CN117556184A - 多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法、系统及介质 - Google Patents

多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法、系统及介质，包括以下步骤：步骤1.收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料；步骤2.建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系；步骤3.还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量；步骤4.还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量。本申请贴合评估水库蓄水调蓄拦沙对坝下游河道水沙条件影响程度的实际情况，基于水库固定断面和干容重等观测资料，计算水库对应序列的实际拦沙量，结合天然状态下的水沙相关关系，校核还原的河道输沙量，对多沙区域水库的排沙优化调度和减轻坝下游河道河床冲刷等提供较好的支撑作用。

Description

多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法、系统及介质
技术领域
本申请涉及水力学和水库调度等技术开发领域，特别涉及一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法、系统及介质。
背景技术
近30余年，为充分开发利用水能资源，我国各大流域先后开发建设了大量控制性水库枢纽工程，形成了规模巨大的清洁能源基地，工程蓄水运行后，改变和调节下游河道的径流过程，同时拦截泥沙等随水流输移的物质。尤其是对于多沙区域，泥沙被拦截后，工程下游的河道水流呈现次饱和状态，为了消耗水流的能量，必然从河床冲起泥沙并挟带输移，导致河床发生冲刷，进而对河流的防洪、取用水、航运等功能造成影响。此外，泥沙也是一些与水生态环境有关的理化因子的输移载体，其物质通量的改变也可能影响流域水环境、水生态。进入河道的水流含沙量大幅下降后，水流不断从河床冲起泥沙，中下游河道河床冲刷明显，引发枯水位下降、河岸崩塌等问题，对河道取用水、通航和防洪安全造成不利影响。
为减轻水库泥沙淤积和坝下游河床冲刷，保障水库有效库容与综合效益，有必要在已有观测资料的基础上，对水库下游水文控制站的输沙量进行还原计算，进而实现水库拦沙量的准确计算，从而量化评估水库蓄水拦沙对下游河道水沙输移及河床冲刷的影响，为水库泥沙优化调度及坝下游河道的治理与保护提供技术支撑。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法、系统及介质，可支撑多沙区域水库的排沙优化调度，也可应用于评估坝下游河道河床冲刷强度、范围等，为河道保护与治理规划提供基础依据。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，包括以下步骤：
步骤1. 收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料；
步骤2. 建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系；
步骤3. 还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量；
步骤4. 还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量。
所述步骤1的实现方式如下，
步骤11. 收集水库所在区域内天然状态下和成库后，入流干支流和坝址下游河道控制性水文站的日均流量、年径流量、年输沙量实测数据；
步骤12. 收集水库蓄水后10年水文序列的库区固定断面和床沙干容重观测资料。
所述步骤2的实现方式如下，
步骤21. 基于入、出流控制性水文站年径流量和输沙量的差值，计算天然状态下，水库库区范围内未控集水区间的年径流量与年输沙量，区间年径流量的计算式为：，年输沙量的计算式为/>，式中，/>和/>分别为区间的年径流量和输沙量，/>、/>分别为坝下游河道干流年径流量和年输沙量，/>、/>分别为水库入流干流河道的年径流量和年输沙量，/>、/>分别为水库入流某一支流的年径流量和年输沙量，年径流量的单位为亿m3，年输沙量的单位为万吨；
步骤22. 分阶段建立天然状态下的未控集水区间年径流量与年输沙量/>的相关关系，绘制相关关系曲线，分析其变化规律，选择水库蓄水前的相邻时段作为还原计算区间输沙量的参照对象。
所述步骤3的实现方式如下，
步骤31. 选取水库蓄水后的10年水沙序列作为泥沙还原对象，基于水量平衡的原理对水库下游河道的径流过程进行还原计算，得到无水库调蓄作用的天然径流过程；
步骤32. 计算还原后的坝下游河道逐年年径流量，与入库径流量求差值，得到还原后的逐年水库区域未控集水区间的径流量；
步骤33. 基于步骤22建立的未控集水区间径流量与输沙量的相关关系，依据步骤32所得的未控集水区间逐年年径流量，计算对应系列逐年区间来沙量。
所述步骤4的实现方式如下，
步骤41. 根据10年序列水库上游干流及主要支流控制站的输沙量和步骤33计算所得的库区未控集水区间的输沙量，进行沙量求和，即可得到还原后的水库下游河道输沙量；
步骤42. 采用水库蓄水后10年的固定断面观测资料，采用断面法计算水库的实际淤积量，结合淤积物干容重观测资料，计算水库的实际拦沙量；
步骤43. 采用步骤41得到的水库下游河道还原沙量，结合受水库蓄水影响的实际输沙量，基于输沙法得到水库的泥沙淤积量，并与步骤42得到的水库拦沙量进行对比，若两者相差幅度/>在20%以内，则表明还原得到水库下游10年输沙总量较为合理；
步骤44. 采用水库下游河道天然状态下的10年序列水沙观测资料，建立其径流量-输沙量相关关系，点绘还原得到的水库运行后10年径流量-输沙量相关关系，若两者分布规律一致，则表明还原得到的逐年输沙量较为合理。
所述水库下游径流还原计算的基本方程为：
(1)
式中，为时段水库平均入流；/>为时段水库平均出流；/>为时段水库平均引入或引出的流量；/>为/>时段内水库的蓄水量变化值；/>为/>时段内水库的损失水量；/>为时段长，
从多年平均角度，可简化计算式(1)，即不考虑水库的损失水量，因此，水库的蓄水量变化值可按下式求解：
(2)
式中，、/>则分别为/>时段初和时段末对应水位的水库库容，
记为水库平均蓄水流量，则有：
(3)
当不考虑水库的引水流量时，为正则表示水库进行蓄水或拦截洪水，/>为负则表示水库在利用调节库容加大下泄流量。
第二方面，本申请实施例提供一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原系统，包括，
资料收集模块，用以收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料；
相关关系建立模块，用以建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系；
来沙量计算模块，还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量；
输沙量计算模块，还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量。
第三方面，本申请实施例提供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程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本方法主要依托实测资料开展，基于水库入出库控制站的流量、水位与年输沙量等常规观测数据的计算，在径流还原的基础上，拓展为泥沙的还原计算。通过选取典型的水文周期序列，分析天然状态下水库区域未控集水区间的水沙输移相关关系，结合不考虑水库建设的径流过程还原计算，计算水库蓄水后典型水文周期序列的未控集水区间来沙量，按照入流干支流控制站输沙量与未控集水区间沙量求和，进而可以还原得到无水库调蓄拦截作用的坝下游河道输沙量，基于水库固定断面和干容重等观测资料，计算水库对应序列的实际拦沙量，结合天然状态下的水沙相关关系，校核还原的河道输沙量。计算数据依据充分，方法机理明确，实施过程清楚，技术手段可行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法计算流程图；
图2为1971-2002年某水库未控集水区间年径流量与年输沙量相关关系图；
图3为2012年坝下游水文站径流过程还原与实测对比图；
图4为2003-2012年还原与实测序列、1991-2002年径流量-输沙量相关关系对比图；
图5为某水库库区沿程实测河床淤积物干容重及其变化图；
图6为2003-2012年坝下游水文站年输沙量还原值与实测值的对比图；
图7为本申请实施例的系统框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
请参阅附图1，本发明揭示了一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，它包括以下步骤：
步骤1，收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料，实现方式如下，
步骤11. 收集水库所在区域内天然状态下和成库后，入流干支流和坝址下游河道控制性水文站的日均流量、年径流量、年输沙量实测数据；
步骤12. 收集水库蓄水后10年水文序列的库区固定断面和床沙干容重观测资料。
步骤2，建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系，实现方式如下，
步骤21. 基于入、出流控制性水文站年径流量和输沙量的差值，计算天然状态下，水库库区范围内未控集水区间的年径流量与年输沙量，区间年径流量的计算式为：，年输沙量的计算式为/>，式中，/>和/>分别为区间的年径流量和输沙量，/>、/>分别为坝下游河道干流年径流量和年输沙量，/>、/>分别为水库入流干流河道的年径流量和年输沙量，/>、/>分别为水库入流某一支流的年径流量和年输沙量，年径流量的单位为亿m3，年输沙量的单位为万吨；
步骤22. 分阶段建立天然状态下的未控集水区间年径流量与年输沙量/>的相关关系，绘制相关关系曲线，分析其变化规律，选择水库蓄水前的相邻时段作为还原计算区间输沙量的参照对象。
步骤3，还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量，实现方式如下，
步骤31. 选取水库蓄水后的10年水沙序列作为泥沙还原对象，基于水量平衡的原理对水库下游河道的径流过程进行还原计算，得到无水库调蓄作用的天然径流过程；
步骤32. 计算还原后的坝下游河道逐年径流量，与入库径流量求差值，得到还原后的逐年水库区域未控集水区间的径流量；
步骤33. 基于步骤22建立的未控集水区间径流量与输沙量的相关关系，依据步骤32所得的未控集水区间逐年年径流量，计算对应系列逐年区间来沙量。
步骤4，还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量，实现方式如下，
步骤41. 根据10年序列水库上游干流及主要支流控制站的输沙量和步骤33计算所得的库区未控集水区间的输沙量，进行沙量求和，即可得到还原后的水库下游河道输沙量；
步骤42. 采用水库蓄水后10年的固定断面观测资料，采用断面法计算水库的实际淤积量，结合淤积物干容重观测资料，计算水库的实际拦沙量；
步骤43. 采用步骤41得到的水库下游河道还原沙量，结合受水库蓄水影响的实际输沙量，基于输沙法得到水库的泥沙淤积量，并与步骤42得到的水库拦沙量进行对比，若两者相差幅度/>在20%以内，则表明还原得到水库下游10年输沙总量较为合理；
步骤44. 采用水库下游河道天然状态下的10年序列水沙观测资料，建立其径流量-输沙量相关关系，点绘还原得到的水库运行后10年径流量-输沙量相关关系，若两者分布规律一致，则表明还原得到的逐年输沙量较为合理。
实施例的具体步骤如下：
步骤1：收集1971-2012年某水库入库干流、支流水文控制站和坝下游水文控制站的年径流量、年输沙量实测数据，收集水库坝前水位站2003-2012年日均水位观测数据，坝下游某水文站2003-2012年日均流量观测数据，水库2003-2012年固定断面和床沙干容重观测数据。
步骤2：结合水库库区及其上游水土保持工程实施情况的文献调查，将水库蓄水前的时段划分为1971-1985年和1985-2002年两个时段，对入库控制站年径流量年输沙量进行求和，作为入库干支流控制站年水沙数据，采用出库控制站年径流量和输沙量扣除入库干支流控制站水沙量，即为水库库区未控集水区间的年径流量和年输沙量，建立两者的相关关系如图2。
步骤3：结合上游水库运行情况调研、水库泥沙淤积和坝下游河床冲刷发展过程的文献调研，选取2003-2012作为水库蓄水运用后10年泥沙还原计算的目标序列。基于水量平衡的原理，对2003-2012年坝下游水文站的水文序列进行无水库调蓄作用的还原计算，以2012年为例，还原计算主要是针对水库汛前枯期的补水调度、汛前的消落调度、汛期的削峰调度和汛后的蓄水调度等具体过程，还原得到无水库调蓄的天然径流过程如图3，计算得到还原序列坝下游水文站的年径流量如图4；通过还原后的径流量与水库入库干支流控制站径流量求得未控集水区间的来水量，结合步骤2得到的未控集水区间的年径流量与年输沙量相关关系，计算得到还原序列的未控区间来沙量。
步骤4：基于区间来沙量和入库干支流控制站沙量求和，还原得到坝下游水文站2003-2012年的年输沙量，建立年径流量-年输沙量的相关关系，与蓄水前1991-2002年序列和2003-2012年实测序列进行对比，在二者之间则较为合理；基于断面法计算2003-2012年某水库实际泥沙淤积方量为13.6亿m3，结合库区床沙干容重观测资料（图5），库区泥沙淤积物干容重均值为1.06t/ m3，将淤积体积转化为淤积重量，其值为14.4亿吨；对比2003-2012年坝下游水文站的还原沙量和实际沙量（图6），其差值即为某水库拦截的泥沙量/>，其值为15.3亿吨，对比两者相差幅度/>在6%以内，进一步证明还原得到的坝下游水文站年输沙量较为合理。
本申请实施例提供一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原系统，包括，
资料收集模块1，用以收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料；
相关关系建立模块2，用以建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系；
来沙量计算模块3，还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量；
输沙量计算模块4，还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量。
本申请实施例提供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程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料；
步骤2. 建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系；
步骤3. 还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量；
步骤4. 还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量。
2.根据权利要求1所述的一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，其特征在于，所述步骤1的实现方式如下，
步骤11. 收集水库所在区域内天然状态下和成库后，入流干支流和坝址下游河道控制性水文站的日均流量、年径流量、年输沙量实测数据；
步骤12. 收集水库蓄水后10年水文序列的库区固定断面和床沙干容重观测资料。
3.根据权利要求1所述的一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，其特征在于，所述步骤2的实现方式如下，
步骤21. 基于入、出流控制性水文站年径流量和输沙量的差值，计算天然状态下，水库库区范围内未控集水区间的年径流量与年输沙量，区间年径流量的计算式为：，年输沙量的计算式为/>，式中，/>和/>分别为区间的年径流量和输沙量，/>、/>分别为坝下游河道干流年径流量和年输沙量，/>、/>分别为水库入流干流河道的年径流量和年输沙量，/>、/>分别为水库入流某一支流的年径流量和年输沙量，年径流量的单位为亿m3，年输沙量的单位为万吨；
步骤22. 分阶段建立天然状态下的未控集水区间年径流量与年输沙量/>的相关关系，绘制相关关系曲线，分析其变化规律，选择水库蓄水前的相邻时段作为还原计算区间输沙量的参照对象。
4.根据权利要求1所述的一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，其特征在于，所述步骤3的实现方式如下，
步骤31. 选取水库蓄水后的10年水沙序列作为泥沙还原对象，基于水量平衡的原理对水库下游河道的径流过程进行还原计算，得到无水库调蓄作用的天然径流过程；
步骤32. 计算还原后的坝下游河道逐年年径流量，与入库径流量求差值，得到还原后的逐年水库区域未控集水区间的径流量；
步骤33. 基于步骤22建立的未控集水区间径流量与输沙量的相关关系，依据步骤32所得的未控集水区间逐年年径流量，计算对应系列逐年区间来沙量。
5.根据权利要求4所述的一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，其特征在于，所述步骤4的实现方式如下，
步骤41. 根据10年序列水库上游干流及主要支流控制站的输沙量和步骤33计算所得的库区未控集水区间的输沙量，进行沙量求和，即可得到还原后的水库下游河道输沙量；
步骤42. 采用水库蓄水后10年的固定断面观测资料，采用断面法计算水库的实际淤积量，结合淤积物干容重观测资料，计算水库的实际拦沙量；
步骤43. 采用步骤41得到的水库下游河道还原沙量，结合受水库蓄水影响的实际输沙量，基于输沙法得到水库的泥沙淤积量，并与步骤42得到的水库拦沙量进行对比，若两者相差幅度/>在20%以内，则表明还原得到水库下游10年输沙总量较为合理；
步骤44. 采用水库下游河道天然状态下的10年序列水沙观测资料，建立其径流量-输沙量相关关系，点绘还原得到的水库运行后10年径流量-输沙量相关关系，若两者分布规律一致，则表明还原得到的逐年输沙量较为合理。
6.根据权利要求5所述的一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法，其特征在于，所述水库下游径流还原计算的基本方程为：
(1)
式中，为时段水库平均入流；/>为时段水库平均出流；/>为时段水库平均引入或引出的流量；/>为/>时段内水库的蓄水量变化值；/>为/>时段内水库的损失水量；/>为时段长，
从多年平均角度，可简化计算式(1)，即不考虑水库的损失水量，因此，水库的蓄水量变化值可按下式求解：
(2)
式中，、/>则分别为/>时段初和时段末对应水位的水库库容，
记为水库平均蓄水流量，则有：
(3)
当不考虑水库的引水流量时，为正则表示水库进行蓄水或拦截洪水，/>为负则表示水库在利用调节库容加大下泄流量。
7.一种多沙区域水库下游河道输沙量的还原系统，其特征在于，包括，
资料收集模块，用以收集水库上下游天然状态下和成库后的水沙与冲淤观测资料；
相关关系建立模块，用以建立天然状态下水库区域未控集水区间的年径流量～输沙量相关关系；
来沙量计算模块，还原计算10年序列的水库区域未控集水区间的来沙量；
输沙量计算模块，还原并校核10年序列的多沙区域水库下游河道的输沙量。
8.一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程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述的多沙区域水库下游河道输沙量的还原方法的步骤。
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