一种基于克里金插值水库水位‑库容实时计算方法

摘要

本发明公开了一种基于克里金插值水库水位‑库容实时计算方法，利用水库建设时期设计方提供的大尺度的水位‑库容曲线数据为样本数据，通过实测的实时水位数据，采用克里金插值方法计算得出实时的库容数据，本发明方法可以反映出水库水位和库容非单调复杂关系，与传统方法进行库容复核结果相比误差较小，可以应用于生产实际。

说明书

技术领域

本发明涉及混流式水轮机下尾水管的装置，属于水轮机尾水管辅助检修装置领域。

背景技术

水库的库容是水利枢纽设计与运行管理的重要参数之一，而库容无法直接测量获得，需要根据对应水库水位量算得到。水库的水位-库容间关系是非线性的。在水库建设的论证、设计阶段，会根据相应的航测地形图等资料量算得到水位库容结果，如三峡库容计算成果是由长江委利用国家测绘局的1：50000航测地形图利用求积仪量算库容的基础上综合分析形成的，而且这些库容数据都是根据水位分段计算和绘制的，比如三峡的库容数据为5米至10米的水位间隔计算得来。如何根据实时的水位计算得出相应的库容数据是一直困扰水库调度和预报业务人员的一个难题，传统方法根据水库设计方提供的大尺度的水位-库容曲线，通过实时观测的水位采用临近线性插值方法计算获得对应的库容，但该方法计算获得库容数据精度不高。鉴于此，有必要寻求一种可以根据实时的水库坝前水位换算得出实时的水库库容的计算方法，方便了解实时的库容变化情况，并制定相应的水库调度方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于克里金插值水库水位-库容实时计算方法，该方法能够快速、准确的根据当前实时水位计算得出当前水库的库容。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于克里金插值水库水位-库容实时计算方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤1：将样本数据按照数据间距离进行分组，根据设计院提供的死库容水位、防洪最高的警戒水位以及中间多个特征水位对应的库容数据，根据这些样本数据计算这些数据点间的距离，然后根据计算所得的数据点的距离的大小进行排序，并按照距离值进行分组；

步骤2：计算获得不同距离值对应的变差函数值，变差函数跟样本数据间的距离变量存在一定的关系，将步骤1获得分组距离值，根据变差函数算出不同距离值对应的变差函数的值，并组成系数矩阵，其中，变差函数计算公式：

式中：x_i为区域上的一系列观测点；h为滞后距；n(h)为滞后距为h的样本点总数；z(x_i)为z是观测点x_i的区域化变量属性值；r^*(h)为距离h对应的变差函数值；

步骤3：求解变差函数模型，根据步骤2获得的不同距离以及对应的变差函数值，选择相应的变差函数理论模型(一般采用球状模型)计算得出变差函数的表达式：

其中球状模型的公式为：

式中：γ(h)为变差函数；h为滞后距；C₀为块金常数；C为拱高；C₀+C为基台值；a为变程；

步骤4：求解相应克里金方程，将步骤1获得的样本数据输入步骤3变差方程获得变差值，将该变差值与步骤1的样本数据输入克里金方程组，计算得出相关系数；

其中克里金方程组为：

式中：λ_i为权重系数；C(x_i,x_j)是是Z(x_i)和Z(x_j)的协方差函数；

步骤5：输入实时的水位数据，将实时数据输入步骤4获得克里金方程组，采用交叉验证的方法进行迭代计算，获得最小克里金均方差的值，也即所对应的库容。

与常规方法相比，本发明具有以下优点：

1)传统的水位库容计算方法需要收集实测的河道地形和部分航拍的DEM等资料，然后经过数据处理构建精度的水库地形数字线划地图(DLG)和数字高程模型(DEM)，结合GIS技术，采用数字高程模型库容量算算法，计算要购买相关的地形数据，成本高，后期数据处理和模型搭建难度大，工作量大。

2)水库的水位-库容间的存非线性的关系这一本质特性，而不同水位数据点间存在空间相关性,而克里金方法不仅考虑了所计算数据点与样本数据间位置的相关关系,还考虑了变量的空间关系。计算结果在保证准确性和可靠性的同时,也反映了水库随着水位的变化所引起的库容的变化空间特性。

3)本发明方法实现快速、准确根据实时水位获得相应的库容。

4)本发明方法简单易用，扩展性好。

本发明方法的应用，可以有效提高了水库调度的自动化、精细化、标准化的水平。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明方法的计算流程图。

附表说明

表1为：某水库设计方提供的水位-库容基础数据。

表2为：根据某水库设计方提供的水位-库容基础数据分离出的测试数据。

表3为：根据某水库设计方提供的水位-库容基础数据分离出的验证数据。

表4为：某水库传统方法复核库容、克里金插值库容、分段线性插值库容结果比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

下面通过实例，对本发明的技术方案做进一步具体说明。

某大型水库，设计方提供的水位-库容数据如表1所示，将这些数据分为两部分，一部分为样本测试数据，一部分为样本验证数据。利用克里金插值法和分段线性插值法根据水位计算得出相应的库容数据，并与验证数据进行分析比较。

表1：水库设计方提供的水位～库容基础数据

步骤1，设计方提供的水位-库容曲线(如表1)涵盖了水位最低值和最高水位值以及对应的库容数据作为样本数据，将这些样本数据根据数据间水位距离进行分组。(为了便于验证方法的有效性，将这些样本数据进行划分，每10米的数据作为测试数据(如表2)，中间每隔五米数据为验证数据(如表3)。

表2：测试数据

表3：验证数据

步骤2，计算获得不同距离值对应的变差函数值(如表4)。

表4：传统方法复核库容、克里金插值库容、线性插值库容比较

步骤3，求解变差函数模型。

步骤4，求解克里金方程。

步骤5：输入实时的水位数据，通过步骤4的克里金方程，采用交叉验证方式，获得最小均方差的对应的库容数据。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。