WO2021129039A1 - 一种跨水库流域河道径流演算方法和系统 - Google Patents

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WO2021129039A1
WO2021129039A1 PCT/CN2020/119822 CN2020119822W WO2021129039A1 WO 2021129039 A1 WO2021129039 A1 WO 2021129039A1 CN 2020119822 W CN2020119822 W CN 2020119822W WO 2021129039 A1 WO2021129039 A1 WO 2021129039A1
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reservoir
river
section
runoff
time
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PCT/CN2020/119822
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周建中
胡德超
张余龙
戴领
卢程伟
纪传波
朱思鹏
袁帅
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华中科技大学
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Definitions

  • one aspect of the present invention provides a method for calculating runoff of a cross-reservoir basin, which includes the following steps:
  • section inflow is other tributaries excluding the optional tributaries and section slope confluence among all the tributaries in the river section section;
  • the interval inflow is calculated by the following formula:
  • the superscript t represents the time
  • the superscript j represents the subtraction time of the wrong time
  • the subscript i represents the hydrological station number
  • the subscript z represents the optional tributary number.
  • step S3 includes the following steps:
  • S36 Use the final iteration result as the upper and lower boundaries of the river section model, and calculate the runoff of the river channel across the reservoir.
  • q t+1,N is the outflow flow of the Nth reservoir at time t+1
  • Q t,N is the inflow flow of the Nth reservoir at time t
  • H t,N is the water level in front of the Nth reservoir at time t .
  • the river section model is a one-dimensional hydrodynamic model
  • the one-dimensional hydrodynamic model is expressed as:
  • B is the width of the section
  • ⁇ is the water level
  • Q is the flow rate
  • q is the interval inflow
  • A is the water passing area
  • R is the hydraulic radius
  • n is the Manning coefficient
  • g is the acceleration of gravity
  • x is the river mileage coordinate
  • t is time.
  • the river section division module is used to divide the river course of the cross-reservoir basin with the controlling reservoir as the demarcation point, and determine the river section between two adjacent controlling reservoirs;
  • the river section model establishment module is used to determine the model boundary and establish the control body based on the divided river section and the cross-sectional topography data of the river section interval, thereby establishing the river section model;
  • river section model establishment module is used to execute the following steps:
  • river section model establishment module is also used to: add the inflow from the interval to the river section model in the form of source terms;
  • section inflow is all the tributaries in the river section section except for the other tributaries and section slope confluences except for the optional tributaries;
  • the interval inflow is calculated by the following formula:
  • the superscript t represents the time
  • the superscript j represents the subtraction time of the wrong time
  • the subscript i represents the hydrological station number
  • the subscript z represents the optional tributary number.
  • S36 Use the final iteration result as the upper and lower boundaries of the river section model, and calculate the runoff of the river channel across the reservoir.
  • q t+1,N is the outflow flow of the Nth reservoir at time t+1
  • Q t,N is the inflow flow of the Nth reservoir at time t
  • H t,N is the water level in front of the Nth reservoir at time t .
  • the river section model is a one-dimensional hydrodynamic model
  • the one-dimensional hydrodynamic model is expressed as:
  • B is the width of the section
  • ⁇ is the water level
  • Q is the flow rate
  • q is the interval inflow
  • A is the water passing area
  • R is the hydraulic radius
  • n is the Manning coefficient
  • g is the acceleration of gravity
  • x is the river mileage coordinate
  • t is time.
  • the cross-reservoir river basin runoff calculation method provided by the present invention divides the river sections, establishes a river section model, and then connects the river section models by dispatching rules, combined with the principle of water balance, so as to calculate the cross-reservoir river channel runoff Flow, taking into account the real difficulties of natural river basins across long stretches of reservoirs, effectively solving the problem that traditional hydraulics cannot perform runoff calculations across reservoirs.
  • the present invention In the process of establishing the river section model, the present invention fully considers the influence of the main stream, the tributary, and the inter-slope confluence in the river section on the channel runoff propagation, and improves the accuracy of the river runoff solution.
  • Fig. 1 is a flow chart of a method for calculating runoff of a cross-reservoir basin provided by the present invention
  • Figure 2 shows the comparison between the measured water level and the simulated water level at Zhutuo Section in 2016
  • Figure 3 shows the comparison between the measured water level and the simulated water level of the Cuntan section in 2016
  • Figure 4 shows the comparison between the measured flow and the simulated flow at Zhutuo Section in 2016
  • Figure 5 shows the comparison between the measured flow and the simulated flow at Zhutuo Section in 2016
  • Figure 6 shows the comparison between the measured water level and the simulated water level of the Huanglingmiao section in 2016.
  • Fig. 1 shows a flow chart of a method for calculating runoff of a cross-reservoir basin provided by the present invention, which specifically includes the following steps:
  • the section in the river section is used as the center of the control body, and the midpoint of the adjacent sections is used as the interface of the control body;
  • the remaining tributaries and section slope confluence are regarded as section inflows.
  • the preset value is 10%, and it can be adjusted accordingly in the actual application process.
  • time-staggered subtraction time factor is due to the difference in the time for the water flow at different locations to reach the same location.
  • the Saint-Venant equation used in this embodiment is as follows:
  • B is the section width
  • Q is the flow rate
  • q is the inflow of the interval
  • A is the water passing area
  • ⁇ is the water level
  • R is the hydraulic radius
  • n is the Manning coefficient
  • g is the acceleration of gravity
  • x is the river mileage coordinate
  • t For time.
  • the reservoir dispatching rules can be expressed as:
  • step S3 includes the following steps:
  • the preset threshold may be 0.01m. It is understandable that when the absolute value of the difference between H't +1, N+1 and H′′ t+1, N+1 is ⁇ H ⁇ 0.01m, this Q t+1,N and H′′ t+1,N+1 at time are taken as the final iterative results, and the iterative calculation of the next controlled reservoir is performed.
  • the Xiangjiaba-Gezhouba reach is divided into two reach models (the Xiangjiaba-Three Gorges River respectively) Section model and Three Gorges ⁇ Gezhouba reach model), the Three Gorges Reservoir dispatching rules are connected to the two reach models, continuous simulation calculation, using one-year measured data to calibrate the verification model, calculate the control section water level and flow process, and statistical model simulation accuracy.
  • Another aspect of the embodiments of the present invention provides a cross-reservoir river basin runoff calculation system, including:
  • the river section model building module is used to determine the model boundary and establish the control body based on the cross-sectional topographic data of the divided river section and the section of the river section, thereby establishing the river section model.
  • the river section model building module is also used to perform the following steps:
  • section inflow is calculated by the following formula:
  • the superscript t represents the time
  • the superscript j represents the time of subtraction at the wrong time
  • the subscript i represents the hydrological station number
  • the subscript z represents the optional tributary number.
  • B is the section width
  • Q is the flow rate
  • q is the inflow of the interval
  • A is the water passing area
  • ⁇ is the water level
  • R is the hydraulic radius
  • n is the Manning coefficient
  • g is the acceleration of gravity
  • x is the river mileage coordinate
  • t For time.
  • the reservoir dispatching rules can be expressed as:
  • q t+1,N is the outflow flow of the Nth reservoir at time t+1
  • Q t,N is the inflow flow of the Nth reservoir at time t
  • H t,N is the front of the Nth reservoir dam at time t Water level.
  • S31 Set the initial water level before the dam of each controlling reservoir in the river course of the cross-reservoir basin, and the flow process of the leading reservoir.
  • the preset threshold may be 0.01m. It is understandable that when the absolute value of the difference between H't +1, N+1 and H′′ t+1, N+1 is ⁇ H ⁇ 0.01m, this Q t+1,N and H′′ t+1,N+1 at time are taken as the final iterative results, and the iterative calculation of the next controlled reservoir is performed.
  • the preset threshold can be adjusted according to different reservoirs in actual applications.

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Abstract

一种跨水库流域河道径流演算方法和系统，属于水力学与河流动力学领域，所述方法包括：以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段；基于划分的河段以及所述河段区间的断面地形资料，确定模型边界并建立控制体，从而建立河段模型；以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。该方法考虑了多种因素对河道径流传播的影响，利用调度规则连接河段模型的方式，进行跨水库流域河道径流演算，解决了传统水力学无法跨水库进行径流计算的难题，同时完善了基于一维水动力学模型的河道径流演算方法。

Description

一种跨水库流域河道径流演算方法和系统 【技术领域】
本发明属于水力学与河流动力学领域，更具体地，涉及一种跨水库流域河道径流演算方法和系统。
【背景技术】
河道径流量在防洪、供水、发电等水库调度运行管理的各个方面起着重要作用，常用于制定水库调度策略、评估水资源系统的风险、确定各种水力参数等，因此，高精度获取河道径流量具有重大意义。
目前，普遍采用传统的水力学方法(如一维水动力学建模方法)计算河道径流量，但仅适用于河网简单，长度较短的河段。然而实际应用中，由于水工建筑物的隔断，天然河道径流被破坏，洪水传播受人为影响严重，传统的水力学方法仅能在固定条件下模拟河道间水流传播，区间入流考虑不足，无法跨越水库进行河道径流演算，难以适用于跨水库长河段流域，并且求解精度较低。
【发明内容】
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种跨水库流域河道径流演算方法和系统，旨在解决现有一维水动力学模型无法应用于跨水库流域河道径流模拟的难题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种跨水库流域河道径流演算方法，包括以下步骤：
S1：以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段；
S2：基于划分的河段以及所述河段区间的断面地形资料，确定模型边 界并建立控制体，从而建立河段模型；
S3：以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
进一步地，步骤S2所述的方法包括以下步骤：
S21：基于划分的河段，以上游水库出库流量及可选支流入汇流量作为上边界，以下游水库坝前水位作为下边界，以所述河段内区间流量为内部边界，确定模型边界；
S22：以所述河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为所述控制体的界面；
S23：基于所述模型边界和所述控制体，将所述河段内干流部分的所有断面串联，将所述可选支流断面加入到相应位置，从而得到河段模型；
其中，所述可选支流为年平均流量与对应的干流年平均流量比值大于预设值的支流。
进一步地，所述方法还包括：将区间入流以源项的方式加入到所述河段模型中；
其中，所述区间入流为所述河段区间内所有支流中除去所述可选支流的其他支流以及区间坡面汇流；
所述区间入流由以下公式计算：
Figure PCTCN2020119822-appb-000001
其中，上标t表示时间，上标j表示错时相减时长，下标i表示水文站编号，下标z表示可选支流编号，
Figure PCTCN2020119822-appb-000002
表示t时刻第i个水文站到第i+1个水文站的区间入流，
Figure PCTCN2020119822-appb-000003
表示t时刻第i+1个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000004
表示t-j时刻第i个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000005
表示t-j时刻流至第i个水文站实测的z个可选支流的径流量之和。
进一步地，步骤S3所述的方法包括以下步骤：
S31：设定所述跨水库流域河道内各控制性水库的初始坝前水位，以及龙头水库出库流量过程；
S32：以第N+1个水库t时刻的水位，作为第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H′ t+1,N+1；
S33：以第N个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N和所述坝前水位H′ t+1,N+1作为所述河段模型的上下边界，计算得到第N+1个水库t+1时刻的入库流量Q t+1,N+1；
S34：根据所述入库流量Q t+1,N+1和第N+1个水库t时刻的坝前水位H t,N+1以及第N+1个水库的调度规则，计算得到第N+1个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N+1，再基于水量平衡原理，得到模拟的第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H″ t+1,N+1；
S35：当ΔH大于预设阈值，则令H′ t+1,N+1等于H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的均值，并重复步骤S33～S34；当ΔH小于或等于预设阈值，则进行下一水库的迭代计算，直至河道内所有控制性水库完成计算过程；其中，ΔH为H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值；
S36：以最终迭代结果作为所述河段模型的上下边界，计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
进一步地，所述水库的调度规则表示为：
q t+1,N＝f(Q t,N,H t,N)
其中，q t+1,N为t+1时刻第N个水库出库流量，Q t,N为t时刻第N个水库入库流量，H t,N为t时刻第N个水库坝前水位。
进一步地，所述河段模型为一维水动力学模型，所述一维水动力学模型表示为：
Figure PCTCN2020119822-appb-000006
Figure PCTCN2020119822-appb-000007
其中，B为断面宽度，η为水位，Q为流量，q为区间入流，A为过水面积，R为水力半径，n为曼宁系数，g为重力加速度，x为河道里程坐标，t为时间。
本发明另一方面提供了一种跨水库流域河道径流演算系统，包括：
河段划分模块，用于以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段；
河段模型建立模块，用于基于划分的河段以及所述河段区间的断面地形资料，确定模型边界并建立控制体，从而建立河段模型；
河道径流计算模块，用于以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
进一步地，所述河段模型建立模块用于执行以下步骤：
S21：基于划分的河段，以上游水库出库流量及可选支流入汇流量作为上边界，以下游水库坝前水位作为下边界，以所述河段内区间流量为内部边界，确定模型边界；
S22：以所述河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为所述控制体的界面；
S23：基于所述模型边界和所述控制体，将所述河段内干流部分的所有断面串联，将所述可选支流断面加入到相应位置，从而得到河段模型；
其中，所述可选支流为年平均流量与对应的干流年平均流量比值大于预设值的支流。
进一步地，所述河段模型建立模块还用于：将区间入流以源项的方式加入到所述河段模型中；
其中，所述区间入流为所述河段区间内所有支流中除去所述可选支流 的其他支流以及区间坡面汇流；
所述区间入流由以下公式计算：
Figure PCTCN2020119822-appb-000008
其中，上标t表示时间，上标j表示错时相减时长，下标i表示水文站编号，下标z表示可选支流编号，
Figure PCTCN2020119822-appb-000009
表示t时刻第i个水文站到第i+1个水文站的区间入流，
Figure PCTCN2020119822-appb-000010
表示t时刻第i+1个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000011
表示t-j时刻第i个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000012
表示t-j时刻流至第i个水文站实测的z个可选支流的径流量之和。
进一步地，所述河道径流计算模块用于执行以下步骤：
S31：设定所述跨水库流域河道内各控制性水库的初始坝前水位，以及龙头水库出库流量过程；
S32：以第N+1个水库t时刻的水位，作为第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H′ t+1,N+1；
S33：以第N个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N和所述坝前水位H′ t+1,N+1作为所述河段模型的上下边界，计算得到第N+1个水库t+1时刻的入库流量Q t+1,N+1；
S34：根据所述入库流量Q t+1,N+1和第N+1个水库t时刻的坝前水位H t,N+1以及第N+1个水库的调度规则，计算得到第N+1个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N+1，再基于水量平衡原理，得到模拟的第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H″ t+1,N+1；
S35：当ΔH大于预设阈值，则令H′ t+1,N+1等于H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的均值，并重复步骤S33～S34；当ΔH小于或等于预设阈值，则进行下一水库的迭代计算，直至河道内所有控制性水库完成计算过程；其中，ΔH为H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值；
S36：以最终迭代结果作为所述河段模型的上下边界，计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
进一步地，所述水库的调度规则表示为：
q t+1,N＝f(Q t,N,H t,N)
其中，q t+1,N为t+1时刻第N个水库出库流量，Q t,N为t时刻第N个水库入库流量，H t,N为t时刻第N个水库坝前水位。
进一步地，所述河段模型为一维水动力学模型，所述一维水动力学模型表示为：
Figure PCTCN2020119822-appb-000013
Figure PCTCN2020119822-appb-000014
其中，B为断面宽度，η为水位，Q为流量，q为区间入流，A为过水面积，R为水力半径，n为曼宁系数，g为重力加速度，x为河道里程坐标，t为时间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的跨水库流域河道径流演算方法，通过划分河段，建立河段模型，再以调度规则连接河段模型的方式，结合水量平衡原理，从而计算得到跨水库流域河道的径流量，综合考虑了天然流域河道跨水库长河段的真实困难，有效解决了传统水力学无法跨水库进行径流计算的难题。
(2)本发明在建立河段模型的过程中，充分考虑了河段内干流、支流、以及区间坡面汇流对河道径流传播的影响，提高了河道径流量求解精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种跨水库流域河道径流演算方法的流程图；
图2为2016年朱沱断面实测水位与模拟水位对比图；
图3为2016年寸滩断面实测水位与模拟水位对比图；
图4为2016年朱沱断面实测流量与模拟流量对比图；
图5为2016年朱沱断面实测流量与模拟流量对比图；
图6为2016年黄陵庙断面实测水位与模拟水位对比图。
【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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一方面提供了一种跨水库流域河道径流演算方法，通过水库调度规则连接一维水动力学模型的方式，实现高精度的跨水库流域河道径流演算。
图1所示为本发明提供的一种跨水库流域河道径流演算方法的流程图，具体包括以下步骤：
S1：以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段。
其中，控制性水库表示具有流量调节能力的水库；河段包括河道干流部分、区间内所有支流以及区间坡面汇流。
S2：基于划分的河段以及河段区间的断面地形资料，确定模型边界并建立控制体，从而建立河段模型；
具体的，包括以下步骤：
S21：基于划分的河段，以上游水库出库流量及可选支流入汇流量作为上边界，以下游水库坝前水位作为下边界，以河段内区间流量为内部边界，确定模型边界；
S22：以河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为控制体的界面；
优选地，基于有限体积法以河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为控制体的界面；
S23：基于模型边界和控制体，将河段内干流部分的所有断面串联，将可选支流断面加入到相应位置，从而得到河段模型；
具体的，基于划分的河段，统计分析河段区间内各支流年平均流量，划分流量等级，并与干流年平均流量对比，选取支流年平均流量与干流年平均流量比值大于预设值的支流，作为可选支流，其余支流以及区间坡面汇流则视为区间入流。其中，下文进行模拟实验时，预设值取的10％，实际应用过程中，可以进行相应调整。
具体的，以河段区间上下游水文站的实测径流量相减作为区间入流，并以源项的方式加入到河段模型中，区间入流由以下公式计算：
Figure PCTCN2020119822-appb-000015
式中，上标t表示时间，上标j表示错时相减时长，下标i表示水文站编号，下标z表示可选支流编号，
Figure PCTCN2020119822-appb-000016
表示t时刻第i个水文站到第i+1个水文站的区间入流，
Figure PCTCN2020119822-appb-000017
表示t时刻第i+1个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000018
表示t-j时刻第i个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000019
表示t-j时刻流至第i个水文站实测的z个可选支流的径流量之和。
需要说明的是，引入错时相减时长因子，是由于不同位置的水流到达同一位置的时间有差异。
需要说明的是，在实际应用过程中，还可以在各边界处加入一个虚拟界面，用以边界条件输入，如此，保证水量平衡，使得河段模型更加精准。
在建立河段模型之后，基于圣维南方程组求解河段模型，本实施例采用的圣维南方程如下：
Figure PCTCN2020119822-appb-000020
Figure PCTCN2020119822-appb-000021
式中，B为断面宽度，Q为流量，q为区间入流，A为过水面积，η为水位，R为水力半径，n为曼宁系数，g为重力加速度，x为河道里程坐标，t为时间。
S3：以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
其中，水库调度规则可表示为：
q t+1,N＝f(Q t,N,H t,N)
式中，q t+1,N为t+1时刻第N个水库出库流量，Q t,N为t时刻第N个水库入库流量，H t,N为t时刻第N个水库坝前水位。
具体的，步骤S3包括以下步骤：
S31：设定跨水库流域河道内各控制性水库的初始坝前水位，以及龙头水库出库流量过程。
S32：以第N+1个水库t时刻的水位，作为第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H′ t+1,N+1；
S33：以第N个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N和坝前水位H′ t+1,N+1作为河段模型的上下边界，计算得到第N+1个水库t+1时刻的入库流量Q t+1,N+1；
S34：根据入库流量Q t+1,N+1和第N+1个水库t时刻的坝前水位H t,N+1以及第N+1个水库的调度规则，计算得到第N+1个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N+1，再基于水量平衡原理，得到模拟的第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H″ t+1,N+1。
S35：当ΔH大于预设阈值，则令H′ t+1,N+1等于H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的均值，并 重复步骤S33～S34；当ΔH小于或等于预设阈值，则进行下一水库的迭代计算，直至河道内所有控制性水库完成计算过程；其中，ΔH为H′ t+1，N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值；
具体的，预设阈值可以是0.01m，可以理解的是，当H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值ΔH≤0.01m时，将此时的q t+1,N和H″ t+1,N+1作为最终迭代结果，并进行下一控制水库的迭代计算。
需要指出的是，预设阈值可以根据实际应用中不同的水库进行调整。
S36：以最终迭代结果作为河段模型的上下边界，计算得到河道全部断面所有时刻的水位以及流量值。
为了验证本发明的有效性，以向家坝～葛洲坝长河段为例，以控制性水库为分界点，将向家坝～葛洲坝河段分成两个河段模型(分别为向家坝～三峡河段模型和三峡～葛洲坝河段模型)，将三峡水库调度规则连接两个河段模型，连续模拟演算，使用一年实测数据率定验证模型，计算控制断面水位流量过程，统计模型模拟精度。
向家坝～三峡河段模型的部分站点水位及流量模拟结果与实测值对比图如图2至图5所示，模型水位流量模拟精度统计结果如表1所示。
由图2至图5可知，控制站点水位及流量的模拟结果精度较高，与实测值非常接近，确定性系数均在0.9以上。
由表1可知，模型的模拟结果在各水文站模拟均值差一般在10cm以内，模拟峰值差一般在20cm左右。
表1向家坝～三峡模拟精度统计
Figure PCTCN2020119822-appb-000022
Figure PCTCN2020119822-appb-000023
三峡～葛洲坝河段水位模拟结果与实测值对比图如图6所示，模型水位模拟精度统计结果如表2所示。
由表2和图6可知，2016年三峡～葛洲坝河段模型模拟精度较高，分段连续演进结果准确可靠。
表2三峡～葛洲坝模拟精度统计
Figure PCTCN2020119822-appb-000024
通过上述实测数据与模拟数据的对比，进一步佐证本发明提供的跨水库流域河道径流演算方法具有实际意义。
本发明实施例另一方面提供了一种跨水库流域河道径流演算系统，包括：
河段划分模块，用于以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段；
其中，控制性水库表示具有流量调节能力的水库；河段包括河道干流部分、区间内所有支流以及区间坡面汇流。
河段模型建立模块，用于基于划分的河段以及河段区间的断面地形资料，确定模型边界并建立控制体，从而建立河段模型。
河段模型建立模块，还用于执行以下步骤：
S21：基于划分的河段，以上游水库出库流量及可选支流入汇流量作为上边界，以下游水库坝前水位作为下边界，以河段内区间流量为内部边界，确定模型边界；
S22：以河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为控制 体的界面；
优选地，基于有限体积法以河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为控制体的界面；
S23：基于模型边界和控制体，将河段内干流部分的所有断面串联，将可选支流断面加入到相应位置，从而得到河段模型；
具体的，基于划分的河段，统计分析河段区间内各支流年平均流量，划分流量等级，并与干流年平均流量对比，选取支流年平均流量与干流年平均流量比值大于预设值的支流，作为可选支流，其余支流以及区间坡面汇流则视为区间入流。
具体的，以河段区间上下游水文站的实测径流量相减作为区间入流，并以源项的方式加入到河段模型中，区间入流由以下公式计算：
Figure PCTCN2020119822-appb-000025
式中，上标t表示时间，上标j表示错时相减时长，下标i表示水文站编号，下标z表示可选支流编号，
Figure PCTCN2020119822-appb-000026
表示t时刻第i个水文站到第i+1个水文站的区间入流，
Figure PCTCN2020119822-appb-000027
表示t时刻第i+1个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000028
表示t-j时刻第i个水文站实测的干流径流量，
Figure PCTCN2020119822-appb-000029
表示t-j时刻流至第i个水文站实测的z个可选支流的径流量之和。
需要说明的是，引入错时相减时长因子，是由于不同位置的水流到达同一位置的时间有差异。
需要说明的是，在实际应用过程中，还可以在各边界处加入一个虚拟界面，用以边界条件输入，如此，保证水量平衡，使得河段模型更加精准。
在建立河段模型之后，基于圣维南方程组求解河段模型，本实施例采用的圣维南方程如下：
Figure PCTCN2020119822-appb-000030
Figure PCTCN2020119822-appb-000031
式中，B为断面宽度，Q为流量，q为区间入流，A为过水面积，η为水位，R为水力半径，n为曼宁系数，g为重力加速度，x为河道里程坐标，t为时间。
河道径流计算模块，用于以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
其中，水库调度规则可表示为：
q t+1,N＝f(Q t,N,H t,N)
式中，q t+1,N为t+1时刻第N个水库出库流量，Q t,N为t时刻第N个水库入库流量，H t,N为t时刻第N个水库坝前水位。
具体的，河道径流计算模块，用于执行以下步骤：
S31：设定跨水库流域河道内各控制性水库的初始坝前水位，以及龙头水库出库流量过程。
S32：以第N+1个水库t时刻的水位，作为第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H′ t+1,N+1；
S33：以第N个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N和坝前水位H′ t+1,N+1作为河段模型的上下边界，计算得到第N+1个水库t+1时刻的入库流量Q t+1,N+1；
S34：根据入库流量Q t+1,N+1和第N+1个水库t时刻的坝前水位H t,N+1以及第N+1个水库的调度规则，计算得到第N+1个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N+1，再基于水量平衡原理，得到模拟的第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H″ t+1,N+1。
S35：当ΔH大于预设阈值，则令H′ t+1,N+1等于H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的均值，并重复步骤S33～S34；当ΔH小于或等于预设阈值，则进行下一水库的迭代计 算，直至河道内所有控制性水库完成计算过程；其中，ΔH为H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值；
具体的，预设阈值可以是0.01m，可以理解的是，当H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值ΔH≤0.01m时，将此时的q t+1,N和H″ t+1,N+1作为最终迭代结果，并进行下一控制水库的迭代计算。
需要指出的是，预设阈值可以根据实际应用中不同的水库进行调整。
S36：以最终迭代结果作为河段模型的上下边界，计算得到河道全部断面所有时刻的水位以及流量值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种跨水库流域河道径流演算方法，其特征在于，包括以下步骤：
    S1：以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段；
    S2：基于划分的河段以及所述河段区间的断面地形资料，确定模型边界并建立控制体，从而建立河段模型；
    S3：以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
  2. 根据权利要求1所述的跨水库流域河道径流演算方法，其特征在于，步骤S2所述的方法包括以下步骤：
    S21：基于划分的河段，以上游水库出库流量及可选支流入汇流量作为上边界，以下游水库坝前水位作为下边界，以所述河段内区间流量为内部边界，确定模型边界；
    S22：以所述河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为所述控制体的界面；
    S23：基于所述模型边界和所述控制体，将所述河段内干流部分的所有断面串联，将所述可选支流断面加入到相应位置，从而得到河段模型；
    其中，所述可选支流为年平均流量与对应的干流年平均流量比值大于预设值的支流。
  3. 根据权利要求2所述的跨水库流域河道径流演算方法，其特征在于，所述方法还包括：将区间入流以源项的方式加入到所述河段模型中；
    其中，所述区间入流为所述河段区间内所有支流中除去所述可选支流的其他支流以及区间坡面汇流；
    所述区间入流由以下公式计算：
    Figure PCTCN2020119822-appb-100001
    其中，上标t表示时间，上标j表示错时相减时长，下标i表示水文站编号，下标z表示可选支流编号，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100002
    表示t时刻第i个水文站到第i+1个水文站的区间入流，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100003
    表示t时刻第i+1个水文站实测的干流径流量，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100004
    表示t-j时刻第i个水文站实测的干流径流量，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100005
    表示t-j时刻流至第i个水文站实测的z个可选支流的径流量之和。
  4. 根据权利要求1所述的跨水库流域河道径流演算方法，其特征在于，步骤S3所述的方法包括以下步骤：
    S31：设定所述跨水库流域河道内各控制性水库的初始坝前水位，以及龙头水库出库流量过程；
    S32：以第N+1个水库t时刻的水位，作为第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H′ t+1,N+1；
    S33：以第N个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N和所述坝前水位H′ t+1,N+1作为所述河段模型的上下边界，计算得到第N+1个水库t+1时刻的入库流量Q t+1,N+1；
    S34：根据所述入库流量Q t+1,N+1和第N+1个水库t时刻的坝前水位H t,N+1以及第N+1个水库的调度规则，计算得到第N+1个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N+1，再基于水量平衡原理，得到模拟的第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H″ t+1,N+1；
    S35：当ΔH大于预设阈值，则令H′ t+1,N+1等于H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的均值，并重复步骤S33～S34；当ΔH小于或等于预设阈值，则进行下一水库的迭代计算，直至河道内所有控制性水库完成计算过程；其中，ΔH为H″ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值；
    S36：以最终迭代结果作为所述河段模型的上下边界，计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
  5. 根据权利要求1所述的跨水库流域河道径流演算方法，其特征在于，所述水库的调度规则表示为：
    q t+1,N＝f(Q t,N,H t,N)
    其中，q t+1,N为t+1时刻第N个水库出库流量，Q t,N为t时刻第N个水库入库流量，H t,N为t时刻第N个水库坝前水位。
  6. 根据权利要求1至5任一项所述的跨水库流域河道径流演算方法，其特征在于，所述河段模型为一维水动力学模型，所述一维水动力学模型表示为：
    Figure PCTCN2020119822-appb-100006
    Figure PCTCN2020119822-appb-100007
    其中，B为断面宽度，η为水位，Q为流量，q为区间入流，A为过水面积，R为水力半径，n为曼宁系数，g为重力加速度，x为河道里程坐标，t为时间。
  7. 一种跨水库流域河道径流演算系统，其特征在于，包括：
    河段划分模块，用于以控制性水库为分界点，对跨水库流域河道进行划分，确定相邻两个控制性水库之间为一个河段；
    河段模型建立模块，用于基于划分的河段以及所述河段区间的断面地形资料，确定模型边界并建立控制体，从而建立河段模型；
    河道径流计算模块，用于以水库的调度规则连接所述水库上下游的河段模型，结合水量平衡原理，通过迭代计算得到所述跨水库流域河道的径流量。
  8. 根据权利要求7所述的跨水库流域河道径流演算系统，其特征在于，所述河段模型建立模块用于执行以下步骤：
    S21：基于划分的河段，以上游水库出库流量及可选支流入汇流量作为 上边界，以下游水库坝前水位作为下边界，以所述河段内区间流量为内部边界，确定模型边界；
    S22：以所述河段内断面作为控制体的中心，以相邻断面的中点处作为所述控制体的界面；
    S23：基于所述模型边界和所述控制体，将所述河段内干流部分的所有断面串联，将所述可选支流断面加入到相应位置，从而得到河段模型；
    其中，所述可选支流为年平均流量与对应的干流年平均流量比值大于预设值的支流。
  9. 根据权利要求8所述的跨水库流域河道径流演算系统，其特征在于，所述河段模型建立模块还用于：将区间入流以源项的方式加入到所述河段模型中；
    其中，所述区间入流为所述河段区间内所有支流中除去所述可选支流的其他支流以及区间坡面汇流；
    所述区间入流由以下公式计算：
    Figure PCTCN2020119822-appb-100008
    其中，上标t表示时间，上标j表示错时相减时长，下标i表示水文站编号，下标z表示可选支流编号，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100009
    表示t时刻第i个水文站到第i+1个水文站的区间入流，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100010
    表示t时刻第i+1个水文站实测的干流径流量，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100011
    表示t-j时刻第i个水文站实测的干流径流量，
    Figure PCTCN2020119822-appb-100012
    表示t-j时刻流至第i个水文站实测的z个可选支流的径流量之和。
  10. 根据权利要求7所述的跨水库流域河道径流演算系统，其特征在于，所述河道径流计算模块用于执行以下步骤：
    S31：设定所述跨水库流域河道内各控制性水库的初始坝前水位，以及龙头水库出库流量过程；
    S32：以第N+1个水库t时刻的水位，作为第N+1个水库t+1时刻的坝 前水位H′ t+1,N+1；
    S33：以第N个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N和所述坝前水位H′ t+1,N+1作为所述河段模型的上下边界，计算得到第N+1个水库t+1时刻的入库流量Q t+1,N+1；
    S34：根据所述入库流量Q t+1,N+1和第N+1个水库t时刻的坝前水位H t,N+1以及第N+1个水库的调度规则，计算得到第N+1个水库t+1时刻的出库流量q t+1,N+1，再基于水量平衡原理，得到模拟的第N+1个水库t+1时刻的坝前水位H″ t+1,N+1；
    S35：当ΔH大于预设阈值，则令H′ t+1,N+1等于H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的均值，并重复步骤S33～S34；当ΔH小于或等于预设阈值，则进行下一水库的迭代计算，直至河道内所有控制性水库完成计算过程；其中，ΔH为H′ t+1,N+1和H″ t+1,N+1的差值的绝对值；
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