CN117313393A - 基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法 - Google Patents

基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法，包括建立数学模型计算口门节制闸外江侧的水位过程；利用水位计获取引水过程、排水过程的内河水位过程。针对引、排水情形，分别利用堰流公式计算月内引、排水流量过程，与实测流量对比获得流量偏差；设置系列的引、排水补偿水头差修正内河侧水位，利用堰流公式计算月内引、排水流量过程，统计流量偏差值均方根，建立流量偏差值均方根与引、排水补偿水头差的相关关系，确定适宜的引、排水补偿水头差，得到适宜的引、排水流量堰流公式。本发明的方法可实现感潮河段口门流量精准计算。

Description

基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法
技术领域
本发明涉及平原网河区域水资源水环境调控领域，为感潮河段支流口门利用自然潮差开展引排水调度提供一种流量精准计算方法。
背景技术
感潮河段受径流和潮流的共同影响，具有明显潮差，支流口门多建有节制闸，利用自然潮差进行河网区域的引排水调控。涨潮情形下，内河水位低于外江水位时引水，落潮情形下，内河水位高于外江水位时排水，其中内河外江水头差是控制引排流量的关键性因素。外江侧水位受潮汐控制，内河侧水位需要通过监测获得，由于内河侧引排水时尤其是引水时内河水位上升过快，流态紊乱，内河水位难以精准监测，从而引排流量难以精准计算和控制，影响工程安全及引排效益的充分发挥。如何精准计算感潮河段口门引排流量过程，是目前工程引排调度面临的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
包括如下步骤：
一种基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法，包括：
建立感潮河段二维径潮流水动力数学模型，计算口门节制闸外江侧的水位过程H1；
利用水位计获取引水过程、排水过程的内河水位过程H2；
基于获取的外江侧、内河水位过程，利用堰流公式分别计算T日内引水流量过程、排水流量过程，并分别计算日最大引水流量、日最大排水流量与对应实测流量的日流量偏差及T日内平均流量偏差；
基于平均流量偏差的正负值，确定补偿水头差的范围为0～(H1-H2)或0～-(H1-H2)，并在范围内设置对应的系列补偿水头差，利用修正堰流公式计算不同补偿水头差下的修正流量过程，计算修正日最大流量与对应实测流量的日流量偏差，并计算T日内日流量偏差的方差；
对引水和排水流量过程分别建立各补偿水头差与对应方差的相关关系，以方差最小为原则确定最适宜的补偿水头差，修正堰流公式。
作为一种优选的实施方式，基于三角形及四边形混合无结构网格方法，构建感潮河段二维径潮流水动力数学模型，模型范围涵盖三个以上水文站点，首水文站点提供模型进口边界条件，末水文站点提供模型出口边界条件，中间水文站点提供模型的验证数据；模型完成验证后，选择节制闸引水/排水工况时段，利用该模型计算口门节制闸外江侧的引水/排水工况时期水位过程。
作为一种优选的实施方式，模型范围口门以上长度不小于3倍河宽，口门以下长度不小于2倍河宽，从而保证模拟区域水流不受进出口边界的影响。
作为一种优选的实施方式，模型求解时，对流项采用Roe格式的近似Riemann解离散，底坡源项采用迎风特征分解离散，其它源项采用半隐式离散，并利用空间重构和两步Runge-Kutta法，得到时空均为二阶精度的离散方程，从而求解。该求解方式可以实现模型整体稳定高效求解。
作为一种优选的实施方式，所述水位计安装于节制闸内河侧，水位计位置远离不良流态区。
作为一种优选的实施方式，所述日流量偏差采用日最大流量偏差值表征。
作为一种优选的实施方式，平均流量偏差＞0时，确定补偿水头差的范围为0～(H1-H2)；平均流量偏差＜0时，确定补偿水头差的范围为0～-(H1-H2)。
作为一种优选的实施方式，设置的系列补偿水头差中，各补偿水头差的差值为0.01m，保证补偿水头差的精度。
作为一种优选的实施方式，利用修正堰流公式计算修正流量过程；其中ε是侧收缩系数、δ是淹没系数、q是流量系数、x是闸门开孔数、b是堰顶过水净宽，g是重力加速度，ΔH是所述补偿水头差。
作为一种优选的实施方式，基于引水和排水流量过程各补偿水头差与对应方差建立相关关系曲线，查找曲线上方差最小值，以方差最小值对应的补偿水头差作为对应引水/排水流量过程的最适宜的补偿水头差。
本发明针对感潮河段利用涨落潮自行引排水过程中流态复杂，从而导致感潮口门引排流量过程难以精准计算的难题，提出了修正堰流计算公式，实现感潮河段口门流量精准计算。
附图说明
图1是模型网格布置图。
图2是杨林塘内河水位测点及水文站的位置。
图3是计算日最大引水流量及实测日最大引水流量。
图4是补偿水头差ΔH与流量差值均方根S的关系曲线。
图5是修正后计算日最大引水流量及实测日最大引水流量。
图6是计算日最大排水流量及实测日最大排水流量。
图7是补偿水头差ΔH(取绝对值)与流量差值均方根S的关系曲线。
图8是修正后计算日最大排水流量及实测日最大排水流量。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本发明所述基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量的计算方法，具体包括如下步骤：
(1)外江侧水位计算
基于三角形和四边形的混合无结构网格方法，构建感潮河段二维径潮流水动力数学模型。网格最小尺度为m量级，模型范围口门以上长度不小于3倍河宽，口门以下长度不小于2倍河宽。采用非结构网格系统有限体积求解方法如下：
积分控制方程应用格林公式把面积分转变为线积分，可得到空间离散方程为
式中，F＝(E,H)，ΔVi为单元i的面积，为单元的边界，/>为源项的单元积分值，n＝(nx,ny)为单元边界的外法线方向。
对流项采用Roe格式的近似Riemann解离散，底坡源项采用迎风特征分解离散，其它源项采用半隐式离散，得到最后的空间离散方程为，
采用MP法则，利用空间重构和两步Runge-Kutta法，可以得到时空均为二阶精度的离散方程，
式中，G为变量在单元内的分布梯度；为中间变量，W(…)为空间离散后的右端项。
模型涵盖三个以上水文站点，首水文站点提供模型进口流量边界条件，末水文站提供模型出口水位边界条件，中间水文站点提供模型的水位及流量验证数据。模型完成验证后，选择节制闸整月全部引水月及整月全部排水月作为计算工况，利用该模型计算口门节制闸外江侧的水位过程H1。
(2)引水流量计算
针对引水情形，在节制闸内河侧安装水位计，水位计的位置尽可能选在远离不良流态区，水位计可实时记录引水过程的内河水位过程H2。引排水过程中，同步记录节制闸调控方式数据，包括闸门开启数目、闸门开启和关闭时间、闸门开启高度等。根据数学模型计算的外江测水位H1、水位计监测的H2、闸门调度方式，利用堰流公式计算引水月引水流量过程，其中q是流量系数、ε是侧收缩系数、δ是淹没系数、x是闸门开孔数、b是堰顶过水净宽。将计算日最大引水流量和水文站实测日最大引水流量对比，获得日最大流量偏差值ΔQi及月内平均值/>其中n为引水月的引水天数，i取值为1至n。
(3)引水补偿水头差计算
根据日最大流量偏差月内平均值的正负，确定系列补偿水头差。当时，设置系列补偿水头差ΔH，各补偿水头差差值为0.01m，取值为0～H1-H2；当/>时，设置系列补偿水头差ΔH，各补偿水头差差值为0.01m，取值为0～-(H1-H2)。根据外江侧计算水位、内河侧监测水位、闸门的调控方式，利用堰流公式/>计算引水修正日最大流量，与实测值对比，获得日最大流量偏差值ΔQi。定义日最大流量方差计算各补偿水头差ΔH下的日最大流量方差S，建立S与ΔH的相关关系，确定S取得最小值时的ΔH为适宜的ΔH引，从而确定适宜的引水流量计算公式
(4)排水流量计算
针对排水情形，在节制闸内河侧安装水位计，水位计的位置尽可能选在远离不良流态区，水位计可实时记录引水过程的内河水位过程H2。引排水过程中，同步记录节制闸调控方式数据，包括闸门开启数目、闸门开启和关闭时间、闸门开启高度等。根据数学模型计算的外江测水位H1、水位计监测的H2、闸门调度方式，利用堰流公式计算排水月排水流量过程，其中q是流量系数、ε是侧收缩系数、δ是淹没系数、x是闸门开孔数、b是堰顶过水净宽。将计算日最大排水流量和水文站实测日最大排水流量对比，获得日最大流量偏差值ΔQi及月内平均值/>其中m为排水月的排水天数，i取值为1至m。
(5)排水补偿水头差计算
根据日最大流量偏差值月内平均值的正负，确定系列补偿水头差。当时，设置系列补偿水头差ΔH，各补偿水头差差值为0.01m，取值为0～H1-H2；当/>时，设置系列补偿水头差ΔH，各补偿水头差差值为0.01m，取值为0～-(H1-H2)。根据外江侧计算水位、内河侧监测水位、闸门的调控方式，利用堰流公式/>计算排水修正日最大流量，与实测值对比，获得日最大流量偏差值ΔQi。定义日最大流量方差计算各补偿水头差ΔH下的日最大流量方差S，建立S与ΔH的相关关系，确定S取得最小值时的ΔH为适宜的ΔH排，从而确定适宜的排水流量计算公式
实施例2
本实施例以江苏省苏州市太仓区域杨林塘口门枢纽引排调度为例，结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
(1)杨林塘口门背景及调度工程布局
长江下游为典型的感潮河段，从仪征闸至浏河闸沿线存在多个沿江支流口门以及多个感潮枢纽工程，其水位受潮汐控制波动较大，本文以杨林塘口门为例，进行感潮河段口门引排过程中补偿水头差的流量计算。
杨林塘枢纽包括船闸和节制闸两部分，船闸按三级通航建筑物标准设计，枢纽距离入江口1800m，长江侧设计最高、最低通航水位为4.34m、-0.95m，内河侧最高、最低通航水位为1.68m、0.68m。杨林塘船闸闸室净宽23.0m，长230m；节制闸位于船闸南侧，中心线与杨林船闸中心线平行，相距90m。节制闸与船闸下闸首平齐，分三孔，两边孔净宽10m，中间孔16m。节制闸排涝流量为313m3/s，引水流量为383m3/s，自通航以来，节制闸均保持高强度高效率运行，利用涨落潮差引排水，年均引排水约200潮次，发挥着通航、防洪排涝、调节水环境综合效益。
(2)外江潮位计算
首先需要计算杨林塘节制闸口门处的潮汐水位。如图1建立水动力模型，模型上边界至江苏仪征下游，该处常年位于潮流界上游，水流方向单一；长江口外-50m等深线处受径流影响可忽略不计，作为模型外边界，模型总长600多km。杨林口门所在处，长江宽度10公里，距离上游边界直线距离70km，距离下游边界处直线距离80km，满足上游进口长度大于3倍河宽，下游出口长度大于2倍河宽。模型涵盖了天生港、徐六泾、七丫口、吴淞、高桥、崇明等水文站点，动边界水深0.02m，糙率约为0.013。
数学模型上游边界采用天生港站流量控制，下游边界采用崇明站、高桥站潮位控制，采用徐六泾、七丫口、吴淞等站点潮位进行验证。利用该模型可计算获得杨林闸外江侧的水位。
如图2所示，杨林塘内河水位测点在闸门外30米，水文站在节制闸内侧200m左右。内河水位测点分别记录了引排过程中内河瞬时水位；水文站则记录内河侧瞬时水位、引排水量及引排过程中最大流量。
(3)引水流量计算
根据节制闸实际引排调度过程初步计算引水流量。根据数学模型可知外江侧水位H1，根据内河侧水位测点可知内河水位H2，根据调度记录可知闸门开启高度、闸门开孔数及引水运行时间。选择杨林塘2021年1月水位数据，根据流量公式(此时H1为外江水位，H2为内河水位)进行计算，计算结果如图3及下表1所示。计算出的最大流量低于实测最大流量1/3左右，/>需要增加上下游水位差进行计算补偿。
表1引水过程实测最大流量、计算最大流量及两者差值
(4)引水补偿水头差
当时，设置以0.05m为增值的系列补偿水头差，根据流量公式 (此时H1为外江水位，H2为内河水位，ΔH＝0.05、0.1、0.15···)进行计算，获得增加补偿水位差后的最大流量与实测流量之前的差值的均方根，进一步建立均方根与补偿水头的关系曲线，如表2和图4。可见，引水过程中当补偿水头差设在0.27m左右时，均方根最小，此时流量差值最小，计算引水最大流量最接近实测引水最大流量，从而提出感潮河段引水流量计算公式/>(此时H1为外江水位，H2为内河水位)。利用修正的感潮河段引水流量计算公式重新计算引水流量，其结果与实测引水流量吻合，如图5所示。
表2补偿水头差ΔH与流量差值均方根S关系表
ΔH(m) S ΔH(m) S
0.05 34.32 0.3 24.10
0.1 31.45 0.35 25.79
0.15 27.84 0.4 27.81
0.2 26.38 0.45 30.51
0.25 24.14 0.5 32.78
(5)排水流量计算
根据节制闸实际引排调度过程初步计算排水流量。根据数学模型可知外江侧水位H1，根据内河侧水位测点可知内河水位H2，根据调度记录可知闸门开启高度、闸门开孔数及排水运行时间。选择杨林塘2020年7月水位数据，根据流量公式(此时H1为外江水位，H2为内河水位)进行计算，计算结果如图6及下表3所示。计算出的最大流量高于实测最大流量1/3左右，/>需要减小上下游水位差进行计算补偿。
表3排水过程实测最大流量、计算最大流量及两者差值
(6)排水补偿水头差
当时，设置-0.01m的固定补偿水头差，根据流量公式 (此时H1为外江水位，H2为内河水位，ΔH＝-0.01、-0.02、-0.03···)进行计算，获得减小补偿水位差后的最大流量与实测最大流量之间的差值的均方根，进一步建立均方根与补偿水头差之间的关系曲线，如表4、图7所示。排水过程中当补偿水头差设在-0.05m左右时，均方根最小，此时流量差值最小，计算引水最大流量最接近实测排水最大流量，从而提出感潮河段排水流量计算公式(此时H1为外江水位，H2为内河水位)。利用修正的感潮河段排水流量计算公式重新计算排水流量，其结果与实测排水流量吻合，如图8所示。
表4补偿水头差ΔH(取绝对值)与流量差值均方根S关系表
ΔH(m) S ΔH(m) S
0.01 62.22 0.06 66.03
0.02 60.94 0.07 64.49
0.03 61.04 0.08 64.11
0.04 61.51 0.09 63.33
0.05 56.65 0.1 64.19

Claims (10)

1.一种基于补偿水头差的感潮河段口门引排流量过程的计算方法，其特征在于，包括：
建立感潮河段二维径潮流水动力数学模型，计算口门节制闸外江侧的水位过程H1；
利用水位计获取引水过程、排水过程的内河水位过程H2；
基于获取的外江侧、内河水位过程，利用堰流公式分别计算T日内引水流量过程、排水流量过程，并分别计算日最大引水流量、日最大排水流量与对应实测流量的日流量偏差及T日内平均流量偏差；
基于平均流量偏差的正负值，确定补偿水头差的范围为0～(H1-H2)或0～-(H1-H2)，并在范围内设置对应的系列补偿水头差，利用修正堰流公式计算不同补偿水头差下的修正流量过程，计算修正日最大流量与对应实测流量的日流量偏差，并计算T日内日流量偏差的方差；
对引水和排水流量过程分别建立各补偿水头差与对应方差的相关关系，以方差最小为原则确定最适宜的补偿水头差，修正堰流公式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于三角形及四边形混合无结构网格方法，构建感潮河段二维径潮流水动力数学模型，模型范围涵盖三个以上水文站点，首水文站点提供模型进口边界条件，末水文站点提供模型出口边界条件，中间水文站点提供模型的验证数据；模型完成验证后，选择节制闸引水/排水工况时段，利用该模型计算口门节制闸外江侧的引水/排水工况时期水位过程。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，模型范围口门以上长度不小于3倍河宽，口门以下长度不小于2倍河宽。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模型求解时，对流项采用Roe格式的近似Riemann解离散，底坡源项采用迎风特征分解离散，其它源项采用半隐式离散，并利用空间重构和两步Runge-Kutta法，得到时空均为二阶精度的离散方程，从而求解。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水位计安装于节制闸内河侧，水位计位置远离不良流态区。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述日流量偏差采用日最大流量偏差值表征。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，平均流量偏差＞0时，确定补偿水头差的范围为0～(H1-H2)；平均流量偏差＜0时，确定补偿水头差的范围为0～-(H1-H2)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置的系列补偿水头差中，各补偿水头差的差值为0.01m。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用修正堰流公式 计算修正流量过程；其中ε是侧收缩系数、δ是淹没系数、q是流量系数、x是闸门开孔数、b是堰顶过水净宽，g是重力加速度，ΔH是所述补偿水头差。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于引水和排水流量过程各补偿水头差与对应方差建立相关关系曲线，查找曲线上方差最小值，以方差最小值对应的补偿水头差作为对应引水/排水流量过程的最适宜的补偿水头差。
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