CN114021500A - 一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法及系统，方法包括S1、确定不同闸门的率定顺序；S2、确定同一闸门不同开度的率定顺序；S3、对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；S4、采用二次多项式对退水过程进行拟合；S5、对率定后的泄流曲线进行回代校验。优点是：从闸门启闭导致退水过程的入库过程线发生陡升或陡降现象出发，探究了泄流曲线误差与退水过程入库流量过程线的相关关系，通过对退水过程进行二次多项式拟合，从而反推出保证满足退水过程一般规律的水位‑开度‑泄水流量序列，为水库闸门泄流曲线率定提供了新的方法和技术，也为水务计算精准计算打下了较好的基础。

Description

一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法及系统

技术领域

本发明涉及水库闸门泄流曲线率定技术领域，尤其涉及一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法及系统。

背景技术

水库的泄流曲线是修建水库时按设计要求根据模型试验得出的理论值，水库建成投运后，泄洪道施工误差、闸门建造误差、水的实际流态与设计流态不同等多种因素导致实际泄流曲线与设计值往往存在差异。在电站实际调度运行中，泄流曲线的精度直接影响下泄水量的计算结果，进而影响水库调洪演算方案和调度决策的合理性。

目前，国内外学者对于水库闸门泄流曲线的率定方法，研究工作主要集中在采用水力学公式通过模型试验或电站运行数据确定流量系数，从而达到率定泄流曲线的目的。有学者结合闸门运行规则计算了闸门淹没系数；有学者通过拟合综合流量系数曲线，得到不同水位下的综合流量系数值；有学者基于综合流量系数经验取值率定了雅砻江水电站泄流曲线。

然而，上述方法所采用的流量系数经验公式或系数表，对于同一种堰型采用不同的经验公式，得到的结果通常是不太一致的。而采用模型试验实测流量系数法又具有率定成本过高，且模型实验与原型仍可能有较大差距，导致率定精度不高、率定过程费时费力等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法及系统，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：

一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，包括如下步骤，

S1、确定不同闸门的率定顺序；

S2、确定同一闸门不同开度的率定顺序；

S3、对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；

S4、采用二次多项式对退水过程进行拟合；

S5、对率定后的泄流曲线进行回代校验。

优选的，步骤S1具体为，对于不同闸门，启闭顺序在前的闸门的历史闸门运行数据多于启闭顺序在后的闸门的历史闸门运行数据，因此，启闭顺序在前的闸门先率定，启闭顺序在后的闸门后率定。

优选的，步骤S2具体为，对于同一闸门，闸门小开度的历史闸门运行数据多于闸门大开度的历史闸门运行数据，因此，小开度的先率定，大开度的后率定。

优选的，水库的入库流量由水量平衡方程计算得到，水量平衡方程的表达式为：

其中，Q_入为入库流量；△V为电站初末库容变化值；△t为电站初末库容变化时间差；f(z)为库容与水位的函数，根据水位查询库容曲线得到；f(z₀)和f(z₁)分别为电站初末时刻对应的库容，t₀和t₁分别为电站库容变化的初末时刻；Q_发为电站发电流量；Q_泄为电站泄水流量；Q_其他为电站其他出库流量；

影响计算水库入库流量误差的因素有水位测量误差、库容曲线误差、发电流量误差、泄流曲线误差和其他流量误差；

水位测量误差与库容曲线误差都归因于偶然误差；

发电流量误差通过水位和出力查询NHQ曲线得到，或者，通过超声波流量计测量发点流量，以减小NHQ曲线带来的误差；

其他流量误差包括引水流量误差和蒸发渗漏流量误差，引水流量误差由引水流量计监测获取，其误差在合理范围内；蒸发渗漏流量误差忽略不计。

优选的，步骤S4具体为，水库的入库流量由上游出库与区间降雨产汇流组成，对于首级水库，其入库流量退水过程符合洪水退水过程规律；洪水的退水过程能够采用二次多项式进行拟合；采用二次多项式对退水过程进行拟合，剔除因闸门启闭导致入库发生突变的突变点后，拟合出一条完整的退水过程线，进而推求相应开度下闸门的水位-泄水流量序列。

优选的，步骤S5具体为，将率定后的闸门泄流曲线代入到具体某一天的水务计算当中，根据该闸门某一开度下的水位-泄流量系列，查询得到该闸门在该水位该开度下的泄水流量值，进而得到该闸门启闭过程所处退水过程的入库流量过程线；根据其数学期望及标准差的大小，判断率定后的闸门泄流曲线是否满足退水段入库流量过程线平滑的要求。

本发明的目的还在于提供一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定系统，所述系统用于实现上述任一所述的方法，所述系统包括，

数据读取模块：用于确定不同闸门的率定顺序；

数据处理模块：用于确定同一闸门不同开度的率定顺序；

误差分析模块；用于对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；

曲线率定模块：用于采用二次多项式对退水过程进行拟合；

校验互馈模块：用于对率定后的泄流曲线进行回代校验。

本发明的有益效果是：1、从闸门启闭导致退水过程的入库过程线发生陡升或陡降现象出发，探究了泄流曲线误差与退水过程入库流量过程线的相关关系，通过对退水过程进行二次多项式拟合，从而反推出保证满足退水过程一般规律的水位-开度-泄水流量序列，并据此提出了新的泄流曲线率定方法。2、能够避免流量系数经验公式或系数表的不确定性与不统一性。该技术方法没有涉及流量系数经验公式的选择，也没用采用历史运行数据制作流量系数表，仅需闸门启闭所处退水段的入库流量过程，避免了流量系数经验公式或系数表的不确定性与不统一性。3、操作简便灵活，易于实施，所需数据较少，都为历史运行数据。可采用编写Java程序率定一个流域所有梯级水库的闸门泄流曲线，计算速度快，响应时间短。4、可以为后续计算入库流量、区间流量等水务计算提供更加精准的理论支撑。该技术为水库闸门泄流曲线率定提供了新的方法和技术，也为水务计算精准计算打下了较好的基础。

附图说明

图1是本发明实施例中方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中闸门启闭导致退水过程入库流量过程线陡升或陡降示意图；

图3是本发明实施例中系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中大花水电站入库过程线示意图；

图5是本发明实施例中大花水电站发电流量情况示意图；

图6是本发明实施例中退水过程的二次多项式拟合示意图；

图7是本发明实施例中率定后泄流曲线回代计算入库流量过程线示意图。

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，提供了一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，包括如下步骤，

S1、确定不同闸门的率定顺序；

S2、确定同一闸门不同开度的率定顺序；

S3、对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；

S4、采用二次多项式对退水过程进行拟合；

S5、对率定后的泄流曲线进行回代校验。

本实施例中，步骤S1具体为，对于不同闸门，启闭顺序在前的闸门的历史闸门运行数据多于启闭顺序在后的闸门的历史闸门运行数据，因此，启闭顺序在前的闸门先率定，启闭顺序在后的闸门后率定。

本实施例中，步骤S2具体为，对于同一闸门，闸门小开度的历史闸门运行数据多于闸门大开度的历史闸门运行数据，因此，小开度的先率定，大开度的后率定。

如图2所示，本实施例中，在调洪调度的水利计算结果中，水库闸门的启闭总是导致处于退水过程的入库流量过程呈现陡升或陡降的规律性。水库的入库流量一般由水量平衡方程计算得到，水量平衡方程的表达式为：

其中，Q_入为入库流量；△V为电站初末库容变化值；△t为电站初末库容变化时间差；f(z)为库容与水位的函数，根据水位查询库容曲线得到；f(z₀)和f(z₁)分别为电站初末时刻对应的库容，t₀和t₁分别为电站库容变化的初末时刻；Q_发为电站发电流量；Q_泄为电站泄水流量；Q_其他为电站其他出库流量，包括引水、蒸发渗漏等；

因此，影响计算水库入库流量误差的因素有水位测量误差、库容曲线误差、发电流量误差(NHQ曲线误差)、泄流曲线误差和其他流量误差；对误差进行分析：

水位测量误差与库容曲线误差都归因于偶然误差；其大小和正负都不固定，由此计算得到的入库流量呈现波动性而不是整体抬升的规律性；

发电流量误差通过水位和出力查询NHQ曲线得到，或者，可以通过超声波流量计测量发点流量，以减小NHQ曲线带来的误差；

其他流量误差包括引水流量误差和蒸发渗漏流量误差，引水流量误差由引水流量计监测获取，其误差在合理范围内；蒸发渗漏流量误差忽略不计。

本实施例中，步骤S4具体为，水库的入库流量由上游出库与区间降雨产汇流组成，对于首级水库，其入库流量退水过程符合洪水退水过程规律；洪水一般可分为单峰型洪水与复峰型洪水，对于不同的洪水，其退水过程都是一个平滑、稳定下降的曲线，因此，洪水的退水过程能够采用二次多项式进行拟合；采用二次多项式对退水过程进行拟合，剔除因闸门启闭导致入库发生突变的突变点后，拟合出一条完整的退水过程线，进而推求相应开度下闸门的水位-泄水流量序列。

本实施例中，步骤S5具体为，将率定后的闸门泄流曲线代入到具体某一天的水务计算当中，根据该闸门某一开度下的水位-泄流量系列，查询得到该闸门在该水位该开度下的泄水流量值，进而得到该闸门启闭过程所处退水过程的入库流量过程线；根据其数学期望及标准差的大小，判断率定后的闸门泄流曲线是否满足退水段入库流量过程线平滑的要求。

利用数学期望和标准差的大小进行判定的判定标准可以根据具体情况进行设置，以便更好的满足实际需求。

如图3所示，本实施例中，还提供了一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定系统，所述系统用于实现所述的方法，所述系统包括，

数据读取模块：用于确定不同闸门的率定顺序；

数据处理模块：用于确定同一闸门不同开度的率定顺序；

误差分析模块；用于对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；

曲线率定模块：用于采用二次多项式对退水过程进行拟合；

校验互馈模块：用于对率定后的泄流曲线进行回代校验。

实施例二

本实施例中，以2015-2020年乌江流域大花水电站为例，利用本发明所述的闸门泄流曲线方法，对大花水右中孔的泄流曲线开展研究，说明本发明的有效性与合理性。

大花水电站是清水河干流水电梯级规划中的第三个梯级，电站位于清水河中游，支流独木河河口以下2.6km，开阳县与福泉市交界处；电站距贵阳市62km，距开阳县城45km，是一座以发电为主的水电枢纽。大花水坝址控制流域面积4328km²，坝址多年平均流量75.0m³/s，年径流量23.7亿m³。电站水库正常蓄水位868.00m，死水位845.00m，调节库容为1.355亿m³，库容系数0.056，水库具有不完全年调节能力。电站装机容量为200MW，多年平均电量7.29亿kW·h。

大花水电站泄流建筑物类型有：表孔3个，泄洪表孔堰顶高程860.0m，弧型工作门13.5×8.5m(宽×高)。中孔2个，泄洪中孔底板高程805.0m，弧型工作门6.0×7.0m(宽×高)。大花水电站的闸门启闭顺序为开启顺序:右中孔(1～6.7m)→左中孔(1～6.7m)→全开中表孔→全开左、右表孔。关闭顺序与开闸顺序相反，先关闭中表孔再关闭左、右表孔，最后关闭中孔。

(1)闸门启闭致退水段入库流量过程线发生突变

根据闸门启闭识别方法，大花水电站2015-2020年共40次，其中处于退水阶段且闸门开启稳定在1小时以上的有16次，闸门开启历史最长2天。对于大花水电站，其闸门启闭一般发生在6-7月的汛期，且闸门启闭较为频繁、开度较大。说明大花水电站作为日调节电站，其调蓄能力不足；且其库容较小，闸门开启泄流对水库的影响较大，故需要对大花水闸门进行率定。

以大花水电站2018年6月26日至2018年7月1日大花水电站为例，其计算入库过程线可见图4，该段时间内，只有右中孔闸门于2018-06-26 14:01开启1m开度，于2018-06-2702:02关闭，其发电流量情况可见图5。由图4与图5可知，在闸门开启至闸门关闭的时段内，大花水电站计算入库过程线发生了陡升，而其发电流量在该段时间内并无较大差别，且大花水电站无引水需求，故该退水段入库过程线陡升是由右中孔泄流曲线误差导致的。

(2)退水过程线拟合与检验互馈

根据退水过程入库流量平滑、稳定下降的特性，采用二次多项式拟合的方法，排除因闸门启闭导致入库发生突变的突变点后，拟合出一条完整的退水过程线，拟合过程可见图6。求出原闸门启闭过程入库流量系列{Q_入k,Q_入k+1,...,Q_入k+m}与拟合后闸门启闭过程的入库流量序列{Q_入k′,Q_入k+1′,...,Q_入k+m′}的误差序列{△Q₁,△Q₂,...,△Q_m}，其平均误差为△Q，假设该时段的上游水位序列为{z₁,z₂,...,z_m}，原泄流曲线为{z₁,A₁,Q₁},{z₂,A₁,Q₂},...,{z_m,A₁,Q_m}，则率定后的一段泄流曲线为{z₁,A₁,Q₁-△Q},{z₂,A₁,Q₂-△Q},...,{z_m,A₁,Q_m-△Q}。

将率定后的泄流曲线重新代入水务计算当中检验其合理性，具体评价指标为入库流量序列的数学期望及标准差，如图7所示。由图7可知，新的泄流曲线率定方法不仅可以对电站闸门泄流曲线进行率定，还可以进一步提高水务计算入库流量过程线的合理性，对其退水过程由闸门引起的突变进行修正，进而保证了数据的准确性和合理性，满足水库科学防洪调度与联合调度的计算需求，提高梯级水库优化调度水平。

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：

本发明提供了一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法及系统，该方法及系统从闸门启闭导致退水过程的入库过程线发生陡升或陡降现象出发，探究了泄流曲线误差与退水过程入库流量过程线的相关关系，通过对退水过程进行二次多项式拟合，从而反推出保证满足退水过程一般规律的水位-开度-泄水流量序列，并据此提出了新的泄流曲线率定方法。能够避免流量系数经验公式或系数表的不确定性与不统一性。该技术方法没有涉及流量系数经验公式的选择，也没用采用历史运行数据制作流量系数表，仅需闸门启闭所处退水段的入库流量过程，避免了流量系数经验公式或系数表的不确定性与不统一性。操作简便灵活，易于实施，所需数据较少，都为历史运行数据。可采用编写Java程序率定一个流域所有梯级水库的闸门泄流曲线，计算速度快，响应时间短。可以为后续计算入库流量、区间流量等水务计算提供更加精准的理论支撑。该技术为水库闸门泄流曲线率定提供了新的方法和技术，也为水务计算精准计算打下了较好的基础。

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 (7)

1.一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1、确定不同闸门的率定顺序；

S2、确定同一闸门不同开度的率定顺序；

S3、对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；

S4、采用二次多项式对退水过程进行拟合；

S5、对率定后的泄流曲线进行回代校验。

2.根据权利要求1所述的基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，其特征在于：步骤S1具体为，对于不同闸门，启闭顺序在前的闸门的历史闸门运行数据多于启闭顺序在后的闸门的历史闸门运行数据，因此，启闭顺序在前的闸门先率定，启闭顺序在后的闸门后率定。

3.根据权利要求2所述的基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，其特征在于：步骤S2具体为，对于同一闸门，闸门小开度的历史闸门运行数据多于闸门大开度的历史闸门运行数据，因此，小开度的先率定，大开度的后率定。

4.根据权利要求2所述的基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，其特征在于：水库的入库流量由水量平衡方程计算得到，水量平衡方程的表达式为：

其中，Q_入为入库流量；△V为电站初末库容变化值；△t为电站初末库容变化时间差；f(z)为库容与水位的函数，根据水位查询库容曲线得到；f(z₀)和f(z₁)分别为电站初末时刻对应的库容，t₀和t₁分别为电站库容变化的初末时刻；Q_发为电站发电流量；Q_泄为电站泄水流量；Q_其他为电站其他出库流量；

影响计算水库入库流量误差的因素有水位测量误差、库容曲线误差、发电流量误差、泄流曲线误差和其他流量误差；

水位测量误差与库容曲线误差都归因于偶然误差；

发电流量误差通过水位和出力查询NHQ曲线得到，或者，通过超声波流量计测量发点流量，以减小NHQ曲线带来的误差；

其他流量误差包括引水流量误差和蒸发渗漏流量误差，引水流量误差由引水流量计监测获取，其误差在合理范围内；蒸发渗漏流量误差忽略不计。

5.根据权利要求4所述的基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，其特征在于：步骤S4具体为，水库的入库流量由上游出库与区间降雨产汇流组成，对于首级水库，其入库流量退水过程符合洪水退水过程规律；洪水的退水过程能够采用二次多项式进行拟合；采用二次多项式对退水过程进行拟合，剔除因闸门启闭导致入库发生突变的突变点后，拟合出一条完整的退水过程线，进而推求相应开度下闸门的水位-泄水流量序列。

6.根据权利要求5所述的基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定方法，其特征在于：步骤S5具体为，将率定后的闸门泄流曲线代入到具体某一天的水务计算当中，根据该闸门某一开度下的水位-泄流量系列，查询得到该闸门在该水位该开度下的泄水流量值，进而得到该闸门启闭过程所处退水过程的入库流量过程线；根据其数学期望及标准差的大小，判断率定后的闸门泄流曲线是否满足退水段入库流量过程线平滑的要求。

7.一种基于退水过程拟合的水库闸门泄流曲线率定系统，其特征在于：所述系统用于实现上述权利要求1至6任一所述的方法，所述系统包括，

数据读取模块：用于确定不同闸门的率定顺序；

数据处理模块：用于确定同一闸门不同开度的率定顺序；

误差分析模块；用于对退水段闸门启闭入库流量进行误差分析；

曲线率定模块：用于采用二次多项式对退水过程进行拟合；

校验互馈模块：用于对率定后的泄流曲线进行回代校验。

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