CN110578317A - 一种水文模型水库泄水量模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水文模型水库泄水量模拟方法，属于分布式水文模型模拟应用技术领域，包括如下步骤：收集水库基本信息，采用水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量；对超过安全限制库容的下泄量进行修正，得到时段末初始下泄量，进而计算时段末初始水库库容；采用库容信息对计算所得的时段末初始水库库容和水库下泄量进行修正，得到当前时段末最终水库库容和下泄量，并记录相关状态信息，得到最终的模拟结果。该方法采用有限的水库参数信息对水库蓄水、泄水过程进行模拟，提高水文模型模拟精度；整个水库调度模拟过程简单，易于程序改进实现。

Description

一种水文模型水库泄水量模拟方法

技术领域

本发明涉及分布式水文模型模拟应用技术领域，尤其涉及一种水文模型水库泄水量模拟方法。

背景技术

分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程和机理的有效手段，也是解决许多水文实际问题的有效工具。随着人类活动的加大，对天然水循环的影响也逐渐加大。天然水循环过程可以用数学函数表达，具有一定的规律性。然而，人类活动的影响却没法数学化，具有一定的随机性。水库建设是影响河道径流过程的最重要的影响因素之一，对河道径流量有着削丰增枯的影响。在模拟河道流量的过程中，如果不考虑水库调度的影响，模拟结果同实际情况将相差甚远。在模拟水库调度过程，需要知道各水库的具体调度规则、水库的水位-库容-下泄能力曲线等信息。然而，在实际应用中这些信息收集往往比较困难，甚至没有相关信息，使得完整水库调度模拟过程比较困难。在使用水文模型进行流域水循环过程模拟的时候，一般都是年尺度乃至多年尺度的，因此如果提供一种比较简单的年尺度水库调度模拟规则使得年径流过程模拟相对精确，则能够有效提高模型模拟效率，提高准确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水文模型水库泄水量模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水文模型水库泄水量模拟方法，包括如下步骤：

S1，收集水库基本信息，包括5个水位库容信息和/或3个控制水位最大泄流量和/或2个逐月平均泄流量和/或经济社会取水量；

S2，采用现有的任意水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量；

S3，对超过安全限制库容的下泄量进行修正，使得最大下泄量不超过安全限制库容，得到时段末初始下泄量，进而计算时段末初始水库库容；

S4，采用库容信息对计算所得的时段末初始水库库容和水库下泄量进行修正，得到当前时段末最终水库库容和下泄量，并记录相关状态信息，得到最终的模拟结果。

优选地，步骤S1中：

所述使用的库容是水库5个控制水位对应的库容，按照前面的库容完全包含后面的库容关系排列顺序为：总库容、设计洪水水位库容、正常蓄水位库容、防洪限制水位库容、死库容；

所述控制水位最大泄流量用于控制当水位位于对应水位线区间的时候最大所能***的流量，包括校核洪水位以下最大泄流量、设计洪水位以下最大泄流量和正常蓄水位以下最大泄流量；其中所述校核洪水位以下最大泄流量是高于设计洪水位的最大泄流量；设计洪水位以下最大泄流量是水位低于设计洪水位高于正常蓄水位的最大泄流量；正常蓄水位以下最大泄流量是水位低于正常蓄水位高于死水位最大泄流量；低于死水位的最大泄流量为0；且校核洪水位以下最大泄流量>设计洪水位以下最大泄流量>正常蓄水位以下最大泄流量。

如果能够收集到水库的水位-库容-下泄能力曲线信息，则可以由该曲线直接计算特定水位的库容和下泄能力，替代上述概化处理。

优选地，步骤S1中所述逐月平均泄流量包括发电泄流量或最小生态流量，发电泄流量和最小生态流量是多年月平均值，表征逐月发电泄水和生态需水的状况；

所述经济社会取水量是从水库中取水用于工业、农业、生活的水量；该部分用水一般是年尺度的，需要向下尺度化，满足模型最小时间尺度要求。

优选地，S2包括如下步骤：

S201，所述当前时段水库入流量的模拟方法是：采用水文模型或统计方程模拟计算当日所有汇入当前水库的河流流量，作为水库入流；

水库蒸发量大模拟方法是：采用彭曼公式计算水面蒸发能力，作为水库蒸发最大值。

S202，计算当前时段初水库库容，其计算公式为：当前时段初水库库容＝上时段末水库库容+当前时段河道流入量-当前时段水库蒸发量-当前时段经济社会取水量；

S203，安全限制库容为保证水库安全所规定的限制水位对应的库容，汛期限制库容为防洪限制水位，非汛期限制水位为正常蓄水位；对比限制库容和时段末初始水库库容，如果时段末初始水库库容安全超过限制库容，则超限下泄量＝时段末初始水库库容-限制库容，如果不超过，则超限下泄量＝0。

优选地，步骤S3包括如下步骤：

S301，首先，使用最小生态流量对步骤S2中计算的超限下泄量进行修正，使得水库下泄量不小于当月最小生态下泄量，即如果超限下泄量小于最小生态流量则当前步骤水库下泄量＝最小生态下泄量，否则当前步骤水库下泄量＝S2步骤的超限下泄量；

S302，其次，使用发电泄水量对步骤S301计算的水库下泄量进行修正，使得水库下泄量不小于当月发电泄水量，即如果S301计算的水库下泄量小于发电泄水量，则当前步骤计算水库下泄量＝发电泄水量，否则等于S301计算下泄量；需要注意的是，如果没提供发电泄水量，则本步骤不执行；

S303，最后，计算得到时段末初始下泄量。

优选地，步骤S303包括如下步骤：

根据时段末初始水库库容同5个水库特征库容进行对比，得到当前库容所位于的库容区间，并计算得到对应库容的最大泄流控制量；如果收集到了水库的水位-库容-下泄能力曲线，则可通过该曲线根据时段末初始水库库容直接计算得出最大泄流控制量；使用最大泄流控制量对步骤S302计算的水库时段末初始下泄量进行修正，使得水库下泄量不大于最大泄流控制量。

优选地，步骤S4包括如下步骤：

S401,当计算的时段末初始水库库容大于总库容时，则修正水库下泄量＝水库下泄量+时段末初始水库库容-总库容，并设置时段末初始水库库容＝总库容，记录水库蓄满溢流状态信息，结束步骤S4；否则进入步骤S402；

S402，当计算的时段末初始水库库容大于鞥有死库容时，结束步骤S4；否则进入步骤S403；

S403，当初始水库下泄量大于死库容和时段末初始水库库容的差额时，则减小水库下泄流量，补足差额进行修正，即修正水库下泄量＝水库下泄量+时段末初始水库库容-死库容，并设置时段末最终水库库容＝死库容，结束步骤S4；否则修正时段末初始水库库容＝时段末初始水库库容+水库下泄量，并设置最终水库下泄量＝0，进入步骤S404；

S404，当计算的修正时段末初始水库库容大于0时，则时段末最终水库库容＝修正时段末初始水库库容，结束步骤S4；否则进入步骤S405；

S405，当水库蒸发量能够满足水库库容负数亏缺时，则修正水库蒸发量＝水库蒸发量+时段末初始水库库容，并设置时段末最终水库库容＝0，记录水库耗干无水状态信息，结束步骤S4；否则修正时段末最终水库库容＝时段末初始水库库容+水库蒸发量，并设置水库蒸发量＝0，进入步骤S406；

S406，当经济社会取水量能够满足水库库容负数亏缺，则修正经济社会取水量＝经济社会取水量+时段末初始水库库容，并设置时段末最终水库库容＝0，记录经济社会取水亏缺量＝时段末初始水库库容绝对值，记录水库耗干无水状态信息，结束步骤S4；否则修正时段末最终水库库容＝时段末初始水库库容+经济社会取水量，修正经济社会取水量亏缺＝经济社会取水量，并设置经济社会取水量＝0，记录水库负库容状态信息。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种水文模型水库调度模拟方法，该方法采用有限的水库参数信息对水库蓄水、泄水过程进行模拟，提高水文模型模拟精度；整个水库调度模拟过程简单，易于程序改进实现。

附图说明

图1是本发明提供的水文模型水库调度模拟方法流程图；

图2是本发明需要收集的水库参数信息；

图3是水库下泄量以及水库实际泄水量确定逻辑图；

图4是实施例2中水库调度模拟程序流程图。

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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种水文模型水库泄水量模拟方法，包括如下步骤：

S1，根据水库设计文件或实际运行报告等资料，收集水库基本信息，主要包括5个水位库容信息(总库容、设计洪水水位库容、正常蓄水位库容、防洪限制水位库容、死库容)，3个控制水位最大泄流量(校核洪水位以下最大泄流量、设计洪水位以下最大泄流量、正常蓄水位以下最大泄流量)，2个逐月平均泄流量(发电泄流量、最小生态流量)，以及经济社会取水量；

S2，采用模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初始水库库容以及超过安全限制库容的下泄量；

S3，根据当月发电泄流量、最小生态流量以及控制水位最大泄流量对超过安全限制库容的下泄量进行修正，得到时段末初始泄流量；

S4，采用水库总库容、死库容等信息对计算所得的时段末水库库容和水库下泄量进行修正，得到当前时段末的水库库容和下泄量，并计算相关状态信息，得到最终的模拟结果。

首先，根据步骤S1，收集水库基本信息，其中5个水库水位库容相关关系如图2所示，其中总库容>设计洪水位库容>正常蓄水位库容≥防洪限制水位库容>死库容。3个最大泄水控制量Qmax1为库容位于总库容和设计洪水位库容之间的最大泄水控制量，Qmax2为库容位于设计洪水位库容和正常蓄水位库容之间的最大泄水控制量，Qmax3为库容位于正常蓄水位库容和死库容之间的最大泄水控制量。收集逐月平均发电泄水量，可无数据，表示不发电泄水。收集逐月最小生态流量，该流量可由Tennet等方法计算得出。收集经济社会用水，并根据计算时间尺度完成年用水量向下尺度化展布。

其次，根据步骤S2计算时段初水库库容和超限水位的水量。此处，时段初水库库容＝上时段末水库库容+本时段河道入流量-本时段水库蒸发量-本时段经济社会取水量；超限泄水量为超过水库限制水位库容的库容，即，如果时段初水库库容小于限制库容，则超限泄水量＝0，否则，超限泄水量＝时段初水库库容-限制库容。这里需要说明的是，在汛期使用防洪限制水位库容作为限制库容，非汛期使用正常蓄水位库容作为限制库容

第三，采用超限泄水量、发电泄水量、最小生态基流量、最大下泄控制量计算初始水库下泄量，并根据时段初水库库容修正初始时段末水库库容。其中，超限泄流量、发电泄流量、最小生态流量三者取最大值，然后同最大下泄控制量取最小值得到初始水库下泄量，如果图3所示。这里需要说明的是，如果没有发电泄流量，则不考虑。如果没有最大下泄控制量，则不进行最大下泄控制。根据时段初水库库容判别最大下泄控制量，即如果小于死库容，则等于0；如果小于正常蓄水位库容，则等于Qmax3；此外采用初始时段末水库库容同总库容、设计洪水位库容和正常蓄水位库容进行判定位于的范围，然后采用线程插值得出。

第四，对计算所得的初始水库下泄量以及初始时段末水库库容按是否超过总库容、是否小于死库容两种情况进行修正。如果超过总库容，则将超出的部分加入到初始水库下泄量中得到最终下泄量；如果小于死库容则通过减小水库泄水量进行修正；如果修正后的库容小于0，则通过减小蒸发量和经济社会取水量进行修正，尽量使得水库库容不为负。

实施例2

本实施例基于实施例1中的方法，将该方法嵌入水文模型中，实现水库调度泄水过程的模拟。

本实施例主要列出了水库调度泄水过程的模拟流程图，如图4所示，具体的程序实现根据所嵌入模型的语言而定。其中V的单位为m³，Q的单位为m³/s，T的单位为s，值为模型基本时间单位内的秒数，用于计算时段内流量和体积的转化，例如逐日模拟时T＝86400s。

首先，需要采用水文模型计算得出当前时段河道流入量、水库蒸发量以及经济社会取水量，通过累加上时段末水库库容得到一个本时段初始水库库容V0。

第二，为保证水库安全，对计算的初始水库库容V0根据限制水库库容计算超过限制库容需要***的部分作为初始的泄水量Q0。如果V0超过限制库容，则Q0＝(V0-限制库容)/T；如果不超过，则Q0＝0。其中，非汛期使用正常蓄水位作为限制水位，汛期使用防洪限制水位作为限制水位。

第三，使用本时段当月最小生态流量作为限制条件进行修正，使得水库下泄量不小于当前最小生态流量，即Q1＝max(Q0，最小生态流量)。

第四，根据是否提供发电泄水量对Q1进行修正，得到泄水量Q2。如果没有提供发电水量，则Q2＝Q1；如果提供，则Q2＝max(Q1，发电流量)。

第五，根据是否提供最大下泄流控制流量对Q2进行修正，得到泄水量Q3。如果没有提供最大泄流控制流量，则Q3＝Q2。如果提供，则根据初始库容V0进行判断，当V0低于死库容时，Qmax＝0；当V0低于正常蓄水位库容时，Qmax＝正常蓄水位以下最大泄流量；当V0大于正常蓄水位库容时，采用线性插值方法根据初始水库库容V0和不同特征库容及对应最大泄流量计算得出Qmax；然后，修正Q3＝min(Q2，Qmax)。这里需要注意的是，如果收集数据时直接拿到水位-库容-泄流能力曲线，则直接采用该曲线计算V1库容所对应的最大泄流能力Qmax。

第六，计算时段末初始水库库容V1＝时段初库容V0-水库下泄量Q3*T。

第七，判断水库库容V1是否大于总库容，如果大于，则计算时段末水库下泄量Q＝水库下泄量Q3+(时段末水库库容V1-总库容)/T，计算时段末水库库容V＝总库容，记录水库蓄满溢流状态信息，结束当前时段模拟；如果不大于，则继续后续步骤。

第八，判断水库库容V1是否小于死库容，如果不小于死库容，则计算时段末水库库容V＝V1，计算时段末水库下泄量Q＝Q3，结束当前时段模拟；如果小于，则继续后续步骤。

第九，由于水库库容V1小于死库容，首先通过减小下泄满足死库容要求。一般情况下死库容以下是没有泄流量的。如果水库下泄量Q3能够满足死库容减去V1的差额，则计算时段末水库下泄量Q＝Q3+(V1-死库容)/T，计算时段末水库库容V＝死库容，结束当前时段模拟；如果水库下泄水量不能满足差额，计算时段末修正水库库容V2＝V1+Q3*T，计算水库下泄量Q＝0，继续后续步骤。

第十，判断时段末修正水库库容V2是否小于0，如果不小于0，则计算时段末水库容V＝V2，结束当前时段模拟；如果仍小于0，则继续后续步骤。

第十一，采用消减水库蒸发的方式满足水库库容为负的亏缺。如果蒸发量能够满足库容亏缺，则修正水库蒸发量＝水库蒸发量+时段末水库库容V2，计算时段末水库库容V＝0，记录水库耗干无水状态信息；如果蒸发量仍无法满足亏缺，则计算时段末水库库容V3＝V2+水库蒸发量，设置水库蒸发量等于0，继续后续步骤。

第十二，采用消减经济社会取水的方式满足水库为负的亏缺。如果经济社会取水能够满足库容亏缺，则修正经济社会取水量＝经济社会取水量+时段末水库库容V3，计算时段末水库库容V＝0，记录经济社会取水亏缺量V3，记录水库耗干无水状态信息；如果经济社会取水不能够满足亏缺，则计算时段末水库库容V＝时段末水库库容V3+经济社会取水量，记录经济社会取水亏缺量＝经济社会取水量，设置经济社会取水量＝0，记录水库负库容状态信息。结束当前时段模拟。

Claims (7)

1.一种水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，收集水库基本信息，包括5个水位库容信息和/或3个控制水位最大泄流量和/或2个逐月平均泄流量和/或经济社会取水量；

S2，采用水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量；

S3，对超过安全限制库容的下泄量进行修正，得到时段末初始下泄量，进而计算时段末初始水库库容；

S4，采用库容信息对计算所得的时段末初始水库库容和水库下泄量进行修正，得到当前时段末最终水库库容和下泄量，并记录相关状态信息，得到最终的水库泄水量模拟结果。

2.根据权利要求1所述的水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，步骤S1中：

所述使用的库容是水库5个控制水位对应的库容，按照前面的库容完全包含后面的库容关系排列顺序为：总库容、设计洪水水位库容、正常蓄水位库容、防洪限制水位库容、死库容；

所述控制水位最大泄流量用于控制当水位位于对应水位线区间的时候最大所能***的流量，包括校核洪水位以下最大泄流量、设计洪水位以下最大泄流量和正常蓄水位以下最大泄流量；其中所述校核洪水位以下最大泄流量是高于设计洪水位的最大泄流量；设计洪水位以下最大泄流量是水位低于设计洪水位高于正常蓄水位的最大泄流量；正常蓄水位以下最大泄流量是水位低于正常蓄水位高于死水位最大泄流量；低于死水位的最大泄流量为0；且校核洪水位以下最大泄流量>设计洪水位以下最大泄流量>正常蓄水位以下最大泄流量；

如果能够收集到水库的水位-库容-下泄能力曲线信息，则可以由该曲线直接计算特定水位的库容和下泄能力，替代上述概化处理。

3.根据权利要求1所述的水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，步骤S1中所述逐月平均泄流量包括发电泄流量或最小生态流量，发电泄流量和最小生态流量是多年月平均值，表征逐月发电泄水和生态需水的状况；

所述经济社会取水量是从水库中取水用于工业、农业、生活的水量；该部分用水一般是年尺度的，需要向下尺度化，满足模型最小时间尺度要求。

4.根据权利要求1所述的水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：

S201，所述当前时段水库入流量的模拟方法是：采用水文模型或统计方程模拟计算当日所有汇入当前水库的河流流量，作为水库入流；

S202，计算当前时段初水库库容，其计算公式为：当前时段初水库库容＝上时段末水库库容+当前时段河道流入量-当前时段水库蒸发量-当前时段经济社会取水量；

S203，安全限制库容为保证水库安全所规定的限制水位对应的库容，汛期限制库容为防洪限制水位，非汛期限制水位为正常蓄水位；对比限制库容和时段末初始水库库容，如果时段末初始水库库容安全超过限制库容，则超限下泄量＝时段末初始水库库容-限制库容，如果不超过，则超限下泄量＝0。

5.根据权利要求1所述的水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：

S301，首先，使用最小生态流量对步骤S2中计算的超限下泄量进行修正，使得水库下泄量不小于当月最小生态下泄量，即如果超限下泄量小于最小生态流量则当前步骤水库下泄量＝最小生态下泄量，否则当前步骤水库下泄量＝S2步骤的超限下泄量；

S302，其次，使用发电泄水量对步骤S301计算的水库下泄量进行修正，使得水库下泄量不小于当月发电泄水量，即如果S301计算的水库下泄量小于发电泄水量，则当前步骤计算水库下泄量＝发电泄水量，否则等于S301计算下泄量；需要注意的是，如果没提供发电泄水量，则本步骤不执行；

S303，最后，计算得到时段末初始下泄量。

6.根据权利要求5所述的水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，步骤S303包括如下步骤：

根据时段末初始水库库容同5个水库特征库容进行对比，得到当前库容所位于的库容区间，并计算得到对应库容的最大泄流控制量；如果收集到了水库的水位-库容-下泄能力曲线，则可通过该曲线根据时段末初始水库库容直接计算得出最大泄流控制量；使用最大泄流控制量对步骤S302计算的水库时段末初始下泄量进行修正，使得水库下泄量不大于最大泄流控制量。

7.根据权利要求1所述的水文模型水库泄水量模拟方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：

S401,当计算的时段末初始水库库容大于总库容时，则修正水库下泄量＝水库下泄量+时段末初始水库库容-总库容，并设置时段末初始水库库容＝总库容，记录水库蓄满溢流状态信息，结束步骤S4；否则进入步骤S402；

S402，当计算的时段末初始水库库容大于等于死库容时，结束步骤S4；否则进入步骤S403；

S403，当初始水库下泄量大于死库容和时段末初始水库库容的差额时，则减小水库下泄流量，补足差额进行修正，即修正水库下泄量＝水库下泄量+时段末初始水库库容-死库容，并设置时段末最终水库库容＝死库容，结束步骤S4；否则修正时段末初始水库库容＝时段末初始水库库容+水库下泄量，并设置最终水库下泄量＝0，进入步骤S404；

S404，当计算的修正时段末初始水库库容大于0时，则时段末最终水库库容＝修正时段末初始水库库容，结束步骤S4；否则进入步骤S405；

S405，当水库蒸发量能够满足水库库容负数亏缺时，则修正水库蒸发量＝水库蒸发量+时段末初始水库库容，并设置时段末最终水库库容＝0，记录水库耗干无水状态信息，结束步骤S4；否则修正时段末最终水库库容＝时段末初始水库库容+水库蒸发量，并设置水库蒸发量＝0，进入步骤S406；

S406，当经济社会取水量能够满足水库库容负数亏缺，则修正经济社会取水量＝经济社会取水量+时段末初始水库库容，并设置时段末最终水库库容＝0，记录经济社会取水亏缺量＝时段末初始水库库容绝对值，记录水库耗干无水状态信息，结束步骤S4；否则修正时段末最终水库库容＝时段末初始水库库容+经济社会取水量，修正经济社会取水量亏缺＝经济社会取水量，并设置经济社会取水量＝0，记录水库负库容状态信息。