一种闸门过流量计算方法

摘要

本发明公开了一种闸门过流量计算方法，预设一个过闸流量Q，借助闸门前后水位的实测值，通过水动力偏微分方程组，求解闸门前后水位的模拟值，并将其与实测值的水位误差与预设阈值比较，进而调整预设的过闸流量Q，式水位误差在预设阈值范围内，将当前预设过闸流量作为精确闸门过流量。本发明方法相对于现有的闸门过流量测量方法，具有显著的低成本高精度优势。

说明书

技术领域

本发明属于水利闸门流量测量技术领域，具体涉及一种闸门过流量计算方法。

背景技术

精准地获知过闸流量，是流域或灌区管理中的重要工作，利用闸门前后水位来计算获取河道或渠道的过闸流量，是一类常见的流量获取方法。但该方法均是借助基本的或修正的水利学公式，水利学公式属于半理论-半经验型公式，存在收缩系数等物理意义不明的经验型待定参数。即使费时费力地率定该参数，其值仍然会随着闸门前后水位的变化而变化，而非固定的数值，由此导致该类方法的精度差、应用成本高等缺点。另外，应用超声波流量计等方法，亦能获取过闸流量，但要想获取精准的过闸流量数据，目前的应用往往在10万元以上，故无法大规模应用，不适应当前“智慧水利”的发展趋势。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的闸门过流量计算方法解决了现有方法中确定闸门过流量过程费时费力的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种闸门过流量计算方法，包括以下步骤：

S1、获取河道的几何参数并构建对应的几何模型；

S2、根据河道的几何模型，构建描述过闸门水运动过程的一维Saint-Venant方程组；

S3、获取河道几何模型中上游点的实测水位ξ_up,o；

S4、设定过闸流量Q；

S5、将实测水位ξ_up,o和当前过闸流量Q作为一维Saint-Venant方程组的边界条件，对其进行求解，获得河道下游点的模拟水位ξ_down,s；

S6、获取下流点的实测水位ξ_down,o，并计算其与模拟水位ξ_down,s的水位误差值ε_down；

S7、判断水位误差值ε_down的绝对值是否小于设定阈值；

若是，则将当前设定的过闸流量Q作为闸门过流量；

若否，则调整当前设定的过闸流量Q，并返回步骤S5。

进一步地，所述步骤S1中河道的几何参数包括河道横断面的几何尺寸、纵向高程、水运动方向和闸门的位置。

进一步地，所述步骤S1中构建河道几何模型的方法具体为：

A1、将闸门所在位置作为河道几何模型的中心轴；

A2、以闸门所在位置为临界线，根据水运动方向确定河道的上游和下游；

A3、在河道上交错确定河道过闸流量Q测量点位置和水位ξ测量点位置，并使河道上游和下游的过闸流量Q测量点位置和水位ξ测量点位置关于闸门位置成轴对称，完成河道几何模型的构建。

进一步地，所述步骤S2中的一维Saint-Venant方程组为：

式中，ξ为地表水位；

t为时间坐标；

Q为河道的过流量；

x为沿河道方向的距离坐标；

u为河道的过流速度；

g为重力加速度；

A为河道的过流断面面积；

n为地表糙率；

R为河道的水力半径。

进一步地，所述步骤S5具体为：

S51、将上游点的实测水位ξ_up,o和当前过闸流量Q分别作为一维Saint-Venant方程组的上边界条件和内边界条件；

S52、沿河道纵向进行空间离散，并采用全隐式有限体积法对一维Saint-Venant方程组进行时空离散，得到空间节点上关于地表水位ξ和过流量Q₀的线性代数方程组；

S53、对线性代数方程组进行解算，得到河道几何模型中任意空间节点的水位；

S54、在任意空间节点的水位中选取与获取河道上游点的实测水位ξ_up,o时的空间节点对应的河道下游点的水位作为河道下游点的模拟水位ξ_down,s。

进一步地，所述步骤S52中，空间节点上关于地表水位ξ和过流量Q₀的线性代数方程组为：

式中，η为时间离散步长和空间离散步长平方的比值；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i-1/2对应的河道过流断面面积，其中，n为时间离散节点标号，i为空间离散节点标号；

δ为第p收敛步骤和第p+1收敛步骤之间的变量差；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i-1在第p收敛步骤中时的地表水位；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i+1/2在第p收敛步骤中时河道的过流量；

Δt为时间离散步长；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i+1/2在第p收敛步骤中时流道的过流速度；

Δx为空间离散步长；

u_i为空间离散节点i的过流速度；

α、β和λ均为线性代数系数；

其中，

进一步地，所述步骤S6中下流点的实测水位ξ_down,o的测量点与计算的模拟水位ξ_down,s在河道几何模型中为同一空间节点。

进一步地，所述步骤S7中设定的阈值为10^-3。

进一步地，当水位误差值ε_down的绝对值大于设定阈值时调整当前设定的过闸流量Q的方法具体为：

判断水位误差值ε_down是否大于0；

若是，则减小当前设定的过闸流量Q；

若否，则增大当前设定的过闸流量Q。

进一步地，所述当前设定过闸流量的减小或增大的梯度为0.001m³/s。

本发明提供的闸门过流量计算方法，借助闸门前后水位的实测值，通过水动力偏微分方程组，来精确获取闸门过流量，相对于现有的闸门过流量测量方法，具有显著的低成本高精度优势。

附图说明

图1为本发明提供闸门过流量计算方法流程图。

图2为本发明提供河道几何模型示意图。

图3为本发明提供的河道几何模型的空间离散坐标示意图。

图4为本发明提供的实施例中的河道几何尺寸示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种闸门过流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取河道的几何参数并构建对应的几何模型；

S2、根据河道的几何模型，构建描述过闸门水运动过程的一维Saint-Venant方程组；

S3、获取河道几何模型中上游点的实测水位ξ_up,o；

S4、设定过闸流量Q；

S5、将实测水位ξ_up,o和当前过闸流量Q作为一维Saint-Venant方程组的边界条件，对其进行求解，获得河道下游点的模拟水位ξ_down,s；

S6、获取下流点的实测水位ξ_down,o，并计算其与模拟水位ξ_down,s的水位误差值ε_down；

其中下流点的实测水位ξ_down,o的测量点与计算的模拟水位ξ_down,s在河道几何模型中为同一空间节点。

S7、判断水位误差值ε_down的绝对值是否小于设定阈值；

若是，则将当前设定的过闸流量Q作为闸门过流量；

若否，则调整当前设定的过闸流量Q，并返回步骤S5。

上述步骤S1中河道的几何参数包括河道横断面的几何尺寸、纵向高程、水运动方向和闸门的位置；其中，构建河道几何模型的方法具体为：

A1、将闸门所在位置作为河道几何模型的中心轴；

A2、以闸门所在位置为临界线，根据水运动方向确定河道的上游和下游；

A3、在河道上交错确定河道过闸流量Q测量点位置和水位ξ测量点位置，并使河道上游和下游的过闸流量Q测量点位置和水位ξ测量点位置关于闸门位置成轴对称，完成河道几何模型的构建(如图2所示)。

上述步骤S2中的一维Saint-Venant方程组为：

式中，ξ为地表水位(m)，ξ＝h+Z_b；其中，h为地表水深，Z_b为地表相对高程；

t为时间坐标(s)；

Q为河道的过流量(m³/s·m)；

x为沿河道方向的距离坐标(m)；

u为河道的过流速度(m/s)；

g为重力加速度(m/s²)，g＝9.8；

A为河道的过流断面面积(m²)；

n为地表糙率(m/s²)；

R为河道的水力半径(m)。

上述步骤S5具体为：

S51、将上游点的实测水位ξ_up,o和当前过闸流量Q分别作为一维Saint-Venant方程组的上边界条件和内边界条件；

S52、沿河道纵向进行空间离散(如图3所示)，并采用全隐式有限体积法对一维Saint-Venant方程组进行时空离散，得到空间节点上关于地表水位ξ和过流量Q₀的线性代数方程组；

其中，空间节点上关于地表水位ξ和过流量Q₀的线性代数方程组为：

式中，η为时间离散步长和空间离散步长平方的比值；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i-1/2对应的河道过流断面面积，其中，n为时间离散节点标号，i为空间离散节点标号；

δ为第p收敛步骤和第p+1收敛步骤之间的变量差；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i-1在第p收敛步骤中时的地表水位；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i+1/2在第p收敛步骤中时河道的过流量；

Δt为时间离散步长；

为第n+1个时间离散节点中空间离散节点i的边界i+1/2在第p收敛步骤中时流道的过流速度；

Δx为空间离散步长；

u_i为空间离散节点i的过流速度；

α、β和λ均为线性代数系数；

其中，

S53、对线性代数方程组进行解算，得到河道几何模型中任意空间节点的水位；

S54、在任意空间节点的水位中选取与获取河道上游点的实测水位ξ_up,o时的空间节点对应的河道下游点的水位作为河道下游点的模拟水位ξ_down,s。

上述步骤S7中，当水位误差值ε_down的绝对值大于设定阈值10^-3时调整当前设定的过闸流量Q的方法具体为：

判断水位误差值ε_down是否大于0；

若是，则减小当前设定的过闸流量Q；

若否，则增大当前设定的过闸流量Q。

通常当前设定过闸流量的减小或增大的梯度ΔQ为0.001m³/s。

需要说明的是，本发明方法不仅适用于河道过流量的确定，同样适用于河渠和河沟道等的过闸流量确定。

在本发明的一个实施例中，提供了利用本发明方法进行闸门过流量计算的具体实例：

在本实例中，以河北冶河灌区的鹿泉大李庄为试验点，对上述方法进行了应用。该试验点的节制闸和渠底几何尺寸见图4，其中，渠道两侧的坡度为10°，渠道横断面为水泥浆砌石抹面，故依据水力学中糙率取值表，糙率值取为0.025。基于这些渠道几何参数，采用精度为1mm的磁伸缩水位计，测量获得多组闸门上下游水位值及计算获得流量计，与此同时，采用超声波流速仪(德国FLEXIM，型号ADM5107，量程0.01～5m/s)获得下游测点处的流量值(表1)。由该表数据可知，模拟和实测的上下游水位之间具有极好的拟合度(最大平均相对误差值小于1％)，由此可获得精准的过闸流量。

表1：不同上下游水位下过闸流量的模拟与实测值及过闸流量

本发明的有益效果为：

本发明提供的闸门过流量计算方法，借助闸门前后水位的实测值，通过水动力偏微分方程组，来精确获取闸门过流量，相对于现有的闸门过流量测量方法，具有显著的低成本高精度优势。