CN112818438A - 一种基于swmm的河道模型及其调度模拟概化方法 - Google Patents

一种基于swmm的河道模型及其调度模拟概化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SWMM的河道模型及其调度模拟概化方法，包括：S1、在闸坝的上、下游处分别增加闸坝上游断面和闸坝下游断面，并依次连接上游断面、闸坝上游断面、闸坝下游断面和下游断面；S2、设置泵，泵的进水端与闸坝上游断面连接，出水端与闸坝下游断面连接；S3、根据闸坝运行水位h0、闸坝水位变幅dh以及下泄流量Q设置泵的能力曲线；S4、进行模拟计算。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明通过将库区和下游荷载建立在同一个模型中，使设计人员避免了繁琐操作，从而可以对闸坝的运行调度过程进行直接模拟计算。另一方面，上述方法可保证闸坝上、下游流量过程是连续的，与现实情况更加接近，从而提高了计算精度。

Description

一种基于SWMM的河道模型及其调度模拟概化方法
技术领域
本发明涉及数学建模领域，具体涉及一种基于SWMM的河道模型及其调度模拟概化方法。
背景技术
随着我国水电建设事业的发展，国内主要河流上均建有多个闸坝。这些闸坝水力关联紧密，因此需开展梯级联合调度研究，对河流上各电站的调度方式进行优化，以最大限度的发挥各梯级的发电、航运、生态效益。
利用SWMM模型进行仿真分析是梯级联合调度研究的重要手段之一。通过仿真分析，可对多种梯级调度方案进行模拟分析，评估这些方案的实施效果，对梯级调度方案的比选和优化设计有重要意义。
梯级联合调度研究存在一个难点，即各梯级均具有多种调度状态，如保持正常蓄水位、敞泄状态等。梯级联合调度需要同时模拟闸坝上游库区水体和下游河道水体。但目前受技术条件限制，当调度方案较复杂时，就只能采取一种复杂、繁琐、且可能会影响计算成果准确性的间接模拟方法。
具体的，对于单个闸坝的库区模型，在对这些调度状态进行概化时，均将闸坝作为下边界，通过边界条件来进行。例如模拟保持正常蓄水位状态时，设置水位边界；模拟敞泄状态时，设置为自由出流边界。然后再另外建立下游河道模型，将闸坝库区模型的出流流量作为下游河道模型的入流流量边界进行模拟计算。
但是这种处理方法存在两个较大的问题：
①需要建立库区、下游河道两个模型，还需要人工处理流量数据，费时费力。
②从物理规则来看，上游库区水体出流到下游河道是一种连续的过程，该过程是泄放流量、上下游水头差共同作用的影响。分为两个模型模拟只能保证流量的连续性，而不能考虑上下游水头差的影响。这样在模拟腾空库容至敞泄的这个过程时，会有非常大的计算误差。
由于上述问题，梯级联合调度的仿真分析工作量大、工作周期长，人力成本居高不下。此外，由于敞泄过程的模拟精度较低，制约了调度方案精细分析和优化设计工作的深入开展。因此迫切需要一种概化方法，使设计人员能避免繁琐操作，将库区和下游荷载建立在同一个模型中，对闸坝的运行调度过程进行直接模拟计算。
发明内容
为解决背景技术中现有梯级联合调度的仿真分析工作量大、模拟精度较低的问题，本发明提供了一种基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法，具体技术方案如下。
一种基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法，包括如下步骤：
S1、在河道模型闸坝的上、下游处分别增加闸坝上游断面和闸坝下游断面，并依次连接上游断面、闸坝上游断面、闸坝下游断面和下游断面；
S2、在河道模型中设置泵，将泵的进水端与所述闸坝上游断面连接，出水端与所述闸坝下游断面连接；
S3、根据闸坝运行水位h0、闸坝水位变幅dh以及下泄流量Q设置所述泵的能力曲线：
当水位为h0-dh/n1时，流量设置为Q*n2；
当水位为h0时，流量设置为Q；
当水位为h0+dh/n3时，流量设置为Q*n4；
其中，1＜n1＜100、0＜n2＜1、1＜n3＜100、1＜n4＜10；
S4、计算河道模型中各断面的流量、水位、流速。
所述河道模型为现有技术已知模型，该模型的建模方法可参考如下文献：
①赵冬泉,佟庆远,王浩正,等.SWMM模型在城市雨水排除系统分析中的应用，Application of SWMM in urban storm drainage network modeling[J].给水排水,2009,035(005):198-201.
②Temprano J,Arango,
Figure BDA0002874597180000031
Cagiao J,et al.Stormwater quality calibrationby SWMM:A case study in Northern Spain[J].Water Sa,2007,32(1)。
现有河道模型中，闸坝所在的河段的上游断面与下游断面之间存在连线，因此在实施本方法之前，需要先删除河道模型中闸坝所在的河段的上游断面与下游断面之间的连线。
上述方法通过将库区和下游荷载建立在同一个模型中，使设计人员避免了繁琐操作，从而可以对闸坝的运行调度过程进行直接模拟计算。另一方面，上述方法可以保证在模拟计算过程中，闸坝上、下游断面水位、压力和流量过程是连续的，相较于现有方法，本方法建立的模型与现实情况更加接近，从而提高了计算精度。
优选地，所述S3与S4之间还包括如下步骤：将闸坝下游断面的深泓点设置为正常蓄水位或闸坝的拦挡高程。对于没有正常蓄水位的闸坝，则将深泓点设置为拦挡高程.当上游水位高过拦挡高程时，可从此处溢流至下游河道。
优选地，S1还包括将所述闸坝上游断面与闸坝下游断面之间的距离设为闸坝宽度的步骤。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种计算机存储介质，其存储有程序，该程序用于执行上述方法的步骤。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于SWMM的河道模型，包括闸坝、上游断面和下游断面，还包括设置在所述闸坝上游处的闸坝上游断面和设置在所述闸坝下游处的闸坝下游断面，所述上游断面、闸坝上游断面、闸坝下游断面和下游断面依次连接；还包括泵，所述泵的进水端与所述闸坝上游断面连接，出水端与所述闸坝下游断面连接，所述泵具有如下能力曲线：
当水位为h0-dh/n1时，流量设置为Q*n2；
当水位为h0时，流量设置为Q；
当水位为h0+dh/n3时，流量设置为Q*n4；
其中，h0为闸坝运行水位，dh为闸坝水位变幅，Q为下泄流量；1＜n1＜100、0＜n2＜1、1＜n3＜100、1＜n4＜10。
上述模型中，库区和下游荷载建立在同一个模型中，使设计人员避免了繁琐操作，从而可以对闸坝的运行调度过程进行直接模拟计算。
优选地，所述闸坝下游断面的深泓点的值为正常蓄水位或闸坝的拦挡高程。对于没有正常蓄水位的闸坝，则将深泓点设置为拦挡高程.当上游水位高过拦挡高程时，可从此处溢流至下游河道。
优选地，所述闸坝上游断面与闸坝下游断面之间的距离为闸坝宽度。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明通过将库区和下游荷载建立在同一个模型中，使设计人员避免了繁琐操作，从而可以对闸坝的运行调度过程进行直接模拟计算。另一方面，上述方法可以保证在模拟计算过程中，闸坝上、下游流量过程是连续的，相较于现有方法，本方法建立的模型与现实情况更加接近，从而提高了计算精度。
附图说明
图1为本发明基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中的河道模型整体示意图；
图3为本发明实施例中的河道模型中崔家营枢纽的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例依托汉江崔家营电站进行。崔家营水库具有日调节性能，正常蓄水位62.73m，死水位62.23m，相应正常蓄水位库容2.45亿m3，死库容2.05亿m3，有效库容0.4亿m3，工作深度0.5m。崔家营航电枢纽以航运为主，兼有发电、灌溉、供水、旅游等功能，是一项航电结合、以电促航的工程。崔家营电站调度运用主要原则如下：
a)入库流量小于最小通航流量470m3/s时，动用库容下泄航运基荷流量470m3/s，保证下游通航流量的要求。
b)当入库流量大于470m3/s而小于水轮机组最大过流量(2200m3/s)时，库水位维持正常蓄水位62.73m，均由电站过流，电站按天然流量发电。
c)当入库流量大于2200m3/s、小于机组发电停机流量10000m3/s时，由泄水闸下泄电站引水富余水量，控制泄水闸孔数和闸门开度，使下泄流量等于电站引水富余部分水量。
d)当入库流量大于10000m3/s时，电站机组停机，泄水闸全部敞洪，恢复天然行洪状态，以便降低坝前水位。
e)当入库洪水处于消退阶段，入库流量小于或等于停机流量时，坝上闸门逐渐关闭，其关闭的原则以维持库水位62.73m为限，电站恢复发电。
按照本发明基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法对上述崔家营电站进行闸坝调度模拟概化，具体步骤如下：
步骤1，建立崔家营电站库区、下游河道模型，河道模型如图2所示；如图3所示，崔家营电站位于上游断面HJ59和下游断面HJ60之间。
步骤2，删除河道模型中闸坝所在的河段的上游断面与下游断面之间的连线(闸坝所在河段的link)，在闸坝的上、下游处分别增加闸坝上游断面(node)CuiJiaYing-U和闸坝下游断面(node)CuiJiaYing-D，并依次连接上游断面HJ59、闸坝上游断面CuiJiaYing-U、闸坝下游断面CuiJiaYing-D和下游断面HJ60；所述闸坝上游断面CuiJiaYing-U与闸坝下游断面CuiJiaYing-D之间的距离为闸坝宽度；
步骤3，设置泵(pum)，所述泵的进水端与所述闸坝上游断面CuiJiaYing-U连接，出水端与闸坝下游断面CuiJiaYing-D连接；
步骤4，根据闸坝运行水位h0、闸坝水位变幅dh以及下泄流量Q设置所述泵的能力曲线(pum curve)：
当水位为h0-dh/n1时，流量设置为Q*n2；
当水位为h0时，流量设置为Q；
当水位为h0+dh/n3时，流量设置为Q*n4；
其中，1＜n1＜100、0＜n2＜1、1＜n3＜100、1＜n4＜10。
泵的能力曲线设置如下表所述：
Figure BDA0002874597180000071
具体的，考虑到崔家营电站枢纽正常蓄水位62.73m，水位变幅约10m。死水位为62.23m，为保证通航，最少需下泄470m3/s，因此设置当水位为62.23m时库区向下游下泄流量470m3/s。而当达到正常蓄水位时，处于发电状态，机组最大发电流量为2200m3/s。当入库流量大于2200m3/s时，仅依靠机组下泄水位会继续上升，所以此时电站进入泄洪状态，因此设置62.73m～63.23m水位区间，下泄流量由2200m3/s增加到10000m3/s。因此取h0＝62.73m，dh＝10m，Q＝2200m3/s，n1＝20，n2＝0.213，n3＝20，n4＝4.545，由此得到下表中具体的泵的能力曲线：
水位(m) 流量(m<sup>3</sup>/s)
62.23 470
62.73 2200
63.23 10000
步骤5，崔家营电站枢纽正常蓄水位62.73m，因此设置闸坝下游断面CuiJiaYing-D的深泓点(Invert EI)设置为62.73m。当上游水位高过62.73m时，可从此处溢流至下游河道。
步骤6，进行模拟计算。
本实施例中，所有技术名词均为SWMM模型技术手册中的现有名词。
实施例2
本实施例依托汉江崔家营电站进行。崔家营水库具有日调节性能，正常蓄水位62.73m，死水位62.23m，相应正常蓄水位库容2.45亿m3，死库容2.05亿m3，有效库容0.4亿m3，工作深度0.5m。崔家营航电枢纽以航运为主，兼有发电、灌溉、供水、旅游等功能，是一项航电结合、以电促航的工程。崔家营电站调度运用主要原则如下：
a)入库流量小于最小通航流量470m3/s时，动用库容下泄航运基荷流量470m3/s，保证下游通航流量的要求。
b)当入库流量大于470m3/s而小于水轮机组最大过流量(2200m3/s)时，库水位维持正常蓄水位62.73m，均由电站过流，电站按天然流量发电。
c)当入库流量大于2200m3/s、小于机组发电停机流量10000m3/s时，由泄水闸下泄电站引水富余水量，控制泄水闸孔数和闸门开度，使下泄流量等于电站引水富余部分水量。
d)当入库流量大于10000m3/s时，电站机组停机，泄水闸全部敞洪，恢复天然行洪状态，以便降低坝前水位。
e)当入库洪水处于消退阶段，入库流量小于或等于停机流量时，坝上闸门逐渐关闭，其关闭的原则以维持库水位62.73m为限，电站恢复发电。
对上述水库进行建模，得到如下模型：
一种基于SWMM的河道模型，包括闸坝、上游断面HJ59和下游断面HJ60。
还包括设置在所述闸坝上游处的闸坝上游断面CuiJiaYing-U和设置在所述闸坝下游处的闸坝下游断面CuiJiaYing-D，所述上游断面HJ60、闸坝上游断面CuiJiaYing-U、闸坝下游断面CuiJiaYing-D和下游断面HJ60依次连接；所述闸坝上游断面CuiJiaYing-U与闸坝下游断面CuiJiaYing-D之间的距离为闸坝宽度。
还包括泵，所述泵的进水端与所述闸坝上游断面CuiJiaYing-U连接，出水端与闸坝下游断面CuiJiaYing-D连接，所述泵具有如下能力曲线：
Figure BDA0002874597180000091
其中，h0为闸坝运行水位，dh为闸坝水位变幅，Q为下泄流量；1＜n1＜100、0＜n2＜1、1＜n3＜100、1＜n4＜10。
具体的，考虑到崔家营电站枢纽正常蓄水位62.73m，水位变幅约10m。死水位为62.23m，为保证通航，最少需下泄470m3/s，因此设置当水位为62.23m时库区向下游下泄流量470m3/s。而当达到正常蓄水位时，处于发电状态，机组最大发电流量为2200m3/s。当入库流量大于2200m3/s时，仅依靠机组下泄水位会继续上升，所以此时电站进入泄洪状态，因此设置62.73m～63.23m水位区间，下泄流量由2200m3/s增加到10000m3/s。因此取h0＝62.73m，dh＝10m，Q＝2200m3/s，n1＝20，n2＝0.213，n3＝20，n4＝4.545，由此得到下表中具体的泵的能力曲线：
水位(m) 流量(m<sup>3</sup>/s)
62.23 470
62.73 2200
63.23 10000
崔家营电站枢纽正常蓄水位62.73m，因此设置闸坝下游断面CuiJiaYing-D的深泓点Invert EI设置为62.73m。当上游水位高过62.73m时，可从此处溢流至下游河道。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法，包括如下步骤：
S1、在河道模型闸坝的上、下游处分别增加闸坝上游断面和闸坝下游断面，并依次连接上游断面、闸坝上游断面、闸坝下游断面和下游断面；
S2、在河道模型中设置泵，将泵的进水端与所述闸坝上游断面连接，出水端与所述闸坝下游断面连接；
S3、根据闸坝运行水位h0、闸坝水位变幅dh以及下泄流量Q设置所述泵的能力曲线：
当水位为h0-dh/n1时，流量设置为Q*n2；
当水位为h0时，流量设置为Q；
当水位为h0+dh/n3时，流量设置为Q*n4；
其中，1＜n1＜100、0＜n2＜1、1＜n3＜100、1＜n4＜10；
S4、计算河道模型中各断面的流量、水位、流速。
2.根据权利要求1所述的基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法，其特征在于，所述S3与S4之间还包括如下步骤：将闸坝下游断面的深泓点设置为正常蓄水位或闸坝的拦挡高程。
3.根据权利要求1或2所述的基于SWMM的河道模型调度模拟概化方法，其特征在于：S1还包括将所述闸坝上游断面与闸坝下游断面之间的距离设为闸坝宽度的步骤。
4.一种计算机存储介质，其特征在于，其存储有程序，该程序用于执行权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
5.一种基于SWMM的河道模型，包括闸坝、上游断面和下游断面，其特征在于：还包括设置在所述闸坝上游处的闸坝上游断面和设置在所述闸坝下游处的闸坝下游断面，所述上游断面、闸坝上游断面、闸坝下游断面和下游断面依次连接；还包括泵，所述泵的进水端与所述闸坝上游断面连接，出水端与所述闸坝下游断面连接，所述泵具有如下能力曲线：
当水位为h0-dh/n1时，流量设置为Q*n2；
当水位为h0时，流量设置为Q；
当水位为h0+dh/n3时，流量设置为Q*n4；
其中，h0为闸坝运行水位，dh为闸坝水位变幅，Q为下泄流量；1＜n1＜100、0＜n2＜1、1＜n3＜100、1＜n4＜10。
6.根据权利要求5所述的基于SWMM的河道模型，其特征在于：所述闸坝下游断面的深泓点的值为正常蓄水位或闸坝的拦挡高程。
7.根据权利要求5或6所述的基于SWMM的河道模型，其特征在于：所述闸坝上游断面与闸坝下游断面之间的距离为闸坝宽度。
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