CN116467773A - 基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，它包括以下步骤：步骤1：断面资料和水文资料收集；步骤2：库区河道和节点编号；步骤3：断面选取和断面概化；步骤4：边界条件设置；步骤5：水动力模型构建；步骤6：糙率系数优化；步骤7：模型预报和调控；步骤8：动库容演算。本发明创造性地提出大型水库库区一维水动力模型的水位‑流量转换边界，在采用出库流量对水库进行调度时，能大幅降低对初始条件的高精度要求，提高大型水库库区水动力模拟和动库容演算精度，可以直接应用于指导大型水库调度运行，避免上游淹没影响库区居民生产生活，提高电站发电量，具有显著的社会经济效益，为大型水库科学、精细和实时调度提供技术支撑。

Description

基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及水库库区洪水水情预报技术，特别涉及基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法。

背景技术

大型水库水系发达，暴雨类型与洪水规律复杂，入流和出流边界条件的多样化，在高强度降雨条件下，各支流径流不断汇入主河道，短时间内水量突增，汇聚形成洪水在库区内传播。同时，大型库区洪水一般呈现非恒定流状态，水库回水尾端库水面曲线上翘显著，动库容(实际库水面与水平库面间的库容)不容忽视。因此，准确模拟洪水在库区的传播，以及科学预测库区动库容、库区水面线以及水位、流量的变化过程是水库调度工作的重点和难点。

入库流量的精准演算是大型水库科学调度的重要环节，水库的发电计划、运行水位和下泄流量都受到入库流量的影响，若入库流量测算不准，则会带来整个预报调度体系的失稳，影响水库综合效益的发挥。而由于水库坝前断面跨度一般较大，无法通过传统的人工船测或缆道测量等方式测量。目前，生产实际中多采用静库容法和动库容法两种调洪演算法。静库容调洪演算法根据水位库容曲线计算每一时刻水位所对应的库容，结合出库流量反推计算入库流量。该方法适用于水流流速较小的水库，由于大型水库水流速度大、库区水位差异大，计算精度难以满足大型水库调库需求。动库容调洪演算法考虑到水平面以上回水形成的楔形库容的影响，采用多段库容反推，一定程度上解决了静库容演算带来的流量震荡。但是该方法无法精准模拟洪水传播过程，无法科学模拟预测库区水面线以及水位、流量及动库容的变化过程。

同时，针对库区不同的来水，如何依据库区水位、流量来制定出库流量是目前尚未解决的难点问题。目前对该方面的数值预报模拟主要以水动力模型为主，其常以水位过程线作为下边界约束条件，在采用合适河床糙率系数的条件下，沿程各站点的预报结果较为准确，但这种方法无法描述水库调度时出库流量变化对库区水位和流量带来的影响。当以出库流量过程作为下游边界时，由于缺少下游水位条件作为约束，仅由上游输入流量与出库流量的数量关系并结合初始水位、流量来推算出沿程各站的水位和流量，若上游输入流量的准确性不高，存在一定偏差，会导致累计误差的出现，随着模拟时段不断延长，模拟结果的误差会持续增大，难以用于大型水库实时洪水预报和库区动库容演算。

发明内容

为解决现有大型水库水情预报方法与方面存在的不足，本发明目的是提供了一种基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，在采用出库流量对水库进行调度时，能大幅降低对初始条件的高精度要求，提高大型水库库区水动力模拟和动库容演算精度，可以直接应用于指导大型水库调度运行，避免上游淹没影响库区居民生产生活，提高电站发电量，具有显著的社会经济效益，为大型水库科学、精细和实时调度提供技术支撑。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，包括以下步骤：

步骤1，断面资料和水文资料收集：

收集断面数据与水文资料，主要包括库区详细的河道断面桩号、里程，以及对应断面详细的高程信息；还需收集的资料包括大型水库干支流的水文资料，主要包括流域内干支流各水文站、水位站长系列的实测水位和流量数据；其中，干流、支流的上游边界尽量选在有水文站位置，进而为一维水动力模型提供精准的入流边界条件；

步骤2：库区河道和节点编号：

将库区河网看作河道与节点的组成，根据是否连接外边界划分内、外节点和内、外河道，对库区内的河道和节点进行编号，根据水流流入和流出方向，形成河道和节点的拓扑关系，河道、节点编号不受环状和树状库区水系限制，编号时先对内节点和内河道编号，然后拓展到外节点和外河道，编号易扩展且便于模型计算；

步骤3：断面选取和断面概化：

针对已编号的外河道和内河道，每个单一河道需要划分若干个计算断面，具体根据实测断面资料来确定各河道各断面位置；大型水库库区河道的断面形态通常为主槽和滩地组成的复式断面或者U和W型断面，在计算过程中，将实测的不规则河道断面沿横断面方向概化为若干竖向梯形子断面，然后根据当前水位计算梯形子断面面积，通过累加求出断面的总面积；

步骤4：边界条件设置：

设置上游边界为干支流入口处给定水文站实测入流流量过程或预报流量过程；设置下游边界为坝址处分别给定水位过程或出库流量过程，并设计水位-流量转换边界；

步骤5：水动力模型构建：

采用Preissmann四点隐式差分格式离散圣维南方程，应用河道-节点法构建高效、精准和可靠的水动力数值模型；

步骤6：糙率系数优化：

根据水位不同，优化若干组库区河床的糙率系数，根据当前时刻各断面的水位值，选择库区当前时刻该断面的糙率系数；

步骤7：模型预报和调控：

在预报期起始时间点前采用实测坝址水位作为下游边界约束条件进行模拟计算，模拟至起报前一时刻并计算当前时刻库区沿程各断面的水位与流量，随后将下游边界约束条件转变为预报出库流量，模拟计算预报期内采用出库流量边界条件下的洪水演进过程；

步骤8：动库容演算；

确定水库回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，利用相邻断面过水面积均值乘断面间隔，计算出各个河段水量并进行累加得出库容总量及库容变化量，随后将出库流量转换为出库水量并叠加库容变化量得到入库水量，最终将入库水量转换为逐小时入库流量。

所述步骤2中库区河道和节点编号处理步骤如下：

步骤2.1：根据干支流的交汇特征，将库区水系分成若干单一河道及节点，每个河道皆由若干计算断面组成；

步骤2.2：结合水流运动方向，构建复杂库区河网各河段和交汇点的拓扑关系，使用一维数组对该拓扑关系信息进行存储，并通过标识码对拓扑关系进行关联。

所述步骤4中边界条件设置具体过程为：

步骤4.1：确定上下游边界条件，上游边界采用流量边界，下游边界根据不同需求采用水位边界、流量边界及水位-流量转换边界；

步骤4.2：获取初始条件，初始流量为初始时刻干流上游流量与支流流量累加，初始水位根据初始时刻干流水文测站的实测水位数据线性插值所得。

所述步骤5中圣维南方程为：

水流连续性方程：

动量守恒方程：

式中，t为时间；x为距离；z为水位；Q为横断面流量；B为断面的过水宽度；A为断面的过水面积；q为旁侧入流流量；g为重力加速度；K为流量模数；

采用Preissmann四点隐式差分格式，在空间和时间上离散圣维南方程可得：

a_1jΔz_j+1+b_1jΔQ_j+1+c_1jΔz_j+d_1jΔQ_j＝e_1j (3)

a_2jΔz_j+1+b_2jΔQ_j+1+c_2jΔz_j+d_2jΔQ_j＝e_2j (4)

式中，a_1j、b_1j、c_1j、d_1j、e_1j、a_2j、b_2j、c_2j、d_2j、e_2j为差分方程在河段断面j的系数；Δz_j、Δz_j+1分别为当前时刻第j、j+1断面的水位增量；ΔQ_j、ΔQ_j+1分别为当前时刻第j、j+1断面的流量增量；

对单一河道，形成如下计算方程：

ΔQ_j＝F_jΔz_j+G_j (5)

Δz_j＝H_jΔQ_j+1+I_jΔz_j+1+J_j (6)

针对单一河道，首先求解出各断面的系数H_j、I_j、J_j、F_j和G_j；

式中：F_j和G_j为方程(5)的追赶系数；H_j、I_j和J_j为方程(6)的追赶系数；

对每个河段的各个断面使用有限差分法离散圣维南方程，考虑内节点能量守恒和流量平衡连接条件，结合上游及下游边界条件形成内节点水位增量方程组，应用共轭梯度法或者迭代法求解该方程组得到内节点水位，耦合单一河道方程，然后通过已知内节点相邻断面水位代入方程(5)和(6)求出每个河道各个断面上当前时刻的流量和水位信息。

水动力模型计算还包括以下步骤：

步骤5.1，设置上游边界条件：

上游边界即干支流入口处给定水文站实测入流流量过程或预报流量过程。

边界方程：ΔQ_j＝F_jΔz_j+G_j；

上游给出流量变化过程：Q₁＝Q₁(t)，则F₁＝0，G₁＝ΔQ；

步骤5.2，设置下游边界条件：

由于水库大坝的拦蓄作用改变天然河道洪水演进过程，致使下游边界即坝址区域水位流量关系不明确，下游边界即坝址处分别给定水位过程或出库流量过程，并设计水位-流量转换边界；

下游边界采用水位-流量转换边界，需确定预报起始时间点T_s，当计算时刻T＜T_s时，下游边界采用水位边界z₁＝z₁(t)，则F₁＝10⁶，G₁＝-10⁶Δz；

z_T＝(T-T_p)*(z_p-z_b)/(T_b-T_p)+z_b (7)

Δz＝z_T-z₀ (8)

计算至T_s前一时刻及该时刻各断面Q、z，作为初始条件启动转换边界：

当T≥T_s时，原水位边界z₁＝z₁(t)转换为Q₁＝Q₁(t)，则F₁＝0，G₁＝ΔQ；

Q_T＝(T-T_p)*(Q_p-Q_b)/(T_b-T_p)+Q_b (9)

ΔQ＝Q_T-Q₀ (10)

式中，z_T为T时刻水位值；T_p为T时刻前第一个具有输入数据的时刻，z_p、Q_p为T_p时刻所对应的水位值、流量值；T_b为T时刻后第一个具有输入数据的时刻，z_b、Q_b为T_p时刻所对应的水位值、流量值；z₀、Q₀为T时刻前一计算步长时刻的水位值、流量值。

由于在丰水期和枯水期期间，大型库区的水位变动大，库区断面淹没范围广，因此根据各断面计算的水位在水动力模型中动态优化库区河床的糙率系数，提高水位和流量的预报精度。

步骤8中动库容演算过程为：

确定水库回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，然后计算各个河段水量，进行累加后得到库容总量，进而计算库容的变化量和入库流量。时刻入库流量计算步骤具体由下式所示：

Q_i＝(V^T+ΔT-V^T)/ΔT+Q_o (13)

式中，V_j为T时刻断面j、j+1之间的库容量，m³；A_j、A_j为T时刻断面j、j+1的过水面积，m²；L_j为T时刻断面j、j+1的间距，m；N为总的断面数；V_T、V_T+ΔT为T时刻、T+ΔT时刻水库库容总量，m³；Q_i为入库流量，m³/s；Q_o为出库流量，m³/s，ΔT取3600s。

本发明有如下有益效果：

1、本发明可以克服现有技术存在的不足，创造性地提出大型水库库区一维水动力模型的水位流量转换边界，在采用出库流量对水库进行调度时，能大幅降低对初始条件的高精度要求，有效减少累计误差的产生，提高大型水库库区水动力模拟精度，可以直接应用于指导大型水库调度运行，提高大型水库电站精细化调度水平，具有显著的社会经济效益，为大型水库科学、精细和实时调度提供技术支撑。

2、本发明中，由于在丰水期和枯水期期间，大型库区的水位变动大，库区断面淹没范围广，因此，根据各断面计算的水位在水动力模型中动态优化库区河床的糙率系数，提高水位和流量的预报精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法及系统流程图。

图2是河道节点拓扑关系示意图。

图3是三峡库区干支流河道断面及水文站点位置图。

图4是采用不同下边界条件下清溪场站模拟水位与实测值的对比。

图5是采用不同下边界条件下奉节站模拟水位与实测值的对比。

图6是预报结果与八段动库容计算入库流量的对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-6，基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法包括以下步骤：

步骤1，断面资料和水文资料收集：

由于库区流域范围内支流较多，不同支流河道规模、过水流量等相差较大，若将大小不一的所有支流作为单一河道构建水动力模型，会增加计算工作量，甚至无法满足计算机硬件及快速预报的要求，因此，对于河道短、径流量小的支流设置为虚拟断面，或与其他支流结合考虑。

收集断面数据与水文资料，主要包括库区详细的河道断面桩号、里程，以及对应断面详细的高程信息；还需收集的资料包括大型水库干支流的水文资料，主要包括流域内干支流各水文站、水位站长系列的实测水位和流量数据；其中，干流、支流的上游边界尽量选在有水文站位置，进而为一维水动力模型提供精准的入流边界条件；

步骤2：库区河道和节点编号：

将库区河网看作河道与节点的组成，根据是否连接外边界划分内、外节点和内、外河道，对库区内的河道和节点进行编号，根据水流流入和流出方向，形成河道和节点的拓扑关系，河道、节点编号不受环状和树状库区水系限制，编号时先对内节点和内河道编号，然后拓展到外节点和外河道，编号易扩展且便于模型计算；

所述步骤2中库区河道和节点编号处理步骤如下：

步骤2.1：根据干支流的交汇特征，将库区水系分成若干单一河道及节点，每个河道皆由若干计算断面组成；

步骤2.2：结合水流运动方向，构建复杂库区河网各河段和交汇点的拓扑关系，使用一维数组对该拓扑关系信息进行存储，并通过标识码对拓扑关系进行关联。

步骤3：断面选取和断面概化：

针对已编号的外河道和内河道，每个单一河道需要划分若干个计算断面，具体根据实测断面资料来确定各河道各断面位置；大型水库库区河道的断面形态通常为主槽和滩地组成的复式断面或者U和W型断面，在计算过程中，将实测的不规则河道断面沿横断面方向概化为若干竖向梯形子断面，然后根据当前水位计算梯形子断面面积，通过累加求出断面的总面积；该方法便于计算复杂河道断面的过水面积，并确保计算结果不失真。

步骤4：边界条件设置：

设置上游边界为干支流入口处给定水文站实测入流流量过程或预报流量过程；设置下游边界为坝址处分别给定水位过程或出库流量过程，并设计水位-流量转换边界；

所述步骤4中边界条件设置具体过程为：

步骤4.1：确定上下游边界条件，上游边界采用流量边界，下游边界根据不同需求采用水位边界、流量边界及水位-流量转换边界；

步骤4.2：获取初始条件，初始流量为初始时刻干流上游流量与支流流量累加，初始水位根据初始时刻干流水文测站的实测水位数据线性插值所得；

步骤5：水动力模型构建：

采用Preissmann四点隐式差分格式离散圣维南方程，应用河道-节点法构建高效、精准和可靠的水动力数值模型；

所述步骤5中圣维南方程为：

水流连续性方程：

动量守恒方程：

式中，t为时间；x为距离；z为水位；Q为横断面流量；B为断面的过水宽度；A为断面的过水面积；q为旁侧入流流量；g为重力加速度；K为流量模数；

采用Preissmann四点隐式差分格式，在空间和时间上离散圣维南方程可得：

a_1jΔz_j+1+b_1jΔQ_j+1+c_1jΔz_j+d_1jΔQ_j＝e_1j (3)

a_2jΔz_j+1+b_2jΔQ_j+1+c_2jΔz_j+d_2jΔQ_j＝e_2j (4)

式中，a_1j、b_1j、c_1j、d_1j、e_1j、a_2j、b_2j、c_2j、d_2j、e_2j为差分方程在河段断面j的系数；Δz_j、Δz_j+1分别为当前时刻第j、j+1断面的水位增量；ΔQ_j、ΔQ_j+1分别为当前时刻第j、j+1断面的流量增量；

对单一河道，形成如下计算方程：

ΔQ_j＝F_jΔz_j+G_j (5)

Δz_j＝H_jΔQ_j+1+I_jΔz_j+1+J_j (6)

针对单一河道，首先求解出各断面的系数H_j、I_j、J_j、F_j和G_j；

式中：F_j和G_j为方程(5)的追赶系数；H_j、I_j和J_j为方程(6)的追赶系数；

对每个河段的各个断面使用有限差分法离散圣维南方程，考虑内节点能量守恒和流量平衡连接条件，结合上游及下游边界条件形成内节点水位增量方程组，应用共轭梯度法或者迭代法求解该方程组得到内节点水位，耦合单一河道方程，然后通过已知内节点相邻断面水位代入方程(5)和(6)求出每个河道各个断面上当前时刻的流量和水位信息。

水动力模型计算还包括以下步骤：

步骤5.1，设置上游边界条件：

上游边界即干支流入口处给定水文站实测入流流量过程或预报流量过程。

边界方程：ΔQ_j＝F_jΔz_j+G_j；

上游给出流量变化过程：Q₁＝Q₁(t)，则F₁＝0，G₁＝ΔQ；

步骤5.2，设置下游边界条件：

由于水库大坝的拦蓄作用改变天然河道洪水演进过程，致使下游边界即坝址区域水位流量关系不明确，下游边界即坝址处分别给定水位过程或出库流量过程，并设计水位-流量转换边界；

下游边界采用水位-流量转换边界，需确定预报起始时间点T_s，当计算时刻T＜T_s时，下游边界采用水位边界z₁＝z₁(t)，则F₁＝10⁶，G₁＝-10⁶Δz；

z_T＝(T-T_p)*(z_p-z_b)/(T_b-T_p)+z_b (7)

Δz＝z_T-z₀ (8)

计算至T_s前一时刻及该时刻各断面Q、z，作为初始条件启动转换边界：

当T≥T_s时，原水位边界z₁＝z₁(t)转换为Q₁＝Q₁(t)，则F₁＝0，G₁＝ΔQ；

Q_T＝(T-T_p)*(Q_p-Q_b)/(T_b-T_p)+Q_b (9)

ΔQ＝Q_T-Q₀ (10)

式中，z_T为T时刻水位值；T_p为T时刻前第一个具有输入数据的时刻，z_p、Q_p为T_p时刻所对应的水位值、流量值；T_b为T时刻后第一个具有输入数据的时刻，z_b、Q_b为T_p时刻所对应的水位值、流量值；z₀、Q₀为T时刻前一计算步长时刻的水位值、流量值。

由于在丰水期和枯水期期间，大型库区的水位变动大，库区断面淹没范围广，因此根据各断面计算的水位在水动力模型中动态优化库区河床的糙率系数，提高水位和流量的预报精度。

步骤6：糙率系数优化：

根据水位不同，优化若干组库区河床的糙率系数，根据当前时刻各断面的水位值，选择库区当前时刻该断面的糙率系数；

步骤7：模型预报和调控：

在预报期起始时间点前采用实测坝址水位作为下游边界约束条件进行模拟计算，模拟至起报前一时刻并计算当前时刻库区沿程各断面的水位与流量，随后将下游边界约束条件转变为预报出库流量，模拟计算预报期内采用出库流量边界条件下的洪水演进过程；

步骤8：动库容演算；

确定水库回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，利用相邻断面过水面积均值乘断面间隔，计算出各个河段水量并进行累加得出库容总量及库容变化量，随后将出库流量转换为出库水量并叠加库容变化量得到入库水量，最终将入库水量转换为逐小时入库流量。

其中动库容演算过程为：

确定水库回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，然后计算各个河段水量，进行累加后得到库容总量，进而计算库容的变化量和入库流量。时刻入库流量计算步骤具体由下式所示：

Q_i＝(V^T+ΔT-V^T)/ΔT+Q_o (13)

式中，V_j为T时刻断面j、j+1之间的库容量，m³；A_j、A_j为T时刻断面j、j+1的过水面积，m²；L_j为T时刻断面j、j+1的间距，m；N为总的断面数；V_T、V_T+ΔT为T时刻、T+ΔT时刻水库库容总量，m³；Q_i为入库流量，m³/s；Q_o为出库流量，m³/s，ΔT取3600s。

实施例2：

将本发明中的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法及系统应用于三峡水库库区河网水情及动库容预报研究，计算过程可以分为8个部分。实施例的具体步骤如下：

步骤1：断面资料和水文资料收集。收集三峡库区干流、支流各断面资料，主要包括干流及支流河道各断面的里程、桩号，以及对应断面横截面的起点距及该点的高程数据；确定库区研究范围为三峡库区始于朱沱止于坝址约750km的长江干流，以及嘉陵江、乌江、綦江、小江等共二十条主要支流；选定某一年份如2021年8月份干支流上游水文站实测流量过程，坝址处实测水位及出库流量数据。

步骤2：库区河道和节点编号。内外河道、内外节点有布设原则，以一级支流汇入干流或二级支流汇入一级支流的交汇点作为内节点(即连接2条河道及以上的点)，支流上游边界及干流上下游边界作为外节点；内节点与内节点之间河道作为内河道，外节点与内节点之间河道作为外河道。如附图2所示，节点1、2、3为内节点，其他节点(4-9)为外节点，河道1、2为内河道，其他河道(3-8)为外河道。

步骤3：断面选取和断面概化。对于宽度较小的支流河道，断面间的距离可取河宽的10至30倍，而对于较宽的大型水库河道库区，相邻两个断面间的距离在1～3km间变化均可，如若条件不允许，库区河网内断面间距可不受上述条件约束。此外，天然河道的断面不规则，其形态特征需要进行概化处理，主要通过在横断面上划分若干竖向梯形进行逼近河道断面的真实形状。

步骤4：边界条件设置。初始流量：根据河道拓扑关系，各个河道初始流量为干流上游流量与支流流量累加；初始水位：各断面初始水位根据干流水文测站实测水位数据线性插值所得。上游边界采用流量数据，长江干流采用朱沱站实测流量过程，支流嘉陵江采用北碚站实测流量过程，支流乌江采用武隆站实测流量过程，其余十八条支流及区间入流采用预报流量过程，下游边界为坝址区域，根据实际需求可分别采用水位边界、流量边界以及水位-流量转换边界。

步骤5：水动力模型构建。针对三峡库区复杂河网系统，根据所收集资料构建了长江干流朱沱至坝址河段以及包括嘉陵江、乌江在内共二十条支流的三峡库区水动力模型，具体过程如下：采用Preissmann四点隐式差分格式离散圣维南方程，应用河道-节点法构建了高效、精准和可靠的水动力数值模型。针对三峡库区复杂河网系统，根据所收集资料构建了长江干流朱沱至坝址河段以及包括嘉陵江、乌江在内共二十条支流的三峡库区水动力模型(图3)。

步骤6：糙率系数优化。考虑到大型水库在丰水期和枯水期水位变化较大，会形成不同的消落带范围，因此，其河道断面的糙率系数也将发生变化。根据水位不同，率定若干组库区河床的糙率系数。在计算中，根据当前时刻各断面的水位值，不断优化库区当前时刻该断面的糙率系数，能够有效提高数值预报的精度。

步骤7：模型预报和调控技术。针对三峡库区2021年8月洪水过程，分别采用流量边界、水位流量转换边界作为模型下游边界对三峡库区水动力过程进行模拟与预报。结合三峡库区洪水预报及调度的需求，考虑稳定期为15～25天，预报期一般为3～7天。例如以8月1日至8月25日作为模拟稳定期，采用实测坝址水位作为下游边界条件，8月26日0时为预报起始时间点，8月26日至8月31日为预报期，采用预报出库流量作为下游边界条件。模拟预报结果如图4、图5、图6所示，当下游采用水位-流量转换边界条件时，无论是在稳定期还是在预报期，模型模拟的水位较下游采用流量边界条件的结果有较大提升，同时解决了库区下游采用流量边界进行模拟时对初始条件要求极为苛刻的问题。

步骤8：动库容演算。采用模型计算入库流量具体步骤如下，首先确定回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，利用相邻断面过水面积均值乘断面间隔，计算出各个河段水量并进行累加得出库容总量及库容变化量，随后将出库流量转换为出库水量并叠加库容变化量得到入库水量，最终将入库水量转换为逐小时入库流量。

Claims (7)

1.基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，断面资料和水文资料收集：

收集断面数据与水文资料，主要包括库区详细的河道断面桩号、里程，以及对应断面详细的高程信息；还需收集的资料包括大型水库干支流的水文资料，主要包括流域内干支流各水文站、水位站长系列的实测水位和流量数据；其中，干流、支流的上游边界尽量选在有水文站位置，进而为一维水动力模型提供精准的入流边界条件；

步骤2：库区河道和节点编号：

将库区河网看作河道与节点的组成，根据是否连接外边界划分内、外节点和内、外河道，对库区内的河道和节点进行编号，根据水流流入和流出方向，形成河道和节点的拓扑关系，河道、节点编号不受环状和树状库区水系限制，编号时先对内节点和内河道编号，然后拓展到外节点和外河道，编号易扩展且便于模型计算；

步骤3：断面选取和断面概化：

针对已编号的外河道和内河道，每个单一河道需要划分若干个计算断面，具体根据实测断面资料来确定各河道各断面位置；大型水库库区河道的断面形态通常为主槽和滩地组成的复式断面或者U和W型断面，在计算过程中，将实测的不规则河道断面沿横断面方向概化为若干竖向梯形子断面，然后根据当前水位计算梯形子断面面积，通过累加求出断面的总面积；

步骤4：边界条件设置：

设置上游边界为干支流入口处给定水文站实测入流流量过程或预报流量过程；设置下游边界为坝址处分别给定水位过程或出库流量过程，并设计水位-流量转换边界；

步骤5：水动力模型构建：

采用Preissmann四点隐式差分格式离散圣维南方程，应用河道-节点法构建高效、精准和可靠的水动力数值模型；

步骤6：糙率系数优化：

根据水位不同，优化若干组库区河床的糙率系数，根据当前时刻各断面的水位值，选择库区当前时刻该断面的糙率系数；

步骤7：模型预报和调控：

在预报期起始时间点前采用实测坝址水位作为下游边界约束条件进行模拟计算，模拟至起报前一时刻并计算当前时刻库区沿程各断面的水位与流量，随后将下游边界约束条件转变为预报出库流量，模拟计算预报期内采用出库流量边界条件下的洪水演进过程；

步骤8：动库容演算；

确定水库回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，利用相邻断面过水面积均值乘断面间隔，计算出各个河段水量并进行累加得出库容总量及库容变化量，随后将出库流量转换为出库水量并叠加库容变化量得到入库水量，最终将入库水量转换为逐小时入库流量。

2.根据权利要求1所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，所述步骤2中库区河道和节点编号处理步骤如下：

步骤2.1：根据干支流的交汇特征，将库区水系分成若干单一河道及节点，每个河道皆由若干计算断面组成；

步骤2.2：结合水流运动方向，构建复杂库区河网各河段和交汇点的拓扑关系，使用一维数组对该拓扑关系信息进行存储，并通过标识码对拓扑关系进行关联。

3.根据权利要求1所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，所述步骤4中边界条件设置具体过程为：

步骤4.1：确定上下游边界条件，上游边界采用流量边界，下游边界根据不同需求采用水位边界、流量边界及水位-流量转换边界；

步骤4.2：获取初始条件，初始流量为初始时刻干流上游流量与支流流量累加，初始水位根据初始时刻干流水文测站的实测水位数据线性插值所得。

4.根据权利要求1所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，所述步骤5中圣维南方程为：

水流连续性方程：

动量守恒方程：

式中，t为时间；x为距离；z为水位；Q为横断面流量；B为断面的过水宽度；A为断面的过水面积；q为旁侧入流流量；g为重力加速度；K为流量模数；

采用Preissmann四点隐式差分格式，在空间和时间上离散圣维南方程可得：

a_1jΔz_j+1+b_1jΔQ_j+1+c_1jΔz_j+d_1jΔQ_j＝e_1j (3)

a_2jΔz_j+1+b_2jΔQ_j+1+c_2jΔz_j+d_2jΔQ_j＝e_2j (4)

式中，a_1j、b_1j、c_1j、d_1j、e_1j、a_2j、b_2j、c_2j、d_2j、e_2j为差分方程在河段断面j的系数；Δz_j、Δz_j+1分别为当前时刻第j、j+1断面的水位增量；ΔQ_j、ΔQ_j+1分别为当前时刻第j、j+1断面的流量增量；

对单一河道，形成如下计算方程：

ΔQ_j＝F_jΔz_j+G_j (5)

Δz_j＝H_jΔQ_j+1+I_jΔz_j+1+J_j (6)

针对单一河道，首先求解出各断面的系数H_j、I_j、J_j、F_j和G_j；

式中：F_j和G_j为方程(5)的追赶系数；H_j、I_j和J_j为方程(6)的追赶系数；

对每个河段的各个断面使用有限差分法离散圣维南方程，考虑内节点能量守恒和流量平衡连接条件，结合上游及下游边界条件形成内节点水位增量方程组，应用共轭梯度法或者迭代法求解该方程组得到内节点水位，耦合单一河道方程，然后通过已知内节点相邻断面水位代入方程(5)和(6)求出每个河道各个断面上当前时刻的流量和水位信息。

5.根据权利要求4所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，水动力模型计算还包括以下步骤：

步骤5.1，设置上游边界条件：

上游边界即干支流入口处给定水文站实测入流流量过程或预报流量过程。

边界方程：ΔQ_j＝F_jΔz_j+G_j；

上游给出流量变化过程：Q₁＝Q₁(t)，则F₁＝0，G₁＝ΔQ；

步骤5.2，设置下游边界条件：

由于水库大坝的拦蓄作用改变天然河道洪水演进过程，致使下游边界即坝址区域水位流量关系不明确，下游边界即坝址处分别给定水位过程或出库流量过程，并设计水位-流量转换边界；

下游边界采用水位-流量转换边界，需确定预报起始时间点T_s，当计算时刻T＜T_s时，下游边界采用水位边界z₁＝z₁(t)，则F₁＝10⁶，G₁＝-10⁶Δz；

z_T＝(T-T_p)*(z_p-z_b)/(T_b-T_p)+z_b (7)

Δz＝z_T-z₀ (8)

计算至T_s前一时刻及该时刻各断面Q、z，作为初始条件启动转换边界：

当T≥T_s时，原水位边界z₁＝z₁(t)转换为Q₁＝Q₁(t)，则F₁＝0，G₁＝ΔQ；

Q_T＝(T-T_p)*(Q_p-Q_b)/(T_b-T_p)+Q_b (9)

ΔQ＝Q_T-Q₀ (10)

式中，z_T为T时刻水位值；T_p为T时刻前第一个具有输入数据的时刻，z_p、Q_p为T_p时刻所对应的水位值、流量值；T_b为T时刻后第一个具有输入数据的时刻，z_b、Q_b为T_p时刻所对应的水位值、流量值；z₀、Q₀为T时刻前一计算步长时刻的水位值、流量值。

6.根据权利要求1所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，由于在丰水期和枯水期期间，大型库区的水位变动大，库区断面淹没范围广，因此根据各断面计算的水位在水动力模型中动态优化库区河床的糙率系数，提高水位和流量的预报精度。

7.根据权利要求5所述的基于水位流量转换边界的大型水库动库容计算方法，其特征在于，步骤8中动库容演算过程为：

确定水库回水末端，根据模拟水位计算各断面的过水面积，然后计算各个河段水量，进行累加后得到库容总量，进而计算库容的变化量和入库流量；时刻入库流量计算步骤具体由下式所示：

Q_i＝(V^T+ΔT-V^T)/ΔT+Q_o (13)

式中，V_j为T时刻断面j、j+1之间的库容量，m³；A_j、A_j为T时刻断面j、j+1的过水面积，m²；L_j为T时刻断面j、j+1的间距，m；N为总的断面数；

V_T、V_T+ΔT为T时刻、T+ΔT时刻水库库容总量，m³；Q_i为入库流量，m³/s；

Q_o为出库流量，m³/s，ΔT取3600s。