CN112733367A - 一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法 - Google Patents
一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112733367A CN112733367A CN202110042793.3A CN202110042793A CN112733367A CN 112733367 A CN112733367 A CN 112733367A CN 202110042793 A CN202110042793 A CN 202110042793A CN 112733367 A CN112733367 A CN 112733367A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- flow
- ice
- gate
- water delivery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 338
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims abstract description 76
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims abstract description 76
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 68
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 15
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 10
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 9
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 5
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000005457 ice water Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000002354 daily effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0639—Performance analysis of employees; Performance analysis of enterprise or organisation operations
- G06Q10/06393—Score-carding, benchmarking or key performance indicator [KPI] analysis
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/06—Energy or water supply
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Economics (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Marketing (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Public Health (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法，首先建立调水工程冰期输水调度模拟模型；以冰期输水水位、流量满足各断面流速小于最大安全输水流速为原则建立冰期输水各节制闸目标输水流量状态库；从工程沿线气象站获取气象预报信息；在当前输水流量运行状态下基于输水模型模拟预测未来七日的冰情发展情况；依据模拟得到的封冻范围内的各闸门冰期目标流量，确定调水工程各闸门新的输水流量目标；将新的输水流量输入模拟模型，进行闸门群联合调度模拟与指挥调度，实现全线输水流量状态由初始状态转换至目标流量状态；重复上述步骤，实现调水工程冰期运行调度与管理。本发明提高了渠系冬季运行的灵活性、安全性和输水流量效益。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，尤其涉及一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法。
背景技术
在我国北方存在水资源资源性短缺情况，国家通过加大调水工程布置，缓解北方部分区域水资源短缺窘况，促进社会经济持续发展。但我国北方冬季普遍面临河流结冰问题，因此，调水工程也会面临结冰问题。调水工程在冬季运行阶段会遇到岸冰、流冰、封冻、融冰、冰塞、冰坝、冰冻等冰情冰害，对工程本身的结构安全和周边居民的生命财产安全都构成了一定的威胁，为了降低这一风险，目前常采用的调水工程冰期输水方式为小流量、高水位下形成平封冰盖下输水，这样就限制了输水流量不能大，因此，调水工程在冬季这种季节性缺水严重的时段反而不能更好的发挥工程的输水效益，如何在确保调水工程冰期输水安全的前提下，最大程度的挖掘调水工程可能的输水效益，成为相关人员关注与思考的重要内容之一。
本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：
现有技术中还没有提出一种方法能系统的考虑并实现调水工程冰期输水安全与效益的精益调度模式。
发明内容
针对背景技术中现有方法的不足，提出一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法，用以解决或者至少部分解决现有的方法无法平衡调水工程冬季输水安全与效益的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：基于调水工程设计方案，建立可靠的调水工程冰期输水模拟模型；
S2：以调水工程冰期输水防冰害为目的，以冰期输水水位、流量满足各断面流速小于最大安全输水流速umax为原则，结合所有分水口闸和节制闸的布置与设计流量，建立冰期输水各节制闸目标输水流量状态库；
S3：从工程沿线选定的各县级以上气象站，获取七日气象预报信息；
S4：在调水工程当前输水流量运行状态下，基于步骤S1中建立的输水模型模拟预测调水工程未来七日的冰情发展情况；
S5：依据模拟得到的封冻范围内的各闸门冰期目标流量，确定调水工程各闸门新的输水流量目标，并将封冻范围内最早封冻时刻，确定为工程各节制闸输水流量由现状转变为新的输水目标流量的时间限制；
S6：将新的输水流量状态输入模拟模型，进行闸门群联合调度模拟与指挥调度，实现全线输水流量状态由初始状态转换至目标流量状态；
S7：每天早上八点进行一次未来连续七日的冰情滚动预报，重复S3、S4、S5和S6，实现调水工程冰期运行调度与管理。
进一步，步骤S1中的数学模型用于模拟非恒定流水位流量、水温、流冰量、冰盖厚度、闸门开度的时空变化与分布情况，其具体包括输入模块、非恒定流模拟模块、水温冰情模拟模块、闸门调度模块和输出模块，
所述输入模块用于输入工程设计或验收的基本设计参数；
所述非恒定流模块用于模拟明渠非恒定流和浮动冰盖下的非恒定流变化过程，采用圣维南方程组进行模拟；
所述水温冰情模拟模块包括水温模拟方程、冰花浓度模拟方程和冰盖厚度模拟方程，其中所述水温冰情模拟模块仅用于模拟平封冰盖的封冻形式，要求输水流速低于该工程确定的最大安全输水流速umax；以流冰量满足水面被覆盖断面80％以上时，判定该渠道断面封冻形成初始冰盖和节制闸过水不过冰为原则进行封冻设置；
所述阀门调度模块采用增量式PI控制器，由控制断面处的实时水位波动，通过反馈环节产生该渠池上游端节制闸的闸门流量调节时段增量，促使控制目标的实现与稳定，然后再通过过闸流量公式求得闸门开度调整增量；
所述输出模块用于输出水位、流量、水温、冰盖厚度、过闸流量、闸门开度的时间、空间分布过程。
进一步，步骤S2具体包括：
S2.1针对具体的调水工程冬季运行中的运行经验、冰情原型观测分析和国内外冰花下潜临界条件理论成果，经专家咨询最终确定最大安全输水流速umax；
S2.2在确定各节制闸冰期输水目标流量状态库时，其依据原则包括：自工程最下游节制闸开始，依次向上游推算；某节制闸冰期过闸目标流量等于其下游所有分水闸冰期输水目标分水流量之和；推算时以下游闸前常水位为运行方式，控制水位依据模型输入条件确定，通过试算该渠池所有分水闸不同流量下，所对应的渠道断面最大流速，然后确定最大流速不超过umax的分水闸和节制闸输水流量为该渠池分水闸和上游节制闸的目标输水流量；
S2.3一个冰期输水目标流量方案是指封冻范围内的分水闸分水冰期目标流量，而封冻范围以外的渠池分水闸分水流量保持原方案不变的情况，所对应的工程各分水闸和节制闸所对应的流量状态，因为封冻范围可以为任何一个渠池的下游所有渠池，将产生多个上述流量状态，最终构成节制闸和分水闸冰期输水目标流量库。
进一步，步骤S3中，需要对接工程沿线县级及以上级别的气象站，每一气象站气象条件所对应的调水工程渠道范围需要结合地形地貌、行政区划和S1所建数学模型综合确定。
进一步，步骤S4中需要在步骤S1数学模型中设置当前分水闸和节制闸的输水水位流量状态与闸门开度、渠道不同位置对应的未来七日气象条件，经模拟计算获得结果，模拟结果需要统计渠道每两个节制闸组成的渠池的是否封冻及封冻时刻，得到工程未来七天的最大封冻范围和封冻时刻。
进一步，步骤S5中需要按照S4中预测的封冻范围，结合S2中的该封冻范围内的分水闸和节制闸的冰期输水流量，从调水工程下游末端至上游逐步推算得到，渠道应对本次封冻所要采取的新的输水流量状态方案，再依据封冻范围的封冻时刻，制定渠道由现状流量状态切换至目新输水流量状态的闸门操作时间要求，要求各闸门操作结束时刻要早于该节制闸所在渠池的封冻时刻。
进一步，步骤S6中，具体包括：
S6.1模拟流量状态切换的结果需要在进一步实施前进行评价，评价指标包括水位波动最大幅度、闸门调整幅度的可操作性、最早封冻时刻时的水位、流量的稳定性；
S6.2如果模拟结果通过上述评价指标，则可进入闸门群开度实际调节阶段；如果模拟结果不能通过上述评价，则需要考虑延长流量状态切换时间、配合渠道捞冰除冰措施，经模拟通过后，方能按指定措施及闸门操作方案实施。
进一步，步骤S7中要求每天都要重复一次S3、S4、S5和S6步骤，实现未来七天的冰情与闸门调度滚动预报与实施，如在上一次闸门群操作过程还没执行完毕，遇到冰情范围变化，需要及时转入步骤S5，按最新的目标流量指导后续的闸门群操作。
与现有技术相比，本发明的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明公开了一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式，首先，建立可靠的调水工程冰期输水调度模拟模型；基于上述模型，建立各节制闸冰期输水目标流量状态库；对接气象预报部门，获取未来七日气象预报气温逐时变化信息；对接工程运行管理部门，获取当前工程各节制闸输水流量状态目标流量；代入上述信息，经模型预测分析，得到整个调水工程输水线路各位置的水温、流冰量、封冻范围、封冻时刻及封冻厚度等信息；针对封冻范围与封冻时刻信息，通过将封冻范围内的渠道输水流量在封冻时刻前减小至冰期输水流量对应状态，并保证渠系闸门联合调度及渠道生冰引起的水力响应实现平稳快速过渡；通过针对冰期预报与对应的应对调度响应，随着预报冰情的变化，逐渐调整渠系进入冰期输水渠道范围，非冰期输水渠段，可采用非冰期的较大流量，冰期输水的渠段，严格执行冰期安全输水流量。本发明提高了渠系冬季运行的灵活性、安全性和输水流量效益提高。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的流程示意图；
图2为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的思路框架图；
图3为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的闸门开度模拟框架图；
图4为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一工程概况图；
图5为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一模型水温验证效果图；
图6为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一模型冰盖厚度验证效果图；
图7为本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一未来七日气温过程图；
图8是本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一预测未来七日各断面的封冻时刻图；
图9是本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一流量调整造成的渠池下游水位偏差图；
图10是本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一流量调整造成的渠池上游水位偏差图；
图11是本发明提供的一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式的实施例一流量调整造成的闸门操作过程图；
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。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例一
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本发明提供一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度模式，如图1和图2所示，包括如下步骤：
S1：基于调水工程设计方案，建立可靠的调水工程冰期输水模拟模型；
其中，步骤S1中的数学模型用于模拟非恒定流水位流量、水温、流冰量、冰盖厚度、闸门开度的时空变化与分布情况，其具体包括输入模块、非恒定流模拟模块、水温冰情模拟模块、闸门调度模块和输出模块，
输入模块用于输入工程设计或验收的基本设计参数；具体来说包括调水工程渠道断面边坡、底坡、底宽及渡槽、倒虹吸、分水闸和节制闸等特殊建筑物的空间分布数据；工程沿线不同气象站点的一定时间内容的气象数据及其所作用的渠道范围；各分水闸的需水流量过程；运行调度控制点水位要求。
非恒定流模块用于模拟明渠非恒定流和浮动冰盖下的非恒定流变化过程，采用圣维南方程组进行模拟；其中圣维南方程组包括式(1)和式(2)：
连续方程
动量方程
其中，Z为水位，水深为h＝Z-Zb-(ρi/ρ)hi，其中Zb为渠底高程，ρi和ρ分别为冰和水的密度，hi为冰盖厚度；Q为流量，m3/s；B为水面宽，m；A为过水断面面积，A＝(b+mh)h，b和m分别为梯形断面的底宽和边坡系数；g为重力加速度，m/s2；C为谢才系数，
nc为糙率，nc包含冰盖下表面糙率ni和渠道糙率nb两部分，
计算，冰盖初生期的冰盖糙率ni为时变量，呈指数衰减，表示为ni＝nie+(nii-nie)e-kt，nii为初生冰盖的糙率，本文取0.015，nie为冰盖融化前的糙率，k为冰盖糙率衰减系数；R为水力半径，R＝A/Pc，其中，Pc为湿周，Pc＝Pi+Pb，Pi为冰盖下表面宽，Pb为渠周湿周，s为底坡；t、x分别为时间变量和空间变量；q为区间入流量，m3/s；vqs为侧向入流在水流方向的平均流速，m3/s，常忽略不计，u为水流沿轴线方向的流速，m3/s，对于棱柱形渠道
水温冰情模拟模块包括水温模拟方程、冰花浓度模拟方程和冰盖厚度模拟方程，其中所述水温冰情模拟模块仅用于模拟平封冰盖的封冻形式，要求输水流速低于该工程确定的最大安全输水流速umax；以流冰量满足水面被覆盖断面80％以上时，判定该渠道断面封冻形成初始冰盖和节制闸过水不过冰为原则进行封冻设置；
所述阀门调度模块采用增量式PI控制器，由控制断面处的实时水位波动，通过反馈环节产生该渠池上游端节制闸的闸门流量调节时段增量，促使控制目标的实现与稳定，然后再通过过闸流量公式求得闸门开度调整增量；
所述输出模块用于输出水位、流量、水温、冰盖厚度、过闸流量、闸门开度的时间、空间分布过程。
具体来说，
水温模拟方程：
其中，Cp-水的比热，J/(kg·℃)；Tw-断面平均水温，℃；
-单位时间内的水体放热量，W/m2，此处仅考虑水体与大期间的热量交换；D-断面平均水深，m。
冰花浓度模拟方程：
其中，Ci-流冰浓度；Li-冰潜热，J/Kg。
封冻条件设置为：1)模型仅用于模拟平封冰盖的封冻形式，要求输水流速低于该工程确定的最大安全输水流速umax；2)在流冰量满足水面被覆盖断面80％时以上时，判定该渠道断面封冻形成初始冰盖；3)节制闸过水不过冰，流冰花在节制闸前、断面束窄、拦冰索等位置会出现堆积现象。
冰盖厚度模拟方程：
其中，Δhi-Δt时段内的冰厚变化量，m。
流量调整增量公式
闸门开度增量公式ΔG＝f(ΔQ,Δh,G) (7)
其中，YF-实时水位，m；YT-目标水位，m；Kp-比例系数；Ki-积分系数；Δh-闸门前后水头差，m；G-闸门现状开度，m。
闸门开度模拟是串起整非恒定流模块和水温冰情模块的工程管理直接需要的参考指标，基本流程如图3所示。
S2：以调水工程冰期输水防冰害为目的，以冰期输水水位、流量满足各断面流速小于最大安全输水流速umax为原则，结合所有分水口闸和节制闸的布置与设计流量，建立冰期输水各节制闸目标输水流量状态库；
在上述步骤中，其具体包括：
S2.1针对具体的调水工程冬季运行中的运行经验、冰情原型观测分析和国内外冰花下潜临界条件理论成果，经专家咨询最终确定最大安全输水流速umax；
S2.2在确定各节制闸冰期输水目标流量状态库时，其依据原则包括：自工程最下游节制闸开始，依次向上游推算；某节制闸冰期过闸目标流量等于其下游所有分水闸冰期输水目标分水流量之和；推算时以下游闸前常水位为运行方式，控制水位依据模型输入条件确定，通过试算该渠池所有分水闸不同流量下，所对应的渠道断面最大流速，然后确定最大流速不超过umax的分水闸和节制闸输水流量为该渠池分水闸和上游节制闸的目标输水流量；
S2.3一个冰期输水目标流量方案是指封冻范围内的分水闸分水冰期目标流量，而封冻范围以外的渠池分水闸分水流量保持原方案不变的情况，所对应的工程各分水闸和节制闸所对应的流量状态，因为封冻范围可以为任何一个渠池的下游所有渠池，将产生多个上述流量状态，最终构成节制闸和分水闸冰期输水目标流量库。
S3：从工程沿线选定的各县级以上气象站，获取七日气象预报信息；每一气象站气象条件所对应的调水工程渠道范围需要结合地形地貌、行政区划和S1所建数学模型综合确定，且要求气象站数量尽可能多。
S4：在调水工程当前输水流量运行状态下，基于步骤S1中建立的输水模型模拟预测调水工程未来七日的冰情发展情况；在步骤S1数学模型中设置当前分水闸和节制闸的输水水位流量状态与闸门开度、渠道不同位置对应的未来七日气象条件，经模拟计算获得结果，模拟结果需要统计渠道每两个节制闸组成的渠池的是否封冻及封冻时刻，得到工程未来七天的最大封冻范围和封冻时刻。预测的冰情发展情况主要是工程的封冻渠池范围及最早封冻断面的封冻时刻。
S5：依据模拟得到的封冻范围内的各闸门冰期目标流量，确定调水工程各闸门新的输水流量目标，并将封冻范围内最早封冻时刻，确定为工程各节制闸输水流量由现状转变为新的输水目标流量的时间限制；其具体包括：
S5.1要求依据封冻范围在节制闸输水目标流量库中进行选择确定采用的输水流量方案，作为新的输水流量目标。
S5.2确定的各节制闸流量切换所需要的时间限制时，为了保证运行安全，取封冻范围内的最早封冻时刻。
S6：将新的输水流量状态输入模拟模型，进行闸门群联合调度模拟与指挥调度，实现全线输水流量状态由初始状态转换至目标流量状态；
具体实施时，包括：
S6.1模拟流量状态切换的结果需要在进一步实施前进行评价，评价指标包括水位波动最大幅度、闸门调整幅度的可操作性、最早封冻时刻时的水位、流量的稳定性；
S6.2如果模拟结果通过上述评价指标，则可进入闸门群开度实际调节阶段；如果模拟结果不能通过上述评价，则需要考虑延长流量状态切换时间、配合渠道捞冰除冰措施，经模拟通过后，方能按指定措施及闸门操作方案实施。
在上述步骤中，要求水位变幅不超过0.30m/24h和0.15m/h，若超过此限制，需要调整闸门群操作的时间要求。
S7：每天早上八点进行一次未来连续七日的冰情滚动预报，重复S3、S4、S5和S6，实现调水工程冰期运行调度与管理。
下面结合一个具体的案例对本实施例进行具体说明。
本实施例选用我国大型调水工程为背景，选择其中4个闸门组成的3个渠池作为实施例工程渠段，如图4所示。
S1.采用工程设计数据建立相应数学模型，并进行了水温与冰厚验证，如图5和图6所示，经验证后的模型在冰情预测方面精度具有可靠性。
S2：以调水工程冰期输水防冰害为目的，以冰期输水水位、流量满足各断面流速小于最大安全输水流速umax为原则，结合所有分水口闸和节制闸的布置与设计流量，建立冰期输水各节制闸目标输水流量状态库；
本实施例取umax＝0.4m/s，因为本实施例各渠池没有分水口，得到各渠池的冬季输水目标流量均为40m3/s。
S3：从工程沿线各县级以上气象站，获取七日气象预报信息；
本实施例的工程渠道长度较短，位于同一个县级气象站控制范围内，假设未来七日遭遇寒潮如图7所示。
S4：在调水工程当前输水流量运行状态下，模拟预测调水工程未来七日的冰情发展情况；
本实施例当前流量为45m3/s，初始水温为1℃，未来七日渠首水温始终为1℃，经模拟得到：渠池B和渠池C的部分断面会出现封冻现象，各计算断面的封冻时刻如图8所示。
S5：依据模拟得到的封冻范围内的各闸门冰期目标流量，确定调水工程各闸门新的输水流量目标；
本实施例中发现渠池B、C最早封冻时刻分别为模拟开始后的14.5h和15.5h，又因本实施例的3个渠池均没有分水口，因此确定应对此次封冻的调水工程调度方案为在未来的14.5h内将4个闸门的流量全部由45m3/s切换为40m3/s，调整方式定为流量线性减小。
S6：将新的输水流量状态输入模拟模型，进行闸门群联合调度模拟与指挥调度，实现全线输水流量状态由初始状态转换至目标流量状态；
实施步骤S5，得到应对本次封冻的流量调整调度过程产生的各渠池下游和上游水位偏离初始条件过程及闸门操作过程，分别如图9、图10和图11所示，可以发现，渠池水位波动较小，满足日水位变幅和小时水位变幅要求，闸门操作不频繁，易实现。
S7：每天早上八点进行一次未来连续七日的冰情滚动预报，重复S3、S4、S5和S6，实现调水工程冰期运行调度与管理。
总体来说，本发明的技术方案与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明首先，建立可靠的调水工程冰期输水调度模拟模型；基于上述模型和专家咨询，建立各节制闸冰期输水目标流量状态库；对接气象预报部门，获取未来七日气象预报气温逐时变化信息；对接工程运行管理部门，获取当前工程各节制闸输水流量状态目标流量；代入上述信息，经模型预测分析，得到整个调水工程输水线路各位置的水温、流冰量、封冻范围、封冻时刻及封冻厚度等信息；针对封冻范围与封冻时刻信息，通过将封冻范围内的渠道输水流量在封冻时刻前减小至冰期输水流量对应状态，并保证渠系闸门联合调度及渠道生冰引起的水力响应实现平稳快速过渡；通过针对冰期预报与对应的应对调度响应，随着预报冰情的变化，逐渐调整渠系进入冰期输水渠道范围，非冰期输水渠段，可采用非冰期的较大流量，冰期输水的渠段，严格执行冰期安全输水流量。本发明提高了渠系冬季运行的灵活性、安全性和输水流量效益提高。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
Claims (8)
1.一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：基于调水工程设计方案，建立可靠的调水工程冰期输水模拟模型；
S2：以调水工程冰期输水防冰害为目的，以冰期输水水位、流量满足各断面流速小于最大安全输水流速umax为原则，结合所有分水口闸和节制闸的布置与设计流量，建立冰期输水各节制闸目标输水流量状态库；
S3：从工程沿线选定的各县级以上气象站，获取七日气象预报信息；
S4：在调水工程当前输水流量运行状态下，基于步骤S1中建立的输水模型模拟预测调水工程未来七日的冰情发展情况；
S5：依据模拟得到的封冻范围内的各闸门冰期目标流量，确定调水工程各闸门新的输水流量目标，并将封冻范围内最早封冻时刻，确定为工程各节制闸输水流量由现状转变为新的输水目标流量的时间限制；
S6：将新的输水流量状态输入模拟模型，进行闸门群联合调度模拟与指挥调度，实现全线输水流量状态由初始状态转换至目标流量状态；
S7：每天早上八点进行一次未来连续七日的冰情滚动预报，重复S3、S4、S5和S6，实现调水工程冰期运行调度与管理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中的数学模型用于模拟非恒定流水位流量、水温、流冰量、冰盖厚度、闸门开度的时空变化与分布情况，其具体包括输入模块、非恒定流模拟模块、水温冰情模拟模块、闸门调度模块和输出模块，
所述输入模块用于输入工程设计或验收的基本设计参数；
所述非恒定流模块用于模拟明渠非恒定流和浮动冰盖下的非恒定流变化过程，采用圣维南方程组进行模拟；
所述水温冰情模拟模块包括水温模拟方程、冰花浓度模拟方程和冰盖厚度模拟方程，其中所述水温冰情模拟模块仅用于模拟平封冰盖的封冻形式，要求输水流速低于该工程确定的最大安全输水流速umax；以流冰量满足水面被覆盖断面80％以上时，判定该渠道断面封冻形成初始冰盖和节制闸过水不过冰为原则进行封冻设置；
所述阀门调度模块采用增量式PI控制器，由控制断面处的实时水位波动，通过反馈环节产生该渠池上游端节制闸的闸门流量调节时段增量，促使控制目标的实现与稳定，然后再通过过闸流量公式求得闸门开度调整增量；
所述输出模块用于输出水位、流量、水温、冰盖厚度、过闸流量、闸门开度的时间、空间分布过程。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S2.1针对具体的调水工程冬季运行中的运行经验、冰情原型观测分析和国内外冰花下潜临界条件理论成果，经专家咨询最终确定最大安全输水流速umax；
S2.2在确定各节制闸冰期输水目标流量状态库时，其依据原则包括：自工程最下游节制闸开始，依次向上游推算；某节制闸冰期过闸目标流量等于其下游所有分水闸冰期输水目标分水流量之和；推算时以下游闸前常水位为运行方式，控制水位依据模型输入条件确定，通过试算该渠池所有分水闸不同流量下，所对应的渠道断面最大流速，然后确定最大流速不超过umax的分水闸和节制闸输水流量为该渠池分水闸和上游节制闸的目标输水流量；
S2.3一个冰期输水目标流量方案是指封冻范围内的分水闸分水冰期目标流量，而封冻范围以外的渠池分水闸分水流量保持原方案不变的情况，所对应的工程各分水闸和节制闸所对应的流量状态，因为封冻范围可以为任何一个渠池的下游所有渠池，将产生多个上述流量状态，最终构成节制闸和分水闸冰期输水目标流量库。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，需要对接工程沿线县级及以上级别的气象站，每一气象站气象条件所对应的调水工程渠道范围需要结合地形地貌、行政区划和S1所建数学模型综合确定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中需要在步骤S1数学模型中设置当前分水闸和节制闸的输水水位流量状态与闸门开度、渠道不同位置对应的未来七日气象条件，经模拟计算获得结果，模拟结果需要统计渠道每两个节制闸组成的渠池的是否封冻及封冻时刻，得到工程未来七天的最大封冻范围和封冻时刻。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中需要按照S4中预测的封冻范围，结合S2中的该封冻范围内的分水闸和节制闸的冰期输水流量，从调水工程下游末端至上游逐步推算得到，渠道应对本次封冻所要采取的新的输水流量状态方案，再依据封冻范围的封冻时刻，制定渠道由现状流量状态切换至目新输水流量状态的闸门操作时间要求，要求各闸门操作结束时刻要早于该节制闸所在渠池的封冻时刻。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中，具体包括：
S6.1模拟流量状态切换的结果需要在进一步实施前进行评价，评价指标包括水位波动最大幅度、闸门调整幅度的可操作性、最早封冻时刻时的水位、流量的稳定性；
S6.2如果模拟结果通过上述评价指标，则可进入闸门群开度实际调节阶段；如果模拟结果不能通过上述评价，则需要考虑延长流量状态切换时间、配合渠道捞冰除冰措施，经模拟通过后，方能按指定措施及闸门操作方案实施。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中要求每天都要重复一次S3、S4、S5和S6步骤，实现未来七天的冰情与闸门调度滚动预报与实施，如在上一次闸门群操作过程还没执行完毕，遇到冰情范围变化，需要及时转入步骤S5，按最新的目标流量指导后续的闸门群操作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110042793.3A CN112733367B (zh) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110042793.3A CN112733367B (zh) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112733367A true CN112733367A (zh) | 2021-04-30 |
| CN112733367B CN112733367B (zh) | 2022-08-30 |
Family
ID=75591866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110042793.3A Active CN112733367B (zh) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112733367B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113408861A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-09-17 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种实现重力流引调水工程实时调度方案的技术和应用平台 |
| CN114970099A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-30 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种输水明渠冬季水温智能预报方法 |
| CN116400763A (zh) * | 2023-05-19 | 2023-07-07 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种冬季输水明渠动态控制方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200116411A1 (en) * | 2018-10-12 | 2020-04-16 | Chicony Power Technology Co., Ltd. | Ice storage amount adjusting system and adjusting method for the same |
| CN111709134A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-25 | 河海大学 | 一种基于闸泵站群控制的多水源跨流域调度方法及装置 |
| CN111783369A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-16 | 中国水利水电科学研究院 | 一种多闸群明渠调水工程的短期多目标优化调度方法 |
-
2021
- 2021-01-13 CN CN202110042793.3A patent/CN112733367B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200116411A1 (en) * | 2018-10-12 | 2020-04-16 | Chicony Power Technology Co., Ltd. | Ice storage amount adjusting system and adjusting method for the same |
| CN111709134A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-25 | 河海大学 | 一种基于闸泵站群控制的多水源跨流域调度方法及装置 |
| CN111783369A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-16 | 中国水利水电科学研究院 | 一种多闸群明渠调水工程的短期多目标优化调度方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 刘孟凯: "南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真研究", 《农业工程学报》 * |
| 刘孟凯等: "南水北调中线工程封冻期闸门群开度控制器改进设计", 《农业工程学报》 * |
| 刘孟凯等: "长距离控制渠系结冰期的水力响应分析", 《农业工程学报》 * |
| 刘孟凯等: "长距离渠系融冰期自动化控制模式研究", 《水利学报》 * |
| 段文刚等: "长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度", 《南水北调与水利科技》 * |
| 王浩等: "南水北调中线工程智能调控与应急调度关键技术", 《南水北调与水利科技》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113408861A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-09-17 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种实现重力流引调水工程实时调度方案的技术和应用平台 |
| CN114970099A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-30 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种输水明渠冬季水温智能预报方法 |
| CN114970099B (zh) * | 2022-04-24 | 2024-04-16 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种输水明渠冬季水温智能预报方法 |
| CN116400763A (zh) * | 2023-05-19 | 2023-07-07 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种冬季输水明渠动态控制方法 |
| CN116400763B (zh) * | 2023-05-19 | 2023-09-01 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种冬季输水明渠动态控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112733367B (zh) | 2022-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112733367B (zh) | 一种基于七日气象预报的调水工程冰期输水调度方法 | |
| CN102817335B (zh) | 一种梯级水库群联合防洪优化调度的方法及系统 | |
| CN111027264B (zh) | 基于生态恢复目标的平原区城市河网水循环调控方法 | |
| CN102183972B (zh) | 一种城市排水系统蓄水池水位的控制方法 | |
| CN111126847B (zh) | 耦合河道水动力过程的梯级水库短期优化调度方法和系统 | |
| CN111046574B (zh) | 一种平原湖区湖河闸泵系统防洪排涝演算方法 | |
| CN109740808B (zh) | 一种风光水互补发电计划计算方法及系统 | |
| Nagy et al. | Hydrological dimensioning and operation of reservoirs: Practical design concepts and principles | |
| CN102162443A (zh) | 一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法 | |
| CN110414046B (zh) | 衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法 | |
| CN110210109B (zh) | 一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法及系统 | |
| CN112632865B (zh) | 一种内河水系最优流速的调控方法 | |
| CN107528348A (zh) | 一种基于来水不确定性的梯级水电站负荷调整方法 | |
| CN110378805B (zh) | 梯级水电站发电调度分级调峰方法 | |
| KR100920604B1 (ko) | 조력발전소의 최적 발전 모의운영 제어시스템 및 그 방법 | |
| CN117094119A (zh) | 考虑发电、生态流量和表面水温的水库调度方法及计算机 | |
| CN116956763A (zh) | 一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法 | |
| CN112926786B (zh) | 一种基于关联规则模型和数值模拟的浅水湖泊目标水位逆向预测方法及系统 | |
| CN112633674B (zh) | 一种耦合水流滞时的梯级库群中期调峰调度方法 | |
| CN114297862A (zh) | 一种引水渠道冰情预测模型的构建方法 | |
| Trezos | Integer programming application for planning of hydropower production | |
| Schwanenberg et al. | Short-term reservoir optimization for mitigation downstream flood risks | |
| CN112906929B (zh) | 一种基于宏观调控和微观修正的耦合调度方法及装置 | |
| CN104636992B (zh) | 一种基于水位控制系数的水电厂水库优化调度控制方法 | |
| CN115952958B (zh) | 基于maddpg强化学习的水库群联合优化调度方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |