量、水位恒定时，相应的蓄量也恒定，则根据仿真模型进行相应工况下蓄量的整理，即可获取流量-水位-蓄量关系。
可将流量-水位-蓄量关系整理为表格，即蓄量表，作为基础特征值方便查用，如表1
表1蓄量特征值表
上游流量(设计流量百分比)\下游水位 h1 h2 h3 ...
10％ *** *** *** ***
20％ *** *** *** ***
30％ *** *** *** ***
40％ *** *** *** ***
50％ *** *** *** ***
60％ *** *** *** ***
70％ *** *** *** ***
... *** *** *** ***
已知上游流量变化存在不确定性，表1中左侧流量值可按设计流量的百分比进行增加或减少，还可根据精度要求可以修改流量间隔，上表中间隔以设计流量的10％为例；表1中第一行下游水位取值一般在下游最低限制水位和最高限制水位之间。
四、基于监测数据的流量不平衡量分析(包括拟合实测下游水位变化曲线、结合实测水位和模型单位不平衡流量下水位变化率kn求上游变化流量ΔQn *)
本实施例中，该部分对应步骤S4的内容，具体包括，
S41、拟合实测下游水位变化曲线；在渠段稳态的情况下，上下游出流流量相同(无分水)，当上游流量增加，下游流量不变时，渠段内水量不断增加，下游水位会经过一段滞后时间Tz后缓慢上升，一直上升直到高于限制水位；当上游流量减少，下游流量不变时，渠段内水量不断减少，下游水位会经过一段滞后时间Tz后缓慢下降，一直下降直到低于限制水位；通过自动监测计可拟合渠段上游流量变化后一段时间0～Tdq(Tdq一般取7～10小时)时刻下游水位变化趋势，得到当前时刻Tdq对应实测水位变化率an。
S42、结合实测水位变化率an和单位流量下流量变化率kn求取上游变化流量ΔQn *；在实际工程中，由于暴雨等其他应急情况下突然发生的渠道上游进口流量变化往往是未知的，但下游水位可由水位计等监测设备实测得出。因此可根据渠段模型计算所得的上游进口单位变化流量对应的下游水位变化率kn，和下游实测一段时间的水位变化率an成比例估算上游变化流量
Figure BDA0002565135290000091
如下式所示，
ΔQn *＝an/kn (12)。
五、基于不平衡量分析估计超限时间
本实施例中，该部分对应步骤S5，包括如下内容，
S51、查表1得各稳态蓄量，当渠道上下游进出口未发生流量脉冲变化时，渠道内处于平衡状态，已知渠段在当前时刻到下游到达限制水位时刻内对应上游流量均处于Qu与Qc之间。取各工况下上游变化后流量Qc和下游Tdq时刻水位Zdq对应蓄量值为W1、上游变化后流量Qc和下游限制水位Zx对应蓄量值为W2。查表1可直接或线性插值得到W1、W2；
S52、根据公式(13)计算各对应恒定流稳态蓄量之间的时间间隔，即下游水位超限时间；
T1＝(W2-W1)/ΔQn * (13)
其中，W1为上游变化后流量Qc和下游Tdq时刻水位Zdq对应蓄量值；W2为上游变化后流量Qc和下游限制水位Zx对应蓄量值，W1、W2可由流量-水位-蓄量关系(蓄量表)线性插值得到；Qc＝Qu+ΔQn *，Qu为变化前上游流量观测值。
实施例二
如图2至图3所示，本实施例中，以引江济淮工程的部分渠池为例，按照本发明描述方法，运用模型基础特征值结合实际工程下监测水位，计算不平衡流量下下游水位的超限时间，说明本发明方法的有效性。这里假设数位实际监测值即为模型模拟的水位值。
假设整个渠段系统在上游进口流量发生变化前按照设计流量和初始水位运行，在2min内渠段上游发生应急事件，需要增加设计流量的10％，但中间一个分水口还需满足正常分水，保证其周边用水人员用水需求。
运行工况设置为：渠段上下游均按照设计流量供水，上游设计流量为295m3/s，下游设计流量为290m3/s。应急事件发生需要将上游流量调节为324.5m3/s，且要求变化流量29.5m3/s在2min内调节完成；渠段内含一个分水口，设计分水流量为5m3/s，分水量在整个调控过程中始终保持不变；计算边界采用的是上游定流量，下游定流量；不同运行工况通过改变下游初始水位进行设置。
利用本发明的方法来进行不平衡流量下下游水位超限时间的确定，可为调水过程中机组的安全运行提高保障。设置了实测水位拟合计算超限时间和模型直接模拟到下水位超限时间两种方法作为对比。设本发明的方法为方法1，传统实测水位拟合计算超限时间的方法为方法2，模型直接模拟到下水位超限时间的方法为方法3。
第一步：收集相关的参数指标建立模拟模型，并设置工况
引江济淮工程是沟通长江、淮河两大水系，兼顾城市供水、生态发展和航运等综合性效益的大型跨流域调水工程。主要线路分为三部分，分别是引江济巢段、江淮沟通段和江水北送段。本次研究对象为处于江淮沟通段的派河口泵站～蜀山泵站段，桩号为(桩号3+238-桩号31+070)，全段长27.832km，渠道段内除一个分水口外无其他水工建筑物和蓄水工程。河道底高程为1.8m，糙率为0.025，派河口泵站设计流量为295m3/s，蜀山泵站设计流量290m3/s，下游分水口桩号为23+933，分水流量为5m3/s。
本段泵站水位指标情况如表2所示:
表2上下游泵站正常水位、最低水位和最高水位
Figure BDA0002565135290000111
通常情况下泵站的正常运行水位即为设计水位。在工程调水过程中，由于机组的不同运行情况会使泵站前后运行水位控制在一定幅度内，这里定义最高运行水位为警戒水位，即正常运行时超过这个水位泵站属于较危险状态。而在上游增加进口流量且下游出口流量不变时，下游水位将会持续上升甚至超出限制水位，达到限制水位已经认为泵站运行存在隐患，继续上升可能会造成机组振动等问题，影响工程安全。因此需要求得下游达到限制水位时间并在此时间之前对可能发生的危险工况采取适当应急措施以保障下游泵站和调水的安全运行。
此段工况设置如表3所示：
表3工况设置
Figure BDA0002565135290000112
第二步：基于模型确定派河口～蜀山段单位流量下的流量变化率；
根据所建模型给定上下游流量边界，同时取上游流量开始增加15％，即ΔQ1＝44.25m3/s时刻为0时刻，得到下游水位变化过程。下游初始水位取最低限制到最高限制值之间，即Zdn＝5.8m、6.8m、7.8m、8.8m、9.8m、10.7m，对下游水位变化进行处理，将下游水位开始变化0.01m时设为下游水位开始变化时间，得到各工况滞后时间如表4中Tz所示；取Tsj时间为7h，对应的Zsj如下表所示；根据公式(11)计算可得到不同下游初始水位对应单位不平衡流量下对应的水位变化率kn如下表所示。
表4单位不平衡流量下水位变化率
工况 T<sub>z</sub>(h) Z<sub>sj</sub>(m) ΔQ<sub>1</sub>(m3/s) k<sub>n</sub>(1/m<sup>2</sup>)
一 1.03 6.95 29.5 4.76822E-07
二 1.00 6.91 29.5 4.12752E-07
三 0.97 6.87 29.5 3.66629E-07
四 0.97 6.85 29.5 3.32232E-07
五 0.93 6.83 29.5 3.10042E-07
第三步：基于模型确定派河口～蜀山渠段流量-水位-蓄量关系；
根据模型进行相应五种水位和限制最高水位工况下蓄量表的整理，作为基础特征值方便之后不同对应工况的蓄量查用。这里以上游设计流量的10％、20％-110％、下游初始水位5.8m、6.8m、7.8m、8.8m、9.8m、10.7m为例，计算对应派河口泵站～蜀山泵站段槽蓄量值。
表5蓄量基础特征值(单位：m3)
Figure BDA0002565135290000121
第四步：基于监测数据的流量不平衡量分析方法；
1、拟合实测下游水位变化曲线；
以上游流量变化时间作为0时刻，取Tdq＝8h作为当前时刻，可分析在当前时刻8h下各工况的水位超限时间。五种工况分别取5～8小时的实测下游水位过程进行水位趋势拟合，如图2为工况一5～8小时时间间隔内下游水位趋势线，下表6为五种工况下水位拟合结果。
表6实测水位变化率
Figure BDA0002565135290000131
表中，Zdq为五种工况下游Tdq时刻对应水位；Zx为下游限制水位；yn为上游流量改变5-8小时内下游实测水位拟合关系曲线，R2为拟合精度，an为拟合得到的水位变化率。
2、求上游变化流量ΔQn *
根据表6中的an和表4中的五种工况插值结果kn结果带入公式(12)可得由五种工况下实测的下游水位变化估算的上游变化流量ΔQn *，如下表7所示。
表7上游变化流量估算值
工况 k<sub>n</sub>’(1/m<sup>2</sup>) a<sub>n</sub>(m/h) ΔQ<sub>n</sub><sup>*</sup>(m<sup>3</sup>/s)
工况一 4.65E-07 0.0488 29.18
工况二 4.11E-07 0.0415 28.05
工况三 3.62E-07 0.0367 28.17
工况四 3.37E-07 0.0330 27.19
工况五 3.13E-07 0.0308 27.33
第五步：基于不平衡量分析下的超限时间估计；
根据表7中的ΔQn *，可由模型求得工况下上游变化后流量Qc和下游Tdq时刻水位Zdq对应蓄量值W1、上游变化后流量Qc和下游限制水位Zx对应蓄量值W2，再根据公式(13)计算出各工况的下游水位超限时间T1；计算结果如下表8所示。
表8方法1计算水位超限时间
Figure BDA0002565135290000132
Figure BDA0002565135290000141
第六步：预警时间估算值和实际值对比；
根据表6中各参数，可由下式(14)计算得到各工况实测水位拟合得到水位超限时间结果T2；实际工程运行过程中考虑安全运行因素不会发生水位超出限制水位的情况，因此可根据建立的水力学模型，设上下游为流量边界，设置上下游进出口流量不平衡对运行工况进行模拟可得到实际超限时间T3，五种工况计算结果如下表9所示：
T2＝(Zx-Zdq)/an (14)
表9方法2方法3计算超限时间
工况 T<sub>2</sub>(h) T<sub>3</sub>(h)
一 76.78 118.87
二 79.35 108.5
三 77.01 96.3
四 71.27 82.47
五 60.62 67.07
各方法得到的超限时间结果对比如图3所示：
由图3可以看出，在本发明中采用的蓄量求不平衡流量下下游水位超限时间的方法与模型模拟结果较为接近，比单纯应用下游水位实测数据精度高。且由图3可以看出，当处于工况一即下游水位较低时，由于前期水位上升斜率较大，使得计算结果与模型计算偏差最大，相差42.8h；但采用前后状态蓄量就能很好的解决这个问题，如图3所示，相差0.64h。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，该方法能有效进行提前预警，防止水位超限造成漫溢灾害，损伤渠道；能与为之后渠道的水力调控提供相应参考的优点，且由实施例验证得该方法计算结果与传统不平衡流量下仅依靠水位监测数据得到的预警时间相比，不仅提高了精度，更增加了计算效率。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、建立渠段的仿真模型；
S2、基于所述仿真模型，确定渠段的单位流量下流量变化率；
S3、基于所述仿真模型，确定渠段的流量-水位-蓄量关系；
S4、拟合实测下游水位变化曲线，并根据拟合获取的实测水位变化率结合渠段的单位流量下流量变化率，获取上游变化流量；
S5、根据上游变化流量结合渠段的流量-水位-蓄量关系，获取估计下游水位超限时间。
2.根据权利要求1所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：步骤S1包括如下内容，
S11、基于渠系的一维非恒定流圣维南偏微分方程构建渠段水流关系模型，包括连续性方程(1)和动量方程(2)，
Figure FDA0003574593350000011
Figure FDA0003574593350000012
其中，B为水面宽度；z为水深；t为时间；Q为流量；x为断面的距离坐标；q为区间出流量；A为过水断面面积；g为重力加速度；S0为水力坡降；
Figure FDA0003574593350000013
R为水力半径，no为糙率；
S12、根据渠段水流特点，采用Preissann隐式差分格式对渠段水流关系模型进行差分并线性化处理，获取渠段的仿真模型；
S13、为所述渠段的仿真模型增设外部边界条件；
S14、使用高效率的双扫描法求解。
3.根据权利要求2所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：所述外部边界条件包括上游流量边界条件和下游流量边界条件；所述上游流量边界条件为流量时间序列，如下式
Qu＝Q(t) (3)
其中，Qu为上游流量；Q(t)为流量随时间的函数；
对公式(3)作泰勒级数展开，如公式(4)
Figure FDA0003574593350000021
其中，△Qu是上游流量变化值，
Figure FDA0003574593350000022
是流量时间函数在(n+1)△t时刻的值，
Figure FDA0003574593350000023
为同一时间层上一次迭代值；
统一公式(4)与所述渠段的仿真模型的格式，则公式(4)表示为
au△hu+bu△Qu＝eu (5)
Figure FDA0003574593350000024
其中，△hu是上游水位变化值，
Figure FDA0003574593350000025
是水深时间函数在(n+1)△t时刻的值，
Figure FDA0003574593350000026
为同一时间层上一次迭代值；当au＝0、bu＝1.0，
Figure FDA0003574593350000027
4.根据权利要求3所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：所述下游流量边界条件为流量时间序列，如下式
Qd＝Q(t) (7)
其中，Qd为下游流量；Q(t)是流量随时间的函数；
对式(7)作泰勒级数展开，如公式(8)
Figure FDA0003574593350000028
其中，△Qd是下游流量变化值，
Figure FDA0003574593350000029
是流量时间函数在(n+1)△t时刻的值，
Figure FDA00035745933500000210
为同一时间层上一次迭代值；
统一公式(8)与差分方程的格式，则公式(8)表示为：
cd△hd+dd△Qd＝ed (9)
Figure FDA00035745933500000211
其中，△hd是下游水位变化值，
Figure FDA00035745933500000212
是水深时间函数在(n+1)△t时刻的值，
Figure FDA00035745933500000213
为同一时间层上一次迭代值；cd＝0、dd＝1.0，
Figure FDA00035745933500000214
5.根据权利要求1所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：步骤S2具体为，渠段上游入流变化的脉冲流量为△Q1，则保持上游流量不变，通过给所述仿真模型设置上游和下游流量边界，能够模拟得到下游水位的变化过程；取模拟结果中Tsj时刻水位Zsj，通过公式(11)即可获取单位流量下流量变化率kn，
Figure FDA0003574593350000031
其中，kn为单位流量下流量变化率，n＝1,2,3,…；Zd为下游初始水位；Tz为滞后时间。
6.根据权利要求1所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：步骤S3具体为，由于渠段在流量、水位恒定时，相应的蓄量也恒定，则根据仿真模型进行相应工况下蓄量的整理，即可获取流量-水位-蓄量关系。
7.根据权利要求1所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：步骤S4包括如下内容，
S41、拟合实测下游水位变化曲线；在渠段稳态的情况下，上下游出流流量相同，当上游流量增加，下游流量不变时，渠段内水量不断增加，下游水位会经过一段滞后时间Tz后缓慢上升，一直上升直到高于限制水位；当上游流量减少，下游流量不变时，渠段内水量不断减少，下游水位会经过一段滞后时间Tz后缓慢下降，一直下降直到低于限制水位；通过自动监测计可拟合渠段上游流量变化后一段时间0～Tdq时刻下游水位变化趋势，得到当前时刻Tdq对应实测水位变化率an；
S42、结合实测水位变化率和单位流量下流量变化率kn求取上游变化流量△Qn *；根据单位流量下流量变化率kn和实测水位变化率为an成比例估算上游变化流量
Figure FDA0003574593350000032
如下式(12)
△Qn *＝an/kn (12)。
8.根据权利要求1所述的明渠中依据实测水位变化情况估计水位超限时间的方法，其特征在于：步骤S5包括如下内容，
S51、当渠段内处于恒定流状态时，不同水位和流量对应不同蓄量值，即渠段内水位-流量-蓄量曲线关系可确定；当上下游存在不平衡流量差时，渠段内水位、蓄量和流量会时刻变化；假定上游存在不平衡流量变化前处于恒定流状态，下游当前水位持续到限制预警水位后也维持恒定流状态；
S52、根据公式(13)计算各对应恒定流稳态蓄量之间的时间间隔，即下游水位超限时间；
T1＝(W2-W1)/△Qn * (13)
其中，W1为上游变化后流量Qc和下游Tdq时刻水位Zdq对应蓄量值；W2为上游变化后流量Qc和下游限制水位Zx对应蓄量值，W1、W2可由流量-水位-蓄量关系线性插值得到；Qc＝Qu+△Qn *，Qu为变化前上游流量观测值。
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