一种基于目标水位、流量的水资源计算调度方法与流程

本发明涉及一种基于目标水位、流量的水资源计算调度方法。

背景技术：

目前较大的水利系统均有较完整的调度机构，实行计划调度，普遍运用水库调度图开展水库调度。在水库水沙调度、水库预报调度、综合利用水库调度等方面都积累了一定的实践经验，在水利调度优化技术方面也已进行了探索与初步应用。

在水利行业中，往往会因为各种问题，需要进行水利调度，水利调度关系着生活中的各种问题，目前传统的水利行业的调度，一般采取依据经验性的随机应变式操作，此过程中需耗费大量的人力进行观测，对调度过程中的一些情况无法做到及时的预测，且操作过程中的可操作性、经济性、准确性、安全性等问题也存在一定的风险，甚至调度决策不当，会酿成一定的事故。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能大量的减少了人力成本，对不同的方案可以进行模拟计算，通过科学的计算，减少了对经验的依赖，提高了准确性和可靠性，通过多角度的排序，给调度更多的选择的基于目标水位、流量的水资源计算调度方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于目标水位、流量的水资源计算调度方法，包括以下步骤：

s1:将基础数据进行录入；

s2:将管道的运行状态和根数按照上游到下游进行排列组合，汇总出所有的初步方案集；

s3:对所有的方案集进行恒定流的验证，如果达不到目标，则立刻停止该方案的恒定的验证，开始下一个方案的验证，恒定流验证过程中，需根据不同的工况类型，进行不同类别的验证。

作为优选的，所述基础数据包含管道的长度、高程、桩号、流量模数、糙率、截面积、水力半径、管径、最大流速、最小流速、运行状态、各连接井、溢流构筑物的高程、桩号、溢流水位，无压隧洞净空范围以及各分水口的流量中的一种或多种数据。

作为优选的，所述验证包含有有压管道恒定流计算、明渠恒定均匀流计算、明渠水面线计算和设备的水头损失计算。

作为优选的，所述有压管道恒定流计算的方法为：

在已知上游水位或上一个节点压力时，根据能量方程，可以求出管线上各截面的动水压强：

式中：取上游截面为截面，h1为截面处的总水头；为截面间的流速水头；zi为截面形心点距基准面的位置高度即位置水头；hwi为截面间的水头损失，包括沿程水头损失hfi和局部水头损失hji，通过下式计算：

hwi＝hfi+hji；

其中沿程水头损失hfi通过达西-魏斯巴赫公式计算，而局部水头损失hji根据经验取局部水头损失系数计算，或定义比阻s0进行沿程水头损失的简化计算：

hf＝s0q²l；

其中比阻s0的计算公式为：

式中，k为流量模数；n为管道糙率；a为管道截面积；r为管道水力半径；d为管径；

通过动水压强的计算，分析出有压管道在通水过程中的压力状态，从而通过对比压力状态确认有压管道的方案是否可行。

作为优选的，所述明渠恒定均匀流计算方法为：对正坡、棱柱体、糙率不变的无压人工渠道的恒定流计算，视为明渠恒定均匀流计算；

明渠均匀流时的水深称为正常水深，以h0表示，过水断面为a0，湿周为x0，水力半径为r0；明渠均匀流水力计算的基本公式采用谢才公式：

式中i是明渠底坡，c0为谢才系数，流量模数为k；

当应用曼宁公式计算谢才系数时，上式可写为：

在以上各式中，糙率n是衡量渠道壁面粗糙情况的综合性系数；

明渠恒定流的水面线通过求解明渠渐变流的常微分方程得到：

式中if＝n²v²/r^4/3，if为能坡，b是水深h处的渠道水面宽，x沿水流运动方向；采用龙格—库塔法求解明渠渐变流的常微分方程，从出口断面向上游断面反复推算。

作为优选的，所述明渠水面线计算的方法为：对于棱柱形明渠，其恒定渐变流水面线计算的控制方程包括连续方程和运动方程，形式如下；

连续方程：

q＝av＝常数；

运动方程：

其中是水深的沿程变化，非线性项作如下变换：

得到水深沿程变化方程为：

作为优选的，计算明渠水面线时有两个参考水深：正常水深h0和临界水深hc，正常水深可以通过试算法求解；

用确定临界水深hc的计算公式为：

若正常水深h0正好等于该流量下的临界水深hc，则这个渠底坡度称为临界坡度ic，可用下式确定：

式中χc、bc、cc为对应于临界水深hc时的湿周、水面宽度和谢才系数。

作为优选的，对管线上的闸、阀的局部阻力部件，通过实验或经验给出局部水头损失系数，计算公式为：

根据管线上的闸阀开关工况，计算出局部水头损失，将计算结果用于其他工况上进行继续计算。

作为优选的，所述其他工况上进行继续计算时计算过程中过滤不合格的方案，过滤规则如下：各连接井、溢流构筑物不得出现溢流、各无压隧洞净空应满足规范要求、管道内不得出现负压、管道内的流速不得低于允许最小流速，不得大于允许最大流速；若满足上述规则，则记录下该所述方案的开闭管道，以及对应的水位。

作为优选的，对于输水系统安全的多个指标采用综合评分法进行多指标正交试验，计算公式为：

本发明的有益效果为：通过分析调度目标，制定输入目标水位、流量和当前工程的基础数据，通过方案集分析模型，水利计算模型，排序模型，预测出多个满足要求的方案详情，以及预测的水位等数据，并将方案集合实时的工况数据对比，对方案进行操作性、经济性、安全性、准确性等指标排序，以这几项指标生成最优方案集，方案集中包含了模拟的各阀门的操作情况以及水头线，将传统的人工识别变成计算机运算，将方案集呈现在调度人员面前，大大减少了对经验的依赖，提高了调度的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为管道示意图。

图2为推求水面线示意图。

图3不同底坡的水面曲线型式。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。

实施例1

一种基于目标水位、流量的水资源计算调度方法，包括以下步骤：

s1:将基础数据进行录入；

s2:再将管道的运行状态和根数按照上游到下游进行排列组合，汇总出所有的初步方案集；

s3:对所有的方案集进行恒定流的验证，如果达不到目标，则立刻停止该方案的恒定的验证，开始下一个方案的验证，恒定流验证过程中，需根据不同的工况类型，进行不同类别的验证。

在本实施例中，所述基础数据包含管道的长度、高程、桩号、流量模数、糙率、截面积、水力半径、管径、最大流速、最小流速、运行状态、各连接井、溢流构筑物的高程、桩号、溢流水位，无压隧洞净空范围以及各分水口的流量中的一种或多种数据。

在本实施例中，所述验证包含有有压管道恒定流计算、明渠恒定均匀流计算、明渠水面线计算和设备的水头损失计算。

在本实施例中，所述有压管道恒定流计算的方法为：水流在管道中流动过程中，总存在着水头损失，因此总水头h总是沿程减少的；同时管道系统的的安装走向决定其位置水头z一般也是会发生变化，再加上各管段管径的不同，使得管中流速水头也不同，这些因素将引起管线各截面上动水压强的变化。

在已知上游水位或上一个节点压力时，根据能量方程，可以求出管线上各截面的动水压强：

式中：参照图1，取上游截面为1-1截面，h1为1-1截面处的总水头。为i-i截面间的流速水头；zi为i-i截面形心点距基准面的位置高度(即位置水头)，hwi为1-1截面至i-i截面间的水头损失，包括沿程水头损失hfi和局部水头损失hji，可以通过下式计算：

hwi＝hfi+hji；

其中沿程水头损失可以通过达西-魏斯巴赫公式计算，而局部水头损失根据经验取局部水头损失系数计算

hf＝s0q²l；

在本实施例中，所述明渠恒定均匀流计算方法为：对正坡、棱柱体、糙率不变的无压人工渠道的恒定流计算，视为明渠恒定均匀流计算；

明渠均匀流时的水深称为正常水深，以h0表示，过水断面为a0，湿周为x0，水力半径为r0；明渠均匀流水力计算的基本公式采用谢才公式

式中i是明渠底坡，c0为谢才系数，流量模数为k；

当应用曼宁公式计算谢才系数时，上式可写为：

在以上各式中，糙率n是衡量渠道壁面粗糙情况的综合性系数。对于人工渠道，一般根据长期的工程经验与实验资料确定其糙率n值。

明渠恒定均匀流计算一般是推求恒定时刻的水面线，那么需要求解实际水深，可以通过上述公式，采用试算法求解。

明渠恒定流的水面线也可以通过求解明渠渐变流的常微分方程得到

式中if＝n²ν²/r^4/3，if为能坡，b是水深h处的渠道水面宽，x沿水流运动方向。采用龙格—库塔法求解这个一阶微分方程，从出口断面向上游断面反复推算。

如图2所示，设已知在x＝xi时水深为hi，那么x＝xi+1时水深为

式中

由控制断面的已知水深开始，重复应用方程(1-9)，以dx为步长就可以算出整个明渠沿程的恒定流水力要素。

该过程中，通过计算得到明渠水力要素从而可判断出明渠部分过水时是否会超出明渠的边墙高度

在本实施例中，所述明渠水面线计算的方法为：由于明渠具有自由水面，当渠底坡度改变、断面形状尺寸变化，沿程除草情况不一致等因素都会引起自由水面位置的变化，这就是水面曲线。对于棱柱形明渠，其恒定渐变流水面曲线计算的控制方程包括连续方程和运动方程，形式如下；

连续方程：

q＝av＝常数；

运动方程：

其中是水深的沿程变化，非线性项作如下变换：

将以上关系代入式(1-11)得水深沿程变化方程为

分析水面曲线时有两个参考水深：正常水深h0和临界水深hc，正常水深可以通过试算法求解。

临界水深hc为相应于断面单位能量ex最小值的水深。用式确定临界水深的计算公式为

上式为hc的隐函数形式，在已知流量及断面形状尺寸的条件下试算求解。如果正常水深h0正好等于该流量下的临界水深hc，则这个渠底坡度称为临界坡度ic，可用下式确定：

式中χc、bc、cc为对应于hc时的湿周、水面宽度和谢才系数。

明渠流动有急流、缓流、临界流三种状态，判别流态用佛汝德(fr)准则：

分析式(1-12:右端分母即为因此分母大于0为缓流，分母小于0为急流。式(1-12)右端分子也区分为这两种情况：

根据式(1-12)右端分子分母的正负号，考察的正负号，即是雍水还是降水的情况，得到以下基本水面曲线：

渠道底坡i＞ic，则h0＜hc：

h＞hc＞h0曲线s1

hc＞h＞h0曲线s2

hc＞h0＞h曲线s3

渠道底坡i＜ic，则h0＞hc：

h＞h0＞hc曲线m1

h0＞h＞hc曲线m2

h0＞hc＞h曲线m3

再考虑底坡i＝ic、i＝0、i＜0的情况，则共有十二条曲线型式如图3所示。其中，i＝0、i＜0的情况不存在正常水深。

用牛顿迭代法求解临界水深，将式(1-13)写成下面的形式：

f(hc)的导数为

根据牛顿法求根的迭代公式为

如果计算出下一步的临界水深(hc)⁺¹，等于上一步的临界水深hc，则迭代终止。实际上用|f3|≤允许误差控制。

明渠恒定渐变流水面曲线的计算公式可由(1-11)推导得到：

或写成

式中为两断面的流速、谢才系数、水力半径的平均值，断面单位能量上式又可写为

ex2＝ex1+(i-if)δx(1-22)

若已知一个断面的水深、断面间距，求另一个断面的水深h时，就是通过试算求下列方程式中函数之根h的值。

f(h)＝ex2-ex1-(i-if)δx＝0(1-23)

设初值h'为试算水深，当h'等实际水深h时，f(h)＝0，试算结束。实际上可能h'＞h或h'＜h，这时f(h)＝ε，如果误差小于允许值则试算终止。。

对于急流，控制断面在上游，则是由上游断面水深h1求相距δx距离的下游断面水深h2。式(1-22)中(ex1+iδx)是已知的，当初设值h'2＜h2时，e'x2＞ex2，i'f＞if，f(h)＞0；当初设值h'2＞h2时，e'x2＜ex2，i'f＜if，f(h)＜0。

对于缓流，控制断面在下游，则是由下游断面水深h2求相距δx距离的上游断面水深h1。式(1-22)中(ex2-iδx)是已知的，当初设值h1'＜h1时，e'x1＜ex1，i'f＞if，f(h)＞0；当初设值h1'＞h1时，e'x1＞ex1，i'f＜if，f(h)＜0。

以上两种情况都可以找到一个满足f(h)＝0的根h，就是要求的断面实际水深。

若已知上下游两个断面的流速、水深，可直接计算两断面间距而不必进行试算。

通过计算中的水面线，和设计数据进行对比，从而排除明渠水面线超过指定数值的方案。

在本实施例中，其他设备的水头损失计算方法为：对管线上的闸、阀等局部阻力部件，由于流动状态复杂，一般没有理论公式，需要通过实验或经验给出局部水头损失系数，计算公式为：

根据管线上的闸阀开关工况，可计算出局部水头损失，将计算结果用于其他工况上进行继续计算。

按照不同的工程状况，在计算过程中过滤不合格的方案，过滤规则如下

1.各连接井、溢流构筑物不得出现溢流。

2.各无压隧洞净空应满足规范要求。

3.管道内不得出现负压。

4.管道内的流速不得低于允许最小流速(不淤流速)，不得大于允许最大流速(不冲流速)。

如果方案符合过滤规则判定为合格，则记录下该方案的开闭管道，以及对应的水位。

第四步方案的排序，由于输水系统安全采用多个指标(操作性、经济性、安全性、准确性)来衡量其效果，在这样多指标试验中，控制参数构成的各个因素及其水平对各试验指标的影响往往是不同的，为了统筹兼顾，寻找使各项指标都尽可能好的条件，可以采用综合评分法的多指标正交试验。

综合评分法先根据各项指标的重要程度分别给予加权或打分，然后将多指标转化成单一的综合指标(即“综合评分”)再进行计算分析。

综合评分法的关键是确定各项指标的权值，在恒定流数值计算的试验指标中较重要的应给予较大的权值，重要性相同的指标应给予相同的权值。将各项指标转化成“综合评分”的一般公式为

式中表示第i号试验的综合评分；αk为转化系数，即将第k项指标转化为综合评分的系数。若wk表示第k项试验指标的权值，则当αk＝ckwk时，称为直接加权法，其中ck为第k项指标的缩减(扩大)系数，它的选取使各项试验指标具有大致相同的数量级。当αk＝ckwk/rk时，称为基本法，其中rk为第k项试验指标的极差。αk反映了第k项试验指标的重要程度和其他一些因素的影响。αk的正负反映了αk的性质，如果αk为正，表示指标越大越好，αk为负，则表示指标越小越好；反之，若αk为负，表示指标越大越好，为正则αk表示指标越小越好。通过极差法对多因素进行主次排序，最终选出最优组合。

最后将各方案按照指定的指标排序展示给用户。

本实施例的有益效果为：通过分析调度目标，制定输入目标水位、流量和当前工程的基础数据，通过方案集分析模型，水利计算模型，排序模型，预测出多个满足要求的方案详情，以及预测的水位等数据，并将方案集合实时的工况数据对比，对方案进行操作性、经济性、安全性、准确性等指标排序，以这几项指标生成最优方案集，方案集中包含了模拟的各阀门的操作情况以及水头线，将传统的人工识别变成计算机运算，将方案集呈现在调度人员面前，大大减少了对经验的依赖，提高了调度的质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。