一种待建水库来流资料时间尺度的选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种待建水库来流资料时间尺度的选择方法，包括同气候区已知详细来流资料的相似水库资料的搜集，将搜集到的来流资料的概化，并以此作为水库水温数值模拟计算的边界条件进行水温计算，再对关心区域模拟的水温分布结果进行提取，并进行相关性分析等步骤，根据同气候区相似水库之间的来流边界对水库水温分布的影响基本相同的原则，最终确定待建水库来流资料时间尺度。本发明根据同气候区、相似水库的来流边界对水库水温分布的影响基本相似的原则，推断出精确模拟待建水库(未知详细来流资料的水库)关心区域水温分布所必须的最大的来流资料时间尺度，能够兼顾经济性及水库水温模拟结果精确性，有利于推广使用。
【专利说明】一种待建水库来流资料时间尺度的选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过已知详细来流资料的水库模拟结果推测同气候区域、相似的 待建水库（未知详细来流资料）来流资料时间尺度的方法，具体涉及一种待建水库来流资 料时间尺度的选择方法。
【背景技术】
[0002] 水能资源是清洁的可再生资源，在河流上筑坝建库，是开发利用水能资源时常见 的工程措施。水库的修建一方面带来了防洪、发电、灌溉、航运、水产养殖和旅游等一系列综 合效益，另一方面，水库的修建对水质和生态环境也将产生一定的影响，水体温度即是其中 一个重要的基础指标。水库蓄水后将改变原有天然河道水温的时空分布，特别是大型水库 的建成将对库区水体的水文参数、流动状态以及热量输运过程造成很大影响。为了充分发 挥水利工程的综合效益，把不利影响降到最低限度，需要进行大量分析研究工作，分析水库 建成后水温分布的影响因素和变化规律，准确预测水温的时空分布。
[0003] 水库水温的主要影响因素包括水库来流、太阳辐射和气温、风、取水口位置、水库 规模和地形条件及运行方式等。在特定的区域，水库来流、水库规模对水温分布的影响较 大，当水库的规模、形状一定时，水库来流的影响不容忽略。而其中水库来流资料包括流量 资料和水温资料。在研究库区水温分布时，来流资料的精确性、详尽性是准确模拟水库水温 分布的基础。然而在实际工程中，尤其是对于规划中的待建水库，所能拿到的来流资料往往 不够详尽，而去获取尽可能详尽的资料时又比较耗时耗力，即经济性和模拟精确性相互矛 盾，需要在两者之间寻求一种较好的平衡。而由于研究目的的不同，对于水库中关心区域水 温分布需要精确模拟，而对于不关心的区域的模拟结果则显得不是特别重要，而不同时间 尺度下的水库来流资料对水库不同区域水温分布影响不同，即不同时间尺度下水库某个区 域水温分布可能相同，而在另一个区域也不同，而前人的研究主要集中于分析水库水温分 布的规律，而对不同来流资料时间尺度下水库水温分布精确性分析较少。因此，目前需要一 种可以分析不同来流资料时间尺度下模拟水温分布结果精确性的方法，而同气候区、相似 水库的来流边界对水库水温分布的影响基本相似，由此可以根据不同的研究目的，推断出 精确模拟待建水库（未知详细来流资料的水库）关心区域水温分布所必须的最大的来流资 料时间尺度。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够兼顾经济性及 水库水温模拟结果精确性的待建水库的来流资料时间尺度的选择方法。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明的一种待建水库来流资料时间尺度的选择方 法，具体步骤如下：
[0006] 步骤1，搜集资料，根据同气候区、相似水库的来流资料对水温分布的影响基本相 似的原则，收集与待建水库所处同气候区并相似的已知详细来流资料的水库的资料，其中 包括来流资料、气候资料、辐射资料、地形资料；
[0007] 步骤2,搜集到的来流资料包括来流流量和来流水温，将来流水温及来流流量分别 概化为月平均来流水温、季平均来流水温、期平均来流水温和月平均来流流量、季平均来流 流量、期平均来流流量。此即为设计的不同来流时间尺度下水温工况及流量工况；
[0008] 步骤3,结合搜集到的最详细的来流流量资料，将以上三种概化的来流水温资料分 别作为水库水温数值模拟计算的边界条件，模拟不同来流水温边界条件下水库水温分布情 况；
[0009] 步骤4,根据研究的目的，提取关心区域的水温分布数据，在垂向上，按等高度通过 (M+1)个点将水体分成M层，提取各点上的月平均水温计算特征值，M为整数；
[0010] 步骤5,结合统计学中分析数学模型的优势，分析不同时间尺度下来流水温与不同 高程点处水温之间的相关关系；
[0011] 步骤6,将月平均来流水温边界下来流水温与研究区域处水温之间相关关系分析 结果作为基准，分别与其它时间尺度下的来流水温与研究区域处水温之间相关关系分析结 果比较，以此作为模拟结果是否精确的依据；
[0012] 步骤7,根据步骤6中的比较结果，提出合适的模拟对象水库来流水温的时间尺 度；
[0013] 步骤8,结合最详细的来流水温资料，将以上三种概化的来流流量资料分别作为数 值模拟计算的边界条件，模拟不同来流流量边界条件下水库水温分布情况；
[0014] 步骤9,重复步骤4?步骤7,提出合适的模拟对象水库来流流量的时间尺度；
[0015] 步骤10,因为来流资料时间尺度越大，则模拟的结果则越不精确，结合以上分析， 则若要求精确模拟水库水温分布，其来流资料的最大时间尺度则为上述分别分析的最大来 流水温时间尺度及最大来流流量时间尺度的较小值，并根据同气候区相似水库的来流对水 库水温分布的影响相似的原则，则为精确模拟未知详细来流资料的待建水库的水温分布， 其来流资料最大时间尺度即为上述的相似水库来流资料的最大时间尺度。
[0016] 所述步骤1中，还要搜集本流域气候资料、太阳辐射资料、地形资料、运行管理资 料，所述气候资料和太阳辐射资料可以在中国国家气候网站上面下载，所述地形资料在国 家地理信息网站下载，所述运行管理资料可以由工程运行管理人员提供。
[0017] 所述步骤3中，将来流边界条件分为定来流流量、变来流水温和定来流水温、变来 流流量这两类工况，再将定来流流量与三种变来流水温分别搭配，组成三组定来流流量、变 来流水温工况；将定来流水温与三种变来流水温分别搭配，组成三组定来流水温、变来流流 量工况，一共组成六种试验工况；以上述六种来流工况作为数值模拟的边界条件，可以得到 三组定来流流量计算结果和三组定来流水温计算结果。
[0018] 所述步骤5中，以关心区域水温分布模拟结果的精度作为选择水库来流资料时间 尺度的基础。
[0019] 所述步骤4中，M取值范围是4彡M彡400,主要受关心区域处的水深及水温分布 情况决定，每层的高度通常为20米以内。
[0020] 本发明公开了一种待建水库来流资料时间尺度的选择方法，包括同气候区已知详 细来流资料的相似水库资料的搜集，将相似水库详细的来流水温及来流流量资料分别概化 为月平均来流水温、季平均来流水温、期平均来流水温和月平均来流流量、季平均来流流 量、期平均来流流量两类来流工况，并将这两种来流工况分别作为水库水温数值模拟计算 的边界条件，模拟不同来流水温边界条件及不同来流流量边界条件下水库水温分布情况， 再对关心区域模拟的水温分布结果进行提取，并进行相关性分析等步骤，根据同气候区相 似水库之间的来流边界对水库水温分布的影响基本相同的原则，最终确定待建水库来流资 料时间尺度。本发明根据同气候区、相似水库的来流边界对水库水温分布的影响基本相似 的原则，推断出精确模拟待建水库（未知详细来流资料的水库）关心区域水温分布所必须 的最大的来流资料时间尺度，能够兼顾经济性及水库水温模拟结果精确性，有利于推广使 用。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为日来流流量、月来流水温工况下坝前水温分布图；
[0022] 图2日来流流量、季来流水温工况下坝前水温分布图；
[0023] 图3日来流流量、期来流水温工况下坝前水温分布图；
[0024] 图4水库坝前垂向等高度点分布图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作更进一步说明。
[0026] -种待建水库来流资料时间尺度的选择方法，包括以下步骤：
[0027] 1搜集资料，主要收集与待建水库同气候区并且已有详细来流资料水库的来流资 料。除此，还要搜集本流域气候资料、太阳辐射资料、地形资料、运行管理资料等，当然，对于 气候资料和太阳辐射资料可以在中国国家气候网站上面下载，地形资料在国家地理信息网 站下载，运行管理资料可以由工程运行管理人员提供；
[0028] 2概化来流资料。来流资料一般包括两方面：来流流量和来流水温。根据前人的 研究成果表明：同等外部条件下，日平均来流边界条件模拟结果与月平均来流边界条件模 拟结果基本一致。因此将来流水温资料和来流流量资料分别概化成月平均值、季平均值和 期平均值，结合已知的来流流量资料，将来流水温资料概化为日平均来流流量下的月平均 来流水温、季平均来流水温和期平均来流水温三种边界情况及将来流流量资料概化为日平 均来流水温下的月平均来流流量、季平均来流流量和期平均来流流量三种边界情况。
[0029] 3由于来流资料包含两方面资料：来流水温资料和来流流量资料，根据步骤2所 述，将来流边界条件分为定来流流量、变来流水温和定来流水温、变来流流量这两类工况， 再将定来流流量与三种变来流水温分别搭配，组成三组定来流流量、变来流水温工况；将定 来流水温与三种变来流水温分别搭配，组成三组定来流水温、变来流流量工况，一共组成六 种试验工况。以上述六种来流工况作为数值模拟的边界条件，可以得到三组定来流流量计 算结果和三组定来流水温计算结果；
[0030] 4根据研究的需要，选择关心的研究区域中的水库水温分布，并在垂向上，将所选 区域等高度分为M个区域，则在中心剖面与关心区域横断面交接面处出现（M+1)个点，从水 面处起分别记为点1、点2直至点（M+1)，不同高程点代表其所处位置附近的区域。一般M 取值范围是4 < M < 400,每层的高度通常为20米以内。如图4所示，提取不同时间尺度来 流边界条件下个各点的月平均水温值；
[0031] 5结合统计分析中的相关关系数学模型，在定入流流量、变入流水温工况中，将入 流水温和各个点水温分别设为两个变量，分析入流水温与不同高程点水温之间的相关关 系，相关关系具体表述如下：
[0032] 在分析两个变量之间严格的依存关系，也就是具有确定性的对应关系时，一般可 以用一个数学表达式反映，但对于变量在数值上没有严格的依存关系，也就是两者之间不 具有确定性的对应关系，这种关系就称为相关关系，其密切程度可以用不同的相关系数来 反映，对于正态分布或者接近正态分布的两个变量之间可以通过Pearson相关系数来体 现。
[0033] 用R表示样本相关系数，用P表示总体相关系数，则其表达式分别为：
【权利要求】
1. 一种待建水库来流资料时间尺度的选择方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤1，搜集资料，收集与待建水库所处同气候区并相似的已知详细来流资料的水库的 资料，包括来流资料、气候资料、辐射资料、地形资料； 步骤2,搜集到的来流资料包括来流流量和来流水温，将来流水温及来流流量分别概 化为月平均来流水温、季平均来流水温、期平均来流水温和月平均来流流量、季平均来流流 量、期平均来流流量； 步骤3,结合搜集到的己知详细来流资料的水库最详细的来流流量资料，将以上三种概 化的来流水温资料分别作为水库水温数值模拟计算的边界条件，模拟不同来流水温边界条 件下水库水温分布情况； 步骤4,提取关心区域的水温分布数据，在垂向上，按等高度通过（M+1)个点将水体分 成Μ层，提取各点上的月平均水温计算特征值，Μ为整数； 步骤5,结合统计学中分析数学模型，分析不同时间尺度下来流水温与不同高程点处水 温之间的相关关系； 步骤6,将月平均来流水温边界下来流水温与研究区域处水温之间相关关系分析结果 作为基准，分别与其它时间尺度下的来流水温与研究区域处水温之间相关关系分析结果比 较，以此作为模拟结果是否精确的依据； 步骤7,根据步骤6中的比较结果，提出合适的模拟对象水库来流水温的时间尺度； 步骤8,结合搜集到的已知详细来流资料的水库的最详细的来流水温资料，将以上三种 概化的来流流量资料分别作为数值模拟计算的边界条件，模拟不同来流流量边界条件下水 库水温分布情况； 步骤9,重复步骤4?步骤7,提出合适的模拟对象水库来流流量的时间尺度； 步骤10,确定适合模拟对象水库的来流边界条件为上述分析结果中来流时间尺度较小 的值，待建水库来流资料时间尺度至少为上述的来流资料时间尺度的较小值。
2. 根据权利要求1所述的待建水库来流资料时间尺度的选择方法，其特征在于：所述 步骤1中，还要搜集本流域气候资料、太阳辐射资料、地形资料、运行管理资料，所述气候资 料和太阳辐射资料可以在中国国家气候网站上面下载，所述地形资料在国家地理信息网站 下载，所述运行管理资料可以由工程运行管理人员提供。
3. 根据权利要求1所述的待建水库来流资料时间尺度的选择方法，其特征在于：所述 步骤3中，将来流边界条件分为定来流流量、变来流水温和定来流水温、变来流流量这两类 工况，再将定来流流量与三种变来流水温分别搭配，组成三组定来流流量、变来流水温工 况；将定来流水温与三种变来流水温分别搭配，组成三组定来流水温、变来流流量工况，一 共组成六种试验工况；以上述六种来流工况作为数值模拟的边界条件，可以得到三组定来 流流量计算结果和三组定来流水温计算结果。
4. 根据权利要求1所述的待建水库来流资料时间尺度的选择方法，其特征在于：所述 步骤5中，以关心区域水温分布模拟结果的精度作为选择水库来流资料时间尺度的基础。
5. 根据权利要求1所述的待建水库来流资料时间尺度的选择方法，其特征在于：所述 步骤4中，Μ取值范围是4彡Μ彡400,每层的高度为20米以内。
【文档编号】G06Q50/06GK104240146SQ201410432418
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】陈辉, 陈波, 董壮, 梅家鹏 申请人:河海大学