一种长距离调水明渠冬季气温等级评价方法

摘要

本发明提供一种长距离调水明渠冬季气温等级评价方法，包括如下步骤：计算调水明渠沿线布设的相对均匀的n个气象站的影响渠段水流流经时长；提出冬季气温序列链概念，并给出冬季气温序列链计算表达式；计算冬季气温链的气候平均值计算某一目标年冬季最低气温链距平ΔT；计算标准差σ；根据距平ΔT和标准差σ对长距离调水明渠冬季气温进行等级划分。本发明根据调水明渠线性、单向顺序流动的特点，选取沿线布设相对均匀的n个气象站，首次提出冬季气温序列链概念，并给出冬季气温序列链计算表达式，据此进行冬季气温等级的评价。本发明较现行标准评价科学性、时效性和实用性更强。

说明书

技术领域

本发明涉及长距离调水明渠冬季冰期安全高效输水技术领域，具体是一种长距离调水明渠冬季气温等级评价方法。

背景技术

我国已建和在建的长距离调水工程有：南水北调中线、南水北调东线、引滦入津、引黄济青、引大入秦、鄂北调水、引江济淮、滇中引水、引洮供水、吉林中部供水和新疆调水工程等。多数工程位于高纬度和寒冷地区，全长数百上千公里，水流从渠首流经渠末需要几天甚至二十天。有关研究和工程运行实践表明，冬季输水气温过低可能形成冰盖，为防止出现冰塞冰坝灾害，必须降低水流流速和弗劳德数，如此，冬季冰盖输水流量将显著降低。如南水北调中线工程冬季冰盖输水安全流量仅为渠道设计流量的30％～50％。调水明渠冬季输水会不会形成冰盖、何时形成冰盖是安全高效输水的前提。

例如，南水北调中线工程总干渠全长1432km，其中渠首陶岔闸至明渠末端北拒马河闸长1198km。从南至北依次流经南阳、郑州、邢台和保定等城市，冬季输水从陶岔渠首流至明渠末端北拒马河暗渠约20天。沿程水流逐渐失热(偶而也可能增热)，水温逐渐降低，至某一断面降至临界水温则形成冰盖。则该断面以下按照冰盖安全输水流量输水，否则将出现冰塞冰坝险情灾情。为渠道安全高效输水计，最为关心的首要问题就是冬季输水会不会形成冰盖以及何时何地形成冰盖，以便决策提前降低流量。而现行国家标准《GB/T 33675-2017冷冬等级》和《GB/T 21983-2008暖冬等级》都是等冬季完全结束，统计计算目标年冬季平均气温(上年12月至当年2月的平均气温)，并与其对应的气候平均值(一般取最近30年)进行距平计算和标准差计算，在此基础上，给予冷冬、平冬和暖冬评价。该方法用于长距离调水明渠冬季冰期安全高效输水，显得科学性和时效性不足：一是冬季平均气温是指上年12月1日至当年2月28日(或29日)合计90天或91天的平均气温，而影响调水工程渠道水温只是5天～20天的气温，也许某个冬季是平冬，但若是遭遇一波寒潮，几天内气温骤降，对于渠道可能形成冰盖；二是作为渠道运行管理部门来讲，在冬季“进行时”就关心其气温评价，而不是在冬季完全结束时的“马后炮”评价。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种长距离调水明渠冬季气温等级评价方法，以解决科学性和时效性的问题。

一种长距离调水明渠冬季气温等级评价方法，包括如下步骤：

步骤一、计算调水明渠沿线布设的相对均匀的n个气象站的影响渠段水流流经时长t/n，其中t为水流从渠首流动至渠末的时长，n为选取的调水明渠沿线布设相对均匀的气象站的个数；

步骤二、提出冬季气温序列链概念，并给出冬季气温序列链计算表达式：

T：冬季气温序列链气温，目标年冬季n站t天日平均气温的平均值，单位为摄氏度(℃)，每站取t/n天数据，并依次首尾相接；

t：水流从渠首流动至渠末的时长，单位为天数(d)；

n：沿线气象站数目，t/n应为整数；

T

T

T

取第

步骤三：计算冬季气温链的气候平均值：

T

步骤四：根据冬季气温序列链T和冬季气温链的气候平均值

步骤五：根据目标年对应的最近3个年代的逐年冬季最低气温链和冬季气温链的气候平均值

步骤六：根据步骤四计算所得距平ΔT和步骤五计算所得标准差σ对长距离调水明渠冬季气温进行等级划分。

进一步的，步骤一具体实施步骤为：根据调水明渠渠长L和渠道水流流速V，计算水流从渠首流动至渠末的时长t＝L/V，精确到天，在渠长L范围内，选取沿线布设相对均匀的n个气象站，则每个气象站的影响渠段水流流经时长为t/n。

进一步的，步骤二中t≥4d。

进一步的，步骤二中，每个冬季从第1个气象站12月1日开始，至第n个气象站次年2月28日截止。

进一步的，步骤五中标准差计算公式为：

进一步的，步骤六的等级划分原则具体为：

本发明具有如下有益效果：本发明根据调水明渠线性、单向顺序流动的特点，沿线均匀选取n个气象站，首次提出冬季气温序列链概念，并给出冬季气温序列链计算表达式，据此进行冬季气温等级的评价。本发明较现有标准评价科学性、时效性和实用性更强。

附图说明

图1为本发明调水工程与沿线气象站的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种长距离调水明渠冬季气温等级评价方法，包括如下步骤：

步骤一、根据调水明渠渠长L和渠道水流流速V，计算水流从渠首流动至渠末的时长t＝L/V(精确到天)，在渠长L范围内，选取沿线布设相对均匀的n个气象站(如图1所示)，则每个气象站的影响渠段水流流经时长为t/n；

步骤二、首次提出冬季气温序列链概念，并给出冬季气温序列链计算表达式：

T：冬季气温序列链气温，目标年冬季n站t天日平均气温的平均值，单位为摄氏度(℃)，每站取t/n天数据，并依次首尾相接；

t：水流从渠首流动至渠末的时长，单位为天数(d)，一般应t≥4d；

n：沿线气象站数目，t/n应为整数；

T

T

T

取第

步骤三：计算冬季气温链的气候平均值：

T

步骤四：根据冬季气温序列链T和冬季气温链的气候平均值

ΔT：某一目标年冬季最低气温链距平，单位为摄氏度(℃)；

步骤五：根据目标年对应的最近3个年代的逐年冬季最低气温链和冬季气温链的气候平均值

步骤六：根据步骤四计算所得距平和步骤五计算所得标准差对长距离调水明渠冬季气温进行等级划分，见表1。

表1长距离调水明渠冬季气温等级划分

本发明应用实例

南水北调中线工程总干渠全长1432km，其中从陶岔渠首至明渠末端北拒马河节制闸渠长1198km，从南至北依次流经南阳、郑州、邢台和保定等城市。南水北调中线自2014年12月12日首次通水，首个冬季输水流量很小，沿线未进行系统性冰情观测。2016～2020年5个冬季输水流量相近趋于正常，观测表明，2016年冬季冰情最为严重，封冻冰盖长度360km；其次是2018年冬季，封冻冰盖长度10km；次之是2019年，封冻冰盖长度2km；2017、2020冬季未形成冰盖。

步骤一、南水北调中线明渠长L＝1198km，冬季输水渠道水流平均流速V＝0.7m/s，计算水流从陶岔渠首流动至北拒马河节制闸渠末的时长t＝L/V＝1198000÷0.7＝19.8天≈20天。在渠长范围内，选取沿线相对均匀分布的南阳、郑州、邢台和保定等4个气象站，则每个气象站的影响渠段流经时长为5天；

步骤二、根据目标年冬季气温序列链计算表达式计算冬季气温序列链：

其中T为冬季气温序列链，表示目标年冬季4站20天日平均气温的平均值，单位为摄氏度(℃)，每站取5天数据，并依次首尾相接；

t：水流从渠首流动至渠末的时长，单位为天数(d)，这里t＝20d；

n：沿线气象站数目，这里取n＝4；

T

T

T

T

步骤三、冬季气温链的气候平均值计算公式

T

步骤四、计算距平

ΔT：某一目标年冬季最低气温链距平，单位为摄氏度(℃)。

步骤五：计算标准差

步骤六、根据距平和标准差对长距离调水明渠冬季气温进行等级划分，见表2。

作为对比，现行标准评价方法列于表3，现行标准是指GB/T 33675-2017冷冬等级和GB/T 21983-2008暖冬等级。

表2本发明评价方法应用实例

表3现行标准评价方法应用实例

对于调水明渠来说，衡量冬季气温冷暖的重要标志就是渠道是否形成冰盖以及冰盖长度。由表2可知，2016年冬季冰盖最长达360km，表示气温最冷；2018年冰盖次之为10km；2019年冬季冰盖2km；而2017年和2020年冬季未形成冰盖，表示气温较暖。采用本发明评价方法，计算2016、2017、2018、2019和2020年冬季气温序列链依次为-2.73℃、0.09℃、-2.42℃、-2.30℃和-0.50℃，由冷至暖排序依次1、5、2、3、4，冬季等级依次为弱冷冬、弱暖冬、弱冷冬、正常、弱暖冬。采用本发明方法评价冬季气温与冰盖形成和长度吻合极好。若采用现行标准评价方法，冬季冷暖等级与冰盖生消偏差较大。

应该说明的是，对于长距离调水明渠冬季输水来说，影响其是否形成冰盖的气温并不是一个完整冬季的平均气温，而是水流从渠首流至渠末时段内沿线各地气温序列链的平均值。本发明正是抓住这一特点，物理机制和科学性更强。其次，本发明方法不必等到冬季完全结束进行评价，只要沿线气温序列链平均值低于临界值，表明可能形成冰盖，预报分析和评价的时效性更强。

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，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。