CN116542021B - 一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水文‑水力学耦合的河道型水库调洪演算方法，包括：从河道型水库入库流量控制站的前期实况和未来预报流量过程、区间支流实况流量和预报降雨出发；采用水文学方法，将入库站洪水过程演算到水库回水末端，采用水文预报模型将区间支流产流演算至水库交汇处；以水文学方法计算的回水末端断面洪水过程、水文模型计算的区间支流洪水过程、水库出库流量过程作为一维非恒定流水动力学模型计算边界条件，建立了河道型水库水文‑水动力学调洪演算模型；本发明围绕河道型水库坝前水位调洪计算精度差的难题，结合水文、水力学方法调洪演算特点，建立了河道型水库水文‑水力学调洪演算模型，为准确预测河道型水库水位过程提供了一种新的方法。

Description

一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法

技术领域

本发明涉及一种水库水位预测技术，尤其是一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，可以进行高效准确的预测库区不同河段水位变化过程。

背景技术

准确的预测河道型水库库区水位，对于发挥流域防洪、发电、航运等效益，保证水利工程运行安全，实现水库精准调度运行和提高综合效益的具有重要意义。但由于水库水位，特别水河道型水库水位影响因素多，尚没有一个结合水位影响因素准确预测水位变化过程的模型，且受人类活动、气候变化以及基础资料等因素影响，准确预测难度较大。虽然目前技术人员对水库水位进行了相关的研究，研制了基于不同理论的水库水位预报模型和方法，但大部分研究以水量平衡方程为基础，对于河道型水库，无法描述多因素影响下的水位变化过程，特别是无法准确模拟动库容影响大的特征，难以准确预测河道型水库水位变化过程。

水库水位变化过程受众多的物理因素影响，分析提炼水位变化的主要影响因素，并结合主要因子的形成机理和特点，分别建立预测模型。在此基础上，水库库区水位预测模型，有利于提高预测精度。水库水位受水库上游来流、区间产流、库区演变以及水库蓄放过程等因素影响，相关影响关系复杂，如何建立一种能综合考虑上述影响因子的水库水位预测模型，目前尚未有一种高效的方法。

目前，为准确预测水库水位，曲耀光提出利用水量平衡原理对胡泊水位进预测，由于水量平衡方法无法有效考虑河道型水库动库容对水位的影响，应用于水库水位预测结果往往较差，且一般只能预测水库坝前水位，无法预测水库库区断面水位。刘威等提出了一致基于长短期记忆(LSTM)网络的时间序列模型，对水库水位进行预测，由于该模型效果对样本要求较高，而河道型水库影响因素较多，往往难以获取满足模型要求的样本，从而影响了水位预测的效果。

由于河道型水库水位过程主要受干流、区间来水，水库出流、河道地形等影响，从水位的主要影响因素出发，优选合理的预测方法，建立考虑影响水库水位的主要因素的预测模型具有重要意义。随着水文、计算机等技术的不断发展，水雨情、地形数据的逐步丰富完善、精准，利用水文、水力学方法对河道型水库库区水位进行准确预测已成为可能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，以拓展当前水库水位，特别是河道型水库水位预测的方法，能够结合水库库区不同区域产汇流特性，分别建立相应的水文、水动力学预测模型，在对上述模型的预测精度进行评价的基础上，最终构建适用于水库，特别是河道型水库水位预测的水文-水力学耦合模型。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，它包括以下步骤：

步骤1、根据河道型水库区间产汇流特性，将区间进一步划分为不同的产汇流单元，选用合适水文模型并对参数进行率定；

步骤2、用水文学方法将控制站流量演算至库尾回水末端；用水文模型将区间流量演算至水库河道干流交汇处；

步骤3、以库尾回水末端流量过程、水库河道汇入点各区间流量过程、出库流量过程为输入，采用水力学方法，对流量进行演算，输出水库区间沿程站点水位，并用实测数据对水力学模型参数进行率定。

进一步地，所述步骤1具体为：

步骤1.1、区间子分区划分：在建立区间水文预报模型时，首先基于流域DEM推求流域流水网；为了在流域水文模拟中考虑流域降雨及下垫面水文特性的空间差异，再利用ArcGIS软件按给定集水面积的阈值，对流域水网进行单元面积的划分；在此基础上，结合流域下垫面产汇流特性和流域站网情况，在同一流水网合并产汇流特性相似的单元，最终将区间划分为m个子分区；利用GIS空间分析功能，以数字高程模型为基础，提取流域下垫面特征值，分析地形对径流过程的作用，为流域水文模型参数率定提供定量依据；

步骤1.2、构建预报方案：在构建预报方案时，基于GIS自动提取或人工给定模型相关的信息，包括集水面积、引用蒸发站、面雨量计算所引用的雨量站点及其计算权重、下游出口站点信息；对于河道汇流模型，提取河道上下游断面、区间入流点、河道平均汇流时间；根据河流的自然流向，沿程建立各流域产汇流分区间的水力联系，重构分区间拓扑，使上下游、左右岸的水系链接基本符合天然水系状态，并以此建立水文模拟分区间的水力联系；

步骤1.3、模型参数率定：根据流域特性对蒸散发和产、汇流等相关参数及状态变量提供初始值；然后作次洪模型参数调试，确定模型参数；若区间流域为无资料地区，则通过移用相邻区域参数，再结合检验洪水过程对参数进行调整；河道演算部分采用分段的马斯京根法，对模型参数的率定分为两部分进行：首先进行河段的模型参数率定，然后再进行河系连续演算，将干流河段率定的参数进行再检验，评判区间降雨径流模型参数的合理性；完成方案构建与模型参数率定后，对整个流域洪水预报方案进行整体计算，进一步评价预报方案的精度，评价合格的方案可进行实际的作业预报。

进一步地，所述步骤2具体为：

河道演算：采用马斯京根法将第n个入库控制站流量演算至汇入点得到流量Q_n,，

Q_n＝C_n,0I_n,2+C_n,1I_n,1+C_n,2Q_n,1，C_n,0+C_n,1+C_n,2＝1

其中：I_n,1、I_n,2分别为计算时段始、末的入流量，m³/s；Q_n、Q_n，1分别为计算时段始、末的出流量，m³/s；

C_n，0、C_n，1、C_n，2均为权重系数，x为流量比重因素，Δt为计算时长；K为蓄量常数；

区间产汇流计算：利用步骤1的模型，对区间各子区域产汇流进行计算，得到子区间流量q_m。

进一步地，所述步骤3具体为：

步骤3.1建立库区洪水演进模型：

3.1.1建立河道水流运动方程：

模型计算选用的描述水流运动的基本方程为：

水流连续方程

水流运动方程

式中：角标i为断面号；Q_n为流量；Z为水位；A为过水面积；q_m为侧向入流量；t为时间；x为沿流程坐标；K为断面流量模数；

3.1.2建立汊点连接方程：

1)流量衔接条件：

进出每一汊点的流量必须与该汊点内实际水量的增减率相平衡，即：

Ω为汊点的蓄水量，如将该点概化为一个几何点，则Ω＝0。

2)动力衔接条件：

如果汊点可以概化为一个几何点，出入各个汊道的水流平缓，不存在水位突变的情况，则各汊道断面的水位应相等，即：

3.1.3设定边界条件：

计算中不对某单一河道单独给出边界条件，而是将纳入计算范围的水库干支流河道作为一个整体给出边界条件，各干支流进口给出流量过程，模型出口给出水位过程、流量过程或水位流量关系；

步骤3.2模型求解：采用三级解法对水流方程进行求解，首先对水流方程(1)和(2)采用普列斯曼的四点隐式差分格式进行离散，可得差分方程如下：

式中A、B为系数；Q为流量；Z为水位，式中系数均按实际条件推导得出；

假设某河段中有mL个断面，将该河段中通过差分得到的微段方程(5)和(6)依次进行自相消元，同时可将未知数集中到汊点处，即可得到该河段首尾断面的水位流量关系：

Q₁＝α₁+β₁Z₁+δ₁Z_ml (7)

Q_mL＝θ_mL+η_mLZ₁+γ_mLZ_mL (8)

式中α₁，β₁，δ₁，θ_mL，η_mL，γ_mL为系数，由实测资料得出；Q₁、Q_ml分别为河段首、尾断面流量；Z₁、Z_ml分别为河段首、尾水位；

将边界条件和各河段首尾断面的水位流量关系代入汊点连接方程，就可以建立起以水库干支流河道各汊点水位为未知量的代数方程组，求解此方程组得各汊点水位，逐步回代可得到河段端点流量以及各河段内部的水位和流量；

步骤3.3模型参数率定：由于糙率是影响水力学模型精度的主要因素，重点结合实测资料对水库库区不同河段的糙率进行率定。

计算总体误差：

式中：E_mL为第mL个断面，n场洪水过程预测水位的平均误差；y_mL、tt为模型测算水位；为实测水位；tt为第洪水场次；

第mL个断面绝对平均误差最小，则对应糙率为模型最终采用糙率值。

本发明的有益效果如下：

1、从水库水位的深层次影响因素出发，结合水库水位变化的显著因子集，建立了水位预测模型，为后续研究提供了一种可持续、新的途径；

2、本发明结合河道、区间和库区的不同径流演变特性，建立了水文-水动力学预测模型，有效匹配了河道型水库不同区域径流过程，不同区域径流特性难以有效衔接的问题；

3、本发明原理简单，方法新颖，可应用于水库库区站点水位预测，能有效提高预测精度；

4、本发明可以拓展当前水库水位，特别是河道型水库水位预测的方法，能够结合水库库区不同区域产汇流特性，分别建立相应的水文、水动力学预测模型，在对上述模型的预测精度进行评价的基础上，最终构建了适用于水库，特别是河道型水库水位预测的水文-水力学耦合模型；

5、本发明围绕河道型水库坝前水位调洪计算精度差的难题，结合水文、水力学方法调洪演算特点，建立了河道型水库水文-水力学调洪演算模型，为准确预测河道型水库水位过程提供了一种新的方法；该方法能有效提高调洪演算精度，可应用于河道型水库坝前及库区水位预测，为水库防洪、发电、航运等调度提供决策依据。

附图说明

图1：一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法的流程图；

图2：新安江模型拓扑结构示意图；

图3：普列斯曼差分示意图；

图4：水位模拟结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，主要包括以下步骤：

步骤1.根据河道型水库区间产汇流特性，将区间进一步划分为不同的产汇流单元，选用合适水文模型并对参数进行率定；

步骤1.1.区间子分区划分。河道型水库区间面积一般较大，不同区域产汇流特性差异大，需结合不同区域产汇流特性对区间进一步细化。以某河道型水库为例，在建立区间水文预报模型时，首先基于流域DEM推求流域流水网；为了在流域水文模拟中考虑流域降雨及下垫面水文特性的空间差异，再利用ArcGIS软件按给定集水面积的阈值，对流域水网进行单元面积的划分；在此基础上，结合流域下垫面产汇流特性和流域站网情况，在同一流水网合并产汇流特性相似的单元，最终将区间划分为m个子分区。利用GIS空间分析功能，以数字高程模型为基础，提取流域下垫面特征值，分析地形对径流过程的作用，为流域水文模型参数率定提供定量依据。

步骤1.2.构建预报方案。结合南方区域产汇流特点，选用新安江模型(见图2)作为预报模型。在构建预报方案时，基于GIS自动提取或人工给定模型相关的信息，包括集水面积、引用蒸发站、面雨量计算所引用的雨量站点及其计算权重、下游出口站点等信息；对于河道汇流模型，主要提取河道上下游断面、区间入流点、河道平均汇流时间等。根据河流的自然流向，沿程建立各流域产汇流分区间的水力联系，重构分区间拓扑，使上下游、左右岸的水系链接基本符合天然水系状态，并以此建立水文模拟分区间的水力联系。

步骤1.3.模型参数率定。根据流域特性对蒸散发和产、汇流等相关参数及状态变量提供初始值；然后作次洪模型参数调试，确定模型参数。若区间流域为无资料地区，则通过移用相邻区域参数，再结合检验洪水过程对参数进行调整。河道演算部分采用分段的马斯京根法，对模型参数的率定分为两部分进行。首先进行河段的模型参数率定，然后再进行河系连续演算，将干流河段率定的参数进行再检验，评判区间降雨径流模型参数的合理性。完成方案构建与模型参数率定后，对整个流域洪水预报方案进行整体计算，进一步评价预报方案的精度，评价合格的方案可进行实际的作业预报。

步骤2.用水文学方法将控制站流量演算至库尾回水末端；用水文模型将区间流量演算至水库河道干流交汇处；

所述步骤2进一步为：

河道演算：采用马斯京根法将第n个入库控制站流量演算至汇入点得到流量Q_n,，

Q_n＝C_n,0I_n,2+C_n,1I_n,1+C_n,2Q_n,1，C_n,0+C_n,1+C_n,2＝1

其中：I_n,1、I_n,2分别为计算时段始、末的入流量，m³/s；Q_n、Q_n，1分别为计算时段始、末的出流量，m³/s；

C_n，0、C_n，1、C_n，2均为权重系数，x为流量比重因素，Δt为计算时长；K为蓄量常数；

区间产汇流计算：利用步骤1的模型，对区间各子区域产汇流进行计算，得到子区间流量q_m。

步骤3.以库尾回水末端流量过程、水库河道汇入点各区间流量过程、出库流量过程等为输入，采用水力学方法，对流量进行演算，输出水库区间沿程站点水位，并用实测数据对水力学模型参数进行率定。

为有效响应河道型水库支流多、区间流量大、洪水演进复杂的特点，准确预测河道型水库水位变化过程，建立水库一维非恒定流洪水演进模型，将水库干支流河道分别视为单一河道，河道汇流点作为汊点河道演进数学模型应包括单一河道水流运动方程、汊点连接方程和边界条件三部分。

步骤3.1建立库区洪水演进模型。

(3.1.1)建立河道水流运动方程

模型计算选用的描述水流运动的基本方程为：

水流连续方程

水流运动方程

式中：角标i为断面号；Q_n为流量；Z为水位；A为过水面积；q_m为侧向入流量；t为时间；x为沿流程坐标；K为断面流量模数。

(3.1.2)建立汊点连接方程

1)流量衔接条件：

进出每一汊点的流量必须与该汊点内实际水量的增减率相平衡，即：

Ω为汊点的蓄水量。如将该点概化为一个几何点，则Ω＝0。

2)动力衔接条件：

如果汊点可以概化为一个几何点，出入各个汊道的水流平缓，不存在水位突变的情况，则各汊道断面的水位应相等，即：

(3.1.3)设定边界条件

计算中不对某单一河道单独给出边界条件，而是将纳入计算范围的水库干支流河道作为一个整体给出边界条件，各干支流进口给出流量过程，模型出口给出水位过程、流量过程或水位流量关系。

步骤3.2模型求解：采用三级解法对水流方程进行求解，首先对水流方程(1)和(2)采用普列斯曼的四点隐式差分格式进行离散，可得差分方程如下：

式中A、B为系数；Q为流量；Z为水位，式中系数均按实际条件推导得出；

假设某河段中有mL个断面，将该河段中通过差分得到的微段方程(5)和(6)依次进行自相消元，同时可将未知数集中到汊点处，即可得到该河段首尾断面的水位流量关系：

Q₁＝α₁+β₁Z₁+δ₁Z_ml (7)

Q_mL＝θ_mL+η_mLZ₁+γ_mLZ_mL (8)

式中α₁，β₁，δ₁，θ_mL，η_mL，γ_mL为系数，由实测资料得出；Q₁、Q_ml分别为河段首、尾断面流量；Z₁、Z_ml分别为河段首、尾水位；

将边界条件和各河段首尾断面的水位流量关系代入汊点连接方程，就可以建立起以水库干支流河道各汊点水位为未知量的代数方程组，求解此方程组得各汊点水位，逐步回代可得到河段端点流量以及各河段内部的水位和流量；

步骤3.3模型参数率定：由于糙率是影响水力学模型精度的主要因素，重点结合实测资料对水库库区不同河段的糙率进行率定。

计算总体误差：

式中：E_mL为第mL个断面，n场洪水过程预测水位的平均误差；y_mL、tt为模型测算水位；为实测水位；tt为第洪水场次；

第mL个断面绝对平均误差最小，则对应糙率为模型最终采用糙率值。

q_n是第n种模型预测结果。预测结果见图4，表1。

表1某水库库区站水位验证结果

从图4、表1可以看出，运用水文-水动力学耦合的方法计算的水位整体精度较高，误差在0.17米以内，能对库区不同河段水位进行准确预测，可更好的支撑水库调度。与常规使用的水文学法计算的结果对比，精度得到有效提高，且没有发生系统性偏差。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1、根据河道型水库区间产汇流特性，将区间划分为不同的产汇流单元，选用合适水文模型并对参数进行率定；

步骤2、用水文学方法将控制站流量演算至库尾回水末端；用水文模型将区间流量演算至水库河道干流交汇处；

步骤3、以库尾回水末端流量过程、水库河道汇入点各区间流量过程、出库流量过程为输入，采用水力学方法，对流量进行演算，输出水库区间沿程站点水位，并用实测数据对水力学模型参数进行率定；

步骤1.1、区间子分区划分：在建立区间水文预报模型时，首先基于流域DEM推求流域流水网；为了在流域水文模拟中考虑流域降雨及下垫面水文特性的空间差异，再利用ArcGIS软件按给定集水面积的阈值，对流域水网进行单元面积的划分；结合流域下垫面产汇流特性和流域站网情况，在同一流水网合并产汇流特性相似的单元，最终将区间划分为m个子分区；利用GIS空间分析功能，以数字高程模型为基础，提取流域下垫面特征值，分析地形对径流过程的作用，为流域水文模型参数率定提供定量依据；

步骤1.2、构建预报方案：在构建预报方案时，基于GIS自动提取或人工给定模型相关的信息，包括集水面积、引用蒸发站、面雨量计算所引用的雨量站点及其计算权重、下游出口站点信息；对于河道汇流模型，提取河道上下游断面、区间入流点、河道平均汇流时间；根据河流的自然流向，沿程建立各流域产汇流分区间的水力联系，重构分区间拓扑，使上下游、左右岸的水系链接符合天然水系状态，并以此建立水文模拟分区间的水力联系；

步骤1.3、模型参数率定：根据流域特性对蒸散发和产、汇流相关参数及状态变量提供初始值；然后作次洪模型参数调试，确定模型参数；若区间流域为无资料地区，则通过移用相邻区域参数，再结合检验洪水过程对参数进行调整；河道演算部分采用分段的马斯京根法，对模型参数的率定分为两部分进行：首先进行河段的模型参数率定，然后再进行河系连续演算，将干流河段率定的参数进行再检验，评判区间降雨径流模型参数的合理性；完成方案构建与模型参数率定后，对整个流域洪水预报方案进行整体计算，进一步评价预报方案的精度，评价合格的方案可进行实际的作业预报；

所述步骤3具体为：

步骤3.1 建立库区洪水演进模型：

3.1.1 建立河道水流运动方程：

模型计算选用的描述水流运动的基本方程为：

水流连续方程（1）

水流运动方程（2）

式中：角标为断面号；为流量；为水位；为过水面积；为子区间流量；为时间；为沿流程坐标；为断面流量模数；

3.1.2 建立汊点连接方程：

1）流量衔接条件：

进出每一汊点的流量必须与该汊点内实际水量的增减率相平衡，即：

(3)

为汊点的蓄水量，如将该点概化为一个几何点，则；

2）动力衔接条件：

汊点可以概化为一个几何点，出入各个汊道的水流平缓，不存在水位突变的情况，则各汊道断面的水位应相等，即：

(4)

3.1.3 设定边界条件：

计算中不对某单一河道单独给出边界条件，而是将纳入计算范围的水库干支流河道作为一个整体给出边界条件，各干支流进口给出流量过程，模型出口给出水位过程、流量过程或水位流量关系；

步骤3.2 模型求解：采用三级解法对水流方程进行求解，首先对水流方程(1)和(2)采用普列斯曼的四点隐式差分格式进行离散，可得差分方程如下：

(5)

(6)

式中、为系数；为流量；为水位，式中系数均按实际条件推导得出；

假设某河段中有个断面，将该河段中通过差分得到的微段方程(5)和(6)依次进行自相消元，同时可将未知数集中到汊点处，即可得到该河段首尾断面的水位流量关系：

(7)

(8)

式中，，，，，为系数，由实测资料得出；、分别为河段首、尾断面流量；、分别为河段首、尾水位；

将边界条件和各河段首尾断面的水位流量关系代入汊点连接方程，建立起以水库干支流河道各汊点水位为未知量的代数方程组，求解此方程组得各汊点水位，逐步回代可得到河段端点流量以及各河段内部的水位和流量；

步骤3.3 模型参数率定：由于糙率是影响水力学模型精度的主要因素，重点结合实测资料对水库库区不同河段的糙率进行率定；

计算总体误差：

式中：为第mL个断面，n场洪水过程预测水位的平均误差； 为模型测算水位； 为实测水位；tt为第洪水场次；

第mL个断面绝对平均误差最小，则对应糙率为模型最终采用糙率值。

2.根据权利要求1所述的一种水文-水动力学耦合的河道型水库调洪演算方法，其特征在于：所述步骤2具体为：

河道演算：采用马斯京根法将第n个入库控制站流量演算至汇入点得到流量：

，

其中：分别为计算时段始、末的入流量，m³/s；分别为计算时段始、末的出流量，m³/s；；；；

、、均为权重系数，x为流量比重因素，Δt为计算时长；K为蓄量常数；

区间产汇流计算：利用步骤1的模型，对区间各子区域产汇流进行计算，得到子区间流量。