CN115062389A - 一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法、装置和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法、装置和设备，其中方法包括：获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线；基于入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线；利用河道的宽度参数和水深参数对坝前水沙变化曲线进行细化；通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从预设的多个闸门开度方案中选出坝前淤沙最少的闸门开度方案。本发明提供的技术方案，在满足现有水库调度关于下泄流量总和要求的前提下，进一步提升了坝前泥沙减淤的效果。

Description

一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法、装置和设备

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法、装置和设备。

背景技术

水库蓄水改变了河流水动力情势，造成上游来沙沿程淤积，影响防洪、航运安全以及电站的正常运行等。目前普遍采用蓄清排浑、调水调沙、沙峰调度等方法进行水库泥沙调度，即根据上游的来水来沙情势，利用水流具有挟沙能力的特点，通过控制大坝泄水的时机并动态调整下泄流量，促进泥沙尽可能地排出库区。

水库的坝前区域是泥沙淤积的重点部位，坝前淤积严重会威胁水工建筑物的运行稳定与结构安全。而目前的泥沙调度方法主要关注整个库区的排沙，较少关注坝前泥沙减淤。具体而言，水库大坝设置有多座闸门，目前的泥沙调度方法只规定了闸门下泄流量的总和，不关心各个闸门的开度，也就对闸门开启的组合与各闸门的开度没有要求，只要水库下泄流量的总和达到要求即可。而上述闸门开启组合与闸门开度两个参数对于坝前减淤具有至关重要的影响。因此，如何通过优化控制闸门群的启闭与开度组合，在满足现有泥沙调度下泄流量总和要求的前提下，进一步提升坝前减淤的效果，是亟待解决的问题。

发明内容

针对当前水库排沙忽略闸门启闭顺序引起的坝前淤积问题，本发明提供了一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法、装置和设备，从而在满足现有泥沙调度下泄流量总和要求的前提下，进一步提升了坝前减淤的效果。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法，所述方法包括：获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线，所述入库水沙变化曲线包括入库流量和入库含沙量分别随时间变化的入库流量变化曲线和入库含沙量变化曲线；基于所述入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线；利用河道的宽度参数和水深参数对所述坝前水沙变化曲线进行细化；通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从所述预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

可选地，所述基于所述入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线，包括：通过水库调度关系预测所述入库流量变化曲线对应的出库流量变化曲线，所述水库调度关系用于表征任意时刻入库流量与出库流量的对应关系；基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线，结合水位-库容变化关系，计算库区的水位变化曲线；将所述入库流量变化曲线、所述入库含沙量变化曲线和所述库区的水位变化曲线输入预设的一维水沙运动模型，计算得到坝前预设断面位置的坝前水位变化曲线、坝前流量变化曲线和坝前含沙量变化曲线；基于所述坝前水位变化曲线和坝前流量变化曲线计算坝前平均流速变化曲线；将所述坝前平均流速变化曲线和所述坝前含沙量变化曲线作为所述坝前水沙变化曲线。

可选地，所述通过水库调度关系预测所述入库流量变化曲线对应的出库流量变化曲线，包括：将所述入库流量变化曲线各个时刻对应的入库流量值输入所述水库调度关系，得到各个时刻对应的出库流量值，并基于所述各个时刻对应的出库流量值绘制生成所述出库流量变化曲线；其中，所述水库调度关系包括：在所述入库流量值上升至洪峰之前，当所述入库流量值小于第一预设阈值时，所述出库流量值等于所述入库流量值，当所述入库流量值不小于第一预设阈值时，所述出库流量值等于所述第一预设阈值；在所述入库流量值从洪峰开始下降之后，当所述入库流量值大于第二预设阈值时，所述出库流量值等于所述入库流量值，当所述入库流量值不大于第二预设阈值时，所述出库流量值等于所述第二预设阈值。

可选地，所述基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线，结合水位-库容变化关系，计算库区的水位变化曲线，包括：获取水库的所述水位-库容变化关系；基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线计算水库的库容变化曲线；将所述库容变化曲线输入所述水位-库容变化关系，计算所述库区的水位变化曲线。

可选地，所述利用河道的宽度参数和水深参数对所述坝前水沙变化曲线进行细化，包括：基于坝前预设断面的地形和所述坝前水位变化曲线，得到所述宽度参数和所述水深参数；固定流速沿河道宽度或水深度方向不变，基于所述坝前平均流速变化曲线对所述水深参数或所述宽度参数的微分，计算各水深度对应的坝前平均流速变化曲线或各河道宽度对应的坝前平均流速变化曲线；固定含沙量沿河道宽度或水深度方向不变，基于所述坝前含沙量变化曲线对所述水深参数或所述宽度参数的微分，计算各水深度对应的坝前含沙量变化曲线或各河道宽度对应的坝前含沙量变化曲线。

可选地，生成所述预设的多个闸门开度方案的步骤，包括：基于水库床面高度确定开启的闸门位置；创建所述闸门位置对应闸门的开度方案，以使出库流量等于闸门总泄流量与发电机满负荷发电的满发流量之和，并且满足所述水库调度关系。

可选地，所述通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从所述预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案，包括：获取所述坝前预设断面位置到坝址的三维模型，并将所述三维模型进行网格划分；将所述细化后的坝前水沙变化曲线导入网格划分后的三维模型，得到三维水沙运动模型；利用所述三维水沙运动模型遍历模拟各个预设的闸门开度方案，并记录各个预设的闸门开度方案对应的进口-出口沙量差值；将进口-出口沙量差值最小的闸门开度方案作为所述坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度装置，所述装置包括：数据采集单元，获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线，所述入库水沙变化曲线包括入库流量和入库含沙量分别随时间变化的入库流量变化曲线和入库含沙量变化曲线；坝前断面水沙预测单元，用于基于所述入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线；水沙细化单元，用于利用河道的宽度参数和水深参数对所述坝前水沙变化曲线进行细化；闸门调度单元，用于通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从所述预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。

本申请提供的技术方案，具有如下优点：

本申请提供的技术方案，采集未来预设时间段内水库进口处的入库流量和入库含沙量分别随时间变化的曲线关系，得到入库水沙变化曲线。然后利用入库水沙变化曲线从而进行一维水沙运动模拟，计算出水库坝前位置的水沙变化曲线（即坝前预设断面任意位置的流量、含沙量、流速随时间的变化关系）。一维水沙模拟的计算效率高、对数据资料的要求较少，由于整个库区的范围较大，故先采用一维水沙模拟（即只计算水沙沿流向的时间变化过程），得到初步的坝前水沙变化曲线。然后再将河道宽度和水深度两个维度的参数引入坝前水沙变化曲线，进行细化，从而得到预设断面在任意宽度、水深方向，不同时间的三维坝前水沙变化曲线，从而提高变化曲线的准确度。之后，利用细化后的坝前水沙变化曲线建立三维水沙运动模型，按照不同的闸门开度方案进行水沙运动模拟，再分别记录不同闸门开度方案对应的坝前减淤情况，从预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。从而基于闸门调度策略的优化，实现了促进坝前减淤的效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施方式中水库闸门调度方法的步骤示意图；

图2示出了现有技术中洪水流量变化示意图；

图3示出了本发明一个实施方式中一维水沙模拟的范围示意图；

图4示出了本发明一个实施方式中未来入库流量变化示意图；

图5示出了本发明一个实施方式中未来入库含沙量变化示意图；

图6示出了本发明一个实施方式中坝前水位变化示意图；

图7示出了本发明一个实施方式中坝前预设断面的流量变化示意图；

图8示出了本发明一个实施方式中坝前预设断面的含沙量变化示意图；

图9示出了本发明一个实施方式中某水库坝前断面地形及闸门布置示意图；

图10示出了本发明一个实施方式中某水库三维模型网格划分示意图；

图11示出了本发明一个实施方式中水库闸门调度装置的结构示意图；

图12示出了本发明一个实施方式中水库闸门调度设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，在一个实施方式中，一种水库闸门调度方法，具体包括以下步骤：

步骤S101：获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线，入库水沙变化曲线包括入库水流量和入库含沙量分别随时间变化的入库流量变化曲线和入库含沙量变化曲线。

步骤S102：基于入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线。

步骤S103：利用河道的宽度参数和水深参数对坝前水沙变化曲线进行细化。

步骤S104：通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

具体地，在本实施例中，提出的闸门调度方法，通过调控水库闸门的不同开度，从而间接影响水沙运动，在不改变总下泄流量的前提下，达到减少坝前泥沙的目的。为了实现此目的，本实施例首先根据水文资料，获取入库的流量、含沙量在未来一段时间内随时间的变化关系（即水沙变化曲线），然后再根据获取的水沙变化曲线，只考虑沿水流方向的水沙变化过程，进行一维水沙运动模拟，快速预测坝前预设位置的流量、含沙量变化关系，得到坝前水沙变化曲线（假设水库河段全长600km，入库位置即距离大坝600km的位置，坝前预设断面位于大坝上游不远处，例如距离大坝15km的位置）。在此基础上，再将河道宽度和水深度两个维度的参数引入坝前水沙变化曲线，将坝前水沙变化曲线的准确度进行细化，为后续进行三维水沙运动模拟做准备。然后预先创建多个闸门开度方案，并且创建坝址河段的三维模型，将细化后的坝前水沙变化曲线导入三维模型，进而按照预先创建的多个闸门开度方案逐一进行三维水沙运动模拟，进而记录各个闸门开度方案对应的坝前泥沙淤积情况，从而选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案，实现了闸门的最优调度。

在本实施例中，获取入库的流量、含沙量在未来一段时间内随时间的变化关系的具体过程，通过收集库区各支流在未来一段时间的来水来沙过程，然后将各支流的未来来水来沙过程曲线进行叠加，计算出总入库水沙过程。

具体地，在一实施例中，上述步骤S102，具体包括如下步骤：

步骤一：通过水库调度关系预测入库流量变化曲线对应的出库流量变化曲线，水库调度关系用于表征任意时刻入库流量与出库流量的对应关系。

步骤二：基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线，结合水位-库容变化关系，计算库区的水位变化曲线。

步骤三：将所述入库流量变化曲线、所述入库含沙量变化曲线和所述库区的水位变化曲线输入预设的一维水沙运动模型，计算得到坝前预设断面位置的坝前水位变化曲线、坝前流量变化曲线和坝前含沙量变化曲线。

步骤四：基于所述坝前水位变化曲线和坝前流量变化曲线计算坝前平均流速变化曲线。

步骤五：将所述坝前平均流速变化曲线和所述坝前含沙量变化曲线作为所述坝前水沙变化曲线。

具体地，本实施例在一维水沙模拟的基础上，以一维水沙模拟的输出作为三维水沙模拟的输入参数，从而实现准确的三维水沙模拟。为了进行三维水沙模拟，从而需要通过一维水沙模拟得到坝前平均流速随时间的变化关系、坝前含沙量随时间的变化关系。基于此，本实施例首先根据入库流量变化曲线Q_入~t，结合水库调度关系（水库调度关系详细明确了任意时刻具体的入库流量对应具体的出库流量），从而可以确定水库出库流量随时间的变化过程，即出库流量变化曲线Q_出~t。然后将Q_出~t、Q_入~t、水库容量进行函数分析，可以得到库区的水位随时间的变化过程，即库区水位变化曲线。之后，对整个库区河段进行一维水沙模拟（只考虑沿水流方向的水沙变化过程）：以Q_入~t、库区的水位变化曲线Z~t、入库含沙量变化曲线作为模型的输入条件，结合河道糙率随水位的沿程变化，采用有限差分法进行水动力求解，采用显格式方法进行泥沙求解，得到库区任意断面位置的流量、含沙量、水位的动态变化过程。进一步地，针对坝前河段的预设位置断面（即本实施例中位于坝址上游15km的断面），提取未来一个月的流量、水位、含沙量的计算数据，得到坝前河段对应进口断面的水沙过程，即坝前流量变化曲线、坝前水位变化曲线和坝前含沙量变化曲线。

在后续三维模拟时，三维模型所需的输入参数为沿河道宽度变化、沿水深变化、沿河流方向变化的流速函数，因此还需通过坝前流量变化曲线和坝前水位变化曲线计算出水沙沿河流方向的流速-时间变化关系，即坝前平均流速变化曲线，以便于得到后续的三维流速关系。具体方式为：结合坝址水位变化曲线和坝前预设断面的地形，可以计算出断面平均流速U _m 、断面平均含沙量S _m 在未来预设时间段内的变化过程。最后，结合坝前预设断面对应河宽参数、水深参数随时间变化曲线，得到预设断面对应任意位置的流速U、含沙量S随时间的变化曲线。

具体地，在一实施例中，上述步骤一，具体包括如下步骤：

步骤六：将入库流量变化曲线各个时刻对应的入库流量值分别输入水库调度关系，得到各个时刻对应的出库流量值，并基于各个时刻对应的出库流量值绘制生成出库流量变化曲线。

其中，水库调度关系包括：在入库流量值上升至洪峰之前，当入库流量值小于第一预设阈值时，出库流量值等于入库流量值，当入库流量值不小于第一预设阈值时，出库流量值等于第一预设阈值；在入库流量值从洪峰开始下降之后，当入库流量值大于第二预设阈值时，出库流量值等于入库流量值，当入库流量值不大于第二预设阈值时，出库流量值等于第二预设阈值。

具体地，获取入库流量变化曲线各个时刻对应的入库流量值，然后按照入库流量-出库流量一一对应的映射关系（水库调度关系），输出对应的出库流量值，即可绘制得到出库流量曲线。在本实施例中，水库调度关系采用“洪峰迎水面，蓄水拦沙；洪峰落水面，加大泄量冲沙”的策略进行水力排沙，如图2所示，展示了某一场洪水过程中，洪水流量随时间的变化过程。而“洪峰迎水面，蓄水拦沙；洪峰落水面，加大泄量冲沙”就是在洪峰迎水面的时间过程中，水库蓄水并拦截一部分泥沙；在洪峰落水面的时间过程中，水库加大下泄流量，促进库区泥沙冲刷并排出水库，从而提高坝前减淤的效果。

下面以一个具体例子进行解释：

在洪峰迎水面（入库流量值上升至洪峰之前），当入库流量值小于30000 m³/s（第一预设阈值）时，按实际入库流量值下泄，即Q_出=Q_入；反之，则按30000m³/s泄洪，即Q_出=30000m³/s（第一预设阈值）。在洪峰落水面（在入库流量值从洪峰开始下降之后），当入库流量大于40000 m³/s（第二预设阈值）时，按实际入库流量值下泄，即Q_出=Q_入；反之，则按40000m³/s泄洪，即Q_出=40000m³/s。按照上述水库调度关系，即可对应得到出库流量Q_出随时间t的变化过程。

具体地，在一实施例中，上述步骤二，具体包括如下步骤：

步骤七：获取水库的水位-库容变化关系。

步骤八：基于入库流量变化曲线和出库流量变化曲线计算水库的库容变化曲线。

步骤九：将库容变化曲线输入水位-库容变化关系，计算水位变化曲线。

具体地，在已知水库库容V与库区水位Z之间满足Z=41V^0.24关系时，结合当前水位、库容以及Q_入~t、Q_出~t关系，求解注水排水问题，即可预测未来预设时间段内库区的水位随时间的变化过程Z~t。

具体地，在一实施例中，上述步骤S103，具体包括如下步骤：

步骤十：固定流速沿河道宽度或水深度方向不变，基于坝前平均流速变化曲线对水深参数或宽度参数的微分，计算各水深度对应的坝前平均流速变化曲线或各河道宽度对应的坝前平均流速变化曲线。

步骤十一：固定含沙量沿河道宽度或水深度方向不变，基于坝前含沙量变化曲线对水深参数或宽度参数的微分，计算各水深度对应的坝前含沙量变化曲线或各河道宽度对应的坝前含沙量变化曲线。

具体地，因为一维水沙模型得到的是断面平均值，即平均水流速度U _m 、平均含沙量S _m 。而在实际应用场景，由于流量不断变化，从而水位不断变化，结合河道的实际地形，水位变化会导致水深与河道宽度不断变化，因此，如果要获得准确的水沙运动模拟过程，要求清楚不同水深、不同河道宽度对应的流速U、含沙量S。首先，将坝前水位变化曲线结合坝前预设断面的地形进行分析，得到河道的宽度参数、水深参数，还得到断面平均流速U _m 、断面平均含沙量S _m 在未来预设时间段内的变化过程。然后，假设水、沙沿河宽方向的运动保持不变，结合水、沙沿水深分布公式以及U _m 、S _m 变化曲线，计算该断面对应任意水深位置的流速、含沙量随时间变化的曲线。

具体地，假设水流流速U沿河宽不变，沿水深按对数分布，则满足如下公式：

其中，z表示自床面向上的高度；U表示z高度处的水流流速，U _m 表示坝前平均流速，可由坝前平均流速变化曲线得到；κ为常数，κ=0.4；C为常数；h表示水深，即水位Z与床面高程的差值。从而通过求解上述公式的微分，可以得到进口断面任意水深位置处的坝前水流流速U在未来预设时间段的值。

同理，假设水流流速沿水深不变，创建河道宽度与水流流速的积分关系，进而通过微分即可得到任意河道宽度位置处的坝前水流流速U在未来预设时间段的值，具体公式不再赘述。

之后，假设水体含沙量S沿河宽不变，沿水深按Rouse公式分布，则满足如下公式：

其中，S表示z高度处的水体含沙量；S _a表示z=a高度处的水体含沙量；ω表示泥沙 沉速，满足

，其中，ν为水流粘滞系数，d为泥沙粒径，γ _s和γ分别为泥沙和水的容重；U _*为摩阻流速。从而，求解上式的微分，可以得到进口断面 任意水深位置处的坝前水体含沙量S在未来一个月的变化值。

坝前水体含沙量S在任意河道宽度在未来预设时间段的变化曲线的计算方法与上述公式同理，在此不再赘述。

通过上述步骤十至步骤十一，基于河道的宽度参数和水深参数实现了对坝前水沙变化曲线的细化，同时将一维模型的计算结果转换为三维模型计算的输入条件，完成了后续三维水沙模拟的准备工作。

具体地，在一实施例中，创建预设的多个闸门开度方案的步骤，包括：

步骤十二：基于水库床面高度确定开启的闸门位置。

步骤十三：创建所述闸门位置对应闸门的开度方案，以使出库流量等于闸门总泄流量与发电机满负荷发电的满发流量之和，并且满足所述水库调度关系。

具体地，在本实施例中，获取坝前河段的泥沙淤积情况，包括淤积厚度、淤积物的 粒径组成与板结情况及上述因子沿河宽的变化，直观反映为水库床面高度，据此确定进行 减淤调度需要重点开启的若干闸门，床面高度越高，表征泥沙淤积越多，对应位置的闸门需 要优先开启。然后，采用闸门的泄流能力公式计算第i座闸门的泄流量

。其 中，μ=0.87，B _i 为闸门的宽度，e _i 为闸门开启的相对高度，g为重力加速度，H _i 为坝址水位与闸 底板高程的差值；根据库区水位的动态变化，即Z~t关系，在满足

的前提下 （即出库流量由两部分组成，包括闸门总泄流量与发电机满负荷发电的满发流量，闸门与发 电机位于不同的通道，发电机通道的流量只用于发电，无泥沙通过），其中，N为大坝的闸门 总量，Q _机为发电机组的满发流量，结合确定的重点开启闸门，预先设计若干组闸门启闭方 案，理论上预创建的方案均对坝前泥沙具有一定的减淤效果，即若干个F(e ₁, e ₂, … e _i …e _N )~t关系，F(e ₁, e ₂, … e _i …e _N )~t表示在不同时刻t，各闸门的开度，反映了闸门的动态 使用过程。从而在此基础上再进行闸门调度的寻优，降低了闸门最优调度方案求解的时间。

具体地，在一实施例中，上述步骤S104，具体包括如下步骤：

步骤十四：获取坝前预设断面位置到坝址的三维模型，并将三维模型进行网格划分。

步骤十五：将细化后的坝前水沙变化曲线导入网格划分后的三维模型，得到三维水沙运动模型。

步骤十六：利用三维水沙运动模型遍历模拟各个预设的闸门开度方案，并记录各个预设的闸门开度方案对应的进口-出口沙量差值。

步骤十七：将进口-出口沙量差值最小的闸门开度方案作为坝前泥沙最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

具体地，对坝前河段及坝体进行三维建模，将坝体设定为由若干闸门组成的挡水墙，闸门数量与位置对应实际情况，根据F(e ₁, e ₂, … e _i …e _N )~t关系设定闸门开度；根据地形资料，进行网格划分与水沙模拟，网格划分，是三维水沙模拟的必须步骤，因为三维模拟是计算水沙运动沿三个方向的变化，在具体计算过程中，需要划分成很多不同的小网格，并通过计算不同网格的水沙数据，得到水沙沿三维方向的变化。进而得到模型进、出口沙量的差值以及减淤调度后的坝前河道地形，并通过进、出口沙量的差值反映坝前的减淤效果，对各个闸门开度方案均进行上述三维水沙模拟过程，即可找出最优的闸门开度方案，提高坝前减淤的效果。

下面以一个具体场景的实施例，对本发明实施例提供的水库闸门调度方法进行描述：

以某河道型水库调度为例进行说明。河道型水库库区干流全长660km，坝前河段长15km。如图3所示，库区入汇支流较多，但水沙主要来源于JS、JL、W江。采用引水发电，机组满发流量Q _机= 10000m³/s。坝体设17个泄洪孔（即闸门数量N=17），并通过平板闸门控制下泄流量，闸门高30m、宽B _i = 20m，闸底板高程100m。

首先计算总的入库流量随时间的变化过程Q _入~t。当前，水库坝址水位Z=150m，库容V=222.39亿m³。已知未来一个月内，JS、JL、W江的流量、含沙量过程分别如图4、图5。在此基础上，得到总入库流量Q _入随时间t的变化过程，见图4。

之后，计算水库出库流量随时间的变化过程Q _出~t；根据水库调度关系，采用“洪峰迎水面，蓄水拦沙；洪峰落水面，加大泄量冲沙”的策略进行水力排沙，得到出库流量Q _出随时间t的变化过程，见图4。

之后，确认坝址水位随时间的变化过程Z~t；在已知水库库容V与坝前水位Z之间满足Z=41V^0.24关系时，结合当前水位、库容以及Q _入~t、Q _出~t关系，可以预测未来一段时间坝址水位随时间的变化过程Z~t，相应的结果见图6。

之后，对整个库区河段进行一维水沙模拟，以Q _入~t、Z~t、入库含沙量变化曲线作为模型的输入条件，得到坝前河段进口的水沙过程。具体根据各支流间的连接关系、库区断面地形进行建模，以JS、JL、W江流量、含沙量随时间的变化过程以及坝址的Z~t关系作为模型计算的输入条件，结合河道糙率随水位的沿程变化，采用有限差分法进行水动力求解，采用显格式方法进行泥沙求解，得到库区任意断面的流量、含沙量的动态变化过程。进一步地，针对坝前河段的进口断面（坝址上游15km的断面），提取未来一个月的流量、含沙量的计算数据，见图7、图8。

之后，利用河道宽度参数和水深参数对图7、图8中的变化曲线进行细化，得到各水深度对应的坝前流速变化关系、各河道宽度对应的坝前流速变化关系、各水深度对应的坝前含沙量变化关系以及各河道宽度对应的坝前含沙量变化关系。

然后预创建多个闸门开度方案：结合未来一个月的闸门泄流过程和坝前减淤的重 点部位，设计若干组闸门启闭方案。具体的，结合水文观测资料及大坝设计资料，调研坝前 河段的泥沙淤积情况，包括淤积厚度、淤积物的粒径组成与板结情况及上述因子沿河宽的 变化，见图9。其中，黑色方块表示闸门，从左至右，依次定义为1#、2#…、17#闸。由图9可知， 15-17#闸门的对应床面高程较大，但建库以来的泥沙淤积情况不显著，且河床组成以大尺 度块石为主，不适用于减淤调度。相比之下，2-3#闸门对应的泥沙淤积情况较显著。因此，在 进行坝前减淤调度时，应重点开启2#、3#闸门。根据闸门的泄流能力公式，第i座闸门的泄流 量Q _i 满足

。其中，μ=0.87；B _i 为闸门的宽度，B _i =20 m；e _i 为闸门开启的相对 高度；g= 10 m/s²；H _i 为坝址水位与闸底板高程的差值，H _i =Z-100 m。在任意时刻，所有闸门 泄流量之和等于出库流量Q _出与发电机满负荷发电的满发流量Q _机的差值。即满足：

在大多数情况下，2#与3#闸门全开对应的闸门泄流量之和，大于“Q _出-10000”值。本实施例设计了如下几组闸门启闭方案：

方案1.优先保证2#闸门全开，不足的流量通过3#闸补齐，并进一步考虑1#、4#闸的开启；

方案2.优先保证3#闸门全开，不足的流量通过2#闸补齐，并进一步考虑1#、4#闸的开启；

方案3.保证2#与3#闸门始终维持相同的开度。

各方案对应闸门开度（单位：m）的动态变化见表1。

表1. 闸门开度方案表

表1. 闸门开度方案表

之后，进行坝前三维水沙模拟，分析坝前河段进口断面在任意时刻、任意空间位置的水沙情况，进行减淤效果估算：针对三维水沙模拟的研究区域，即图3中的出口断面位置，结合三维河段的地形资料以及1#~4#闸门的启闭，进行网格划分与水沙模拟。三维区域水平向采用正交曲线网格，垂向分90层，水平和垂向网格见图10，闸门设置在垂向网格45层以下区域。同时，在闸门及床面附近的局部区域，进行网格加密处理。三维模型包含坝前进口断面和坝址闸门出口，共两个开边界。其中，坝前进口断面对应各网格的来水来沙过程，由一维水沙模型的计算结果，并结合流速、含沙量沿断面的分布公式确定；坝址闸门的出水过程，需根据闸门开度的变化（表1）以及坝址水位，动态调整相应的过流量。利用三维水沙模拟，分别计算三种闸门启闭方案对应模型进口、出口沙量的差值，以及床面地形的变化。根据三维模型的计算结果，方案1、2、3对应进出口沙量的差值分别为-0.51、-0.56、-0.37万吨。因此，采用方案2设计的闸门启闭方案为最优闸门调度方案。

通过上述步骤，本申请提供的技术方案，采集未来预设时间段内水库进口处的入库流量和入库含沙量分别随时间变化的曲线关系，得到入库水沙变化曲线。然后利用入库水沙变化曲线从而进行一维水沙运动模拟，计算出水库坝前位置的水沙变化曲线（即坝前的流量、含沙量、流速随时间的变化关系）。一维水沙模拟的计算效率高、对数据资料的要求较少，由于整个库区的范围较大，故先采用一维水沙模拟（即只与河流方向相关的水沙变化过程），得到初步的坝前水沙变化曲线。然后再将河道宽度和水深度两个维度的参数引入坝前水沙变化曲线，进行细化，从而得到不同河道宽度、不同水深度、不同时间的三维度坝前水沙变化曲线，从而提高变化曲线的准确度。之后，利用细化后的坝前水沙变化曲线建立三维水沙运动模型，按照不同的闸门开度方案进行水沙运动模拟，再分别记录不同闸门开度方案对应的坝前减淤情况，从预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙最少的闸门开度方案。从而基于闸门调度策略的优化，实现了提升坝前减淤的效果的目的。

如图11所示，本实施例还提供了一种水库闸门调度装置，该装置包括：

数据采集单元101，获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线，入库水沙变化曲线包括入库水流量和入库含沙量分别随时间变化的入库流量变化曲线和入库含沙量变化曲线。详细内容参见上述方法实施例中步骤S101的相关描述，在此不再进行赘述。

坝前断面水沙预测单元102，用于基于入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线。详细内容参见上述方法实施例中步骤S102的相关描述，在此不再进行赘述。

水沙细化单元103，用于利用河道的宽度参数和水深参数对坝前水沙变化曲线进行细化。详细内容参见上述方法实施例中步骤S103的相关描述，在此不再进行赘述。

闸门调度单元104，用于通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙最少的闸门开度方案。详细内容参见上述方法实施例中步骤S104的相关描述，在此不再进行赘述。

本发明实施例提供的水库闸门调度装置，用于执行上述实施例提供的水库闸门调度方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。

通过上述各个组成部分的协同合作，本申请提供的技术方案，采集未来预设时间段内水库进口处的入库流量和入库含沙量分别随时间变化的曲线关系，得到入库水沙变化曲线。然后利用入库水沙变化曲线从而进行一维水沙运动模拟，计算出水库坝前位置的水沙变化曲线（即坝前的流量、含沙量、流速随时间的变化关系）。一维水沙模拟的计算效率高、对数据资料的要求较少，由于整个库区的范围较大，故先采用一维水沙模拟（即只与河流方向相关的水沙变化过程），得到初步的坝前水沙变化曲线。然后再将河道宽度和水深度两个维度的参数引入坝前水沙变化曲线，进行细化，从而得到不同河道宽度、不同水深度、不同时间的三维度坝前水沙变化曲线，从而提高变化曲线的准确度。之后，利用细化后的坝前水沙变化曲线建立三维水沙运动模型，按照不同的闸门开度方案进行水沙运动模拟，再分别记录不同闸门开度方案对应的坝前减淤情况，从预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙最少的闸门开度方案。从而基于闸门调度策略的优化，实现了提升坝前减淤的效果的目的。

图12示出了本发明实施例的一种水库闸门调度设备，该设备包括处理器901和存储器902，可以通过总线或者其他方式连接，图12中以通过总线连接为例。

处理器901可以为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如上述方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。

存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。

上述水库闸门调度设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，实现的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）、随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）、快闪存储器（Flash Memory）、硬盘（Hard Disk Drive，缩写：HDD）或固态硬盘（Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度方法，其特征在于，所述方法包括：

获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线，所述入库水沙变化曲线包括入库流量和入库含沙量分别随时间变化的入库流量变化曲线和入库含沙量变化曲线；

基于所述入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线；

利用河道的宽度参数和水深参数对所述坝前水沙变化曲线进行细化；

通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从所述预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线，包括：

通过水库调度关系预测所述入库流量变化曲线对应的出库流量变化曲线，所述水库调度关系用于表征任意时刻入库流量与出库流量的对应关系；

基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线，结合水位-库容变化关系，计算库区的水位变化曲线；

将所述入库流量变化曲线、所述入库含沙量变化曲线和所述库区的水位变化曲线输入预设的一维水沙运动模型，计算得到坝前预设断面位置的坝前水位变化曲线、坝前流量变化曲线和坝前含沙量变化曲线；

基于所述坝前水位变化曲线和坝前流量变化曲线计算坝前平均流速变化曲线；

将所述坝前平均流速变化曲线和所述坝前含沙量变化曲线作为所述坝前水沙变化曲线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过水库调度关系预测所述入库流量变化曲线对应的出库流量变化曲线，包括：

将所述入库流量变化曲线各个时刻对应的入库流量值输入所述水库调度关系，得到各个时刻对应的出库流量值，并基于所述各个时刻对应的出库流量值绘制生成所述出库流量变化曲线；

其中，所述水库调度关系包括：

在所述入库流量值上升至洪峰之前，当所述入库流量值小于第一预设阈值时，所述出库流量值等于所述入库流量值，当所述入库流量值不小于第一预设阈值时，所述出库流量值等于所述第一预设阈值；

在所述入库流量值从洪峰开始下降之后，当所述入库流量值大于第二预设阈值时，所述出库流量值等于所述入库流量值，当所述入库流量值不大于第二预设阈值时，所述出库流量值等于所述第二预设阈值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线，结合水位-库容变化关系，计算库区的水位变化曲线，包括：

获取水库的所述水位-库容变化关系；

基于所述入库流量变化曲线和所述出库流量变化曲线计算水库的库容变化曲线；

将所述库容变化曲线输入所述水位-库容变化关系，计算所述库区的水位变化曲线。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用河道的宽度参数和水深参数对所述坝前水沙变化曲线进行细化，包括：

基于坝前预设断面的地形和所述坝前水位变化曲线，得到所述宽度参数和所述水深参数；

固定流速沿河道宽度或水深度方向不变，基于所述坝前平均流速变化曲线对所述水深参数或所述宽度参数的微分，计算各水深度对应的坝前平均流速变化曲线或各河道宽度对应的坝前平均流速变化曲线；

固定含沙量沿河道宽度或水深度方向不变，基于所述坝前含沙量变化曲线对所述水深参数或所述宽度参数的微分，计算各水深度对应的坝前含沙量变化曲线或各河道宽度对应的坝前含沙量变化曲线。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，生成所述预设的多个闸门开度方案的步骤，包括：

基于水库床面高度确定开启的闸门位置；

创建所述闸门位置对应闸门的开度方案，以使出库流量等于闸门总泄流量与发电机满负荷发电的满发流量之和，并且满足所述水库调度关系。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从所述预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案，包括：

获取所述坝前预设断面位置到坝址的三维模型，并将所述三维模型进行网格划分；

将所述细化后的坝前水沙变化曲线导入网格划分后的三维模型，得到三维水沙运动模型；

利用所述三维水沙运动模型遍历模拟各个预设的闸门开度方案，并记录各个预设的闸门开度方案对应的进口-出口沙量差值；

将进口-出口沙量差值最小的闸门开度方案作为所述坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

8.一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度装置，其特征在于，所述装置包括：

数据采集单元，获取未来预设时间段内的入库水沙变化曲线，所述入库水沙变化曲线包括入库流量和入库含沙量分别随时间变化的入库流量变化曲线和入库含沙量变化曲线；

坝前断面水沙预测单元，用于基于所述入库水沙变化曲线，预测坝前预设断面位置的坝前水沙变化曲线；

水沙细化单元，用于利用河道的宽度参数和水深参数对所述坝前水沙变化曲线进行细化；

闸门调度单元，用于通过细化后的坝前水沙变化曲线和预设的多个闸门开度方案进行三维水沙运动过程模拟，并基于模拟结果从所述预设的多个闸门开度方案中选出坝前泥沙淤积最少或坝前排沙最多的闸门开度方案。

9.一种面向坝前泥沙减淤的水库闸门调度设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

Images