一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法，涉及水動力學(xué)參數(shù)識別領(lǐng)域。所述方法包括：建立研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型；結(jié)合研究渠道段中各個(gè)閘門的流量實(shí)測值和水位實(shí)測值，利用卡爾曼濾波同化算法獲取實(shí)時(shí)分析水位序列；根據(jù)研究渠道段中任意一個(gè)渠池γ中的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列，利用圣維南方程推求得到渠池γ的分析流量序列；利用渠池γ的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ過閘流量系數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)極大地提高水動力預(yù)測模型的精確度，提升預(yù)測值的準(zhǔn)確性。

A series of canal pool gate flow coefficient calibration method

The invention discloses a series of canal pool gate flow coefficient calibration method, relates to the field of hydrodynamic parameter identification. The method includes: a model to predict the hydrodynamic simulation of channel section; combined with the measured value of the measured flow and water level of each channel in gate value, obtain the real-time analysis level sequence using Calman filter Assimilation Algorithm; according to the real-time analysis of the water level in a period of arbitrary channels of the canal pool gamma gate sequence analysis flow sequence using the Saint Venant equation deduced by canal pool gamma; real time sequence analysis of the water level by the canal pool gamma gate and the canal pool analysis flow sequence for gamma gamma channel pool flow rate coefficient. The invention greatly improves the accuracy of the hydrodynamic prediction model and improves the accuracy of the prediction value.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法
本專利技術(shù)涉及水動力學(xué)參數(shù)識別領(lǐng)域，尤其涉及一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法。
技術(shù)介紹
大型多渠段供水渠道的運(yùn)行工況一般不會發(fā)生較大的變化。在運(yùn)行工況基本不變的情況下，閘門的過閘流量與水位關(guān)系用一個(gè)過閘流量系數(shù)描述。在實(shí)際多渠段串聯(lián)渠道調(diào)水工程中，常需要根據(jù)閘門流量計(jì)算閘門開度，過閘流量系數(shù)的率定值越準(zhǔn)確，則能提供越合理的閘門操作。因此，能準(zhǔn)確描述閘門處流量與水位關(guān)系，直接決定對多渠段串聯(lián)渠道調(diào)水工程運(yùn)行的預(yù)測是否準(zhǔn)確。隨自動監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)中常采用實(shí)測值反推過閘流量系數(shù)，具體為：采用實(shí)測閘前水位、實(shí)測閘后水位、實(shí)測過閘流量推導(dǎo)過閘流量系數(shù)。然而，現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)對水位和閘門處流量的測量值往往具有一定的誤差，水位測量值誤差在10％左右，閘門處流量測量值與閘門處流量實(shí)際值之間的偏差大，因此，在此種條件下，不能使用流量數(shù)據(jù)推導(dǎo)過閘流量系數(shù)。卡爾曼濾波由卡爾曼于1960年提出，該方法是在假設(shè)系統(tǒng)為線性且噪聲是白色高斯型的條件下的一種遞推資料處理方法。卡爾曼濾波基本思想包括預(yù)報(bào)和校正兩步：在狀態(tài)預(yù)報(bào)階段，根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)生成當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)的預(yù)報(bào)值；在校正階段，引入觀測數(shù)據(jù)，采用最小方差估計(jì)方法對狀態(tài)預(yù)測進(jìn)行重新分析和修正。而現(xiàn)有技術(shù)中并未存在利用卡爾曼濾波同化技術(shù)的串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法，故，提出本申請。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所述串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法，所述方法包括：S1，建立研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型獲取串聯(lián)多渠池調(diào)水工程中研究渠道段的基本參數(shù)，然后構(gòu)建研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型；在所述水動力仿真預(yù)測模型中，研究渠道段中渠道處的水位流量關(guān)系用圣維南方程描述，研究渠道段中閘門處水位流量關(guān)系用過閘流量計(jì)算公式描述；S2，結(jié)合研究渠道段中各個(gè)閘門的流量實(shí)測值和水位實(shí)測值，利用卡爾曼濾波同化算法及對所述研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型進(jìn)行校正得到研究渠道段中各個(gè)閘門的實(shí)時(shí)水位校正值序列，將所述實(shí)時(shí)水位校正值序列作為實(shí)時(shí)分析水位序列；S3，根據(jù)研究渠道段中任意一個(gè)渠池γ中的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列，利用圣維南方程推求得到渠池γ前、后的過閘流量序列，所述渠池γ前、后的過閘流量序列即為所述渠池γ的分析流量序列；S4，利用渠池γ的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ過閘流量系數(shù)。優(yōu)選地，步驟S1中：研究渠道段中渠道處的水位流量關(guān)系用圣維南方程描述，見方程組(1)：其中，x和t分別為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；A為渠道處的過流面積；Q為渠道過閘流量；h為水深；S0為渠道底坡；g為重力加速度；Sf為摩擦坡度，定義Sf＝Q|Q|/k2，k為流量模數(shù)；所述閘門處水位流量關(guān)系描述用過閘流量Q計(jì)算公式描述，見公式(2)：其中，Cd為過閘流量系數(shù)，b為閘門的計(jì)算寬度，n為閘門個(gè)數(shù)；H0、Hs分別為閘門前水位、閘門后水位；e為閘門開度。更優(yōu)選地，所述過閘流量Q計(jì)算公式的限制條件為淹沒出流的條件，所述淹沒出流的條件包括兩個(gè)具體條件：第一個(gè)條件：第二條件：優(yōu)選地，步驟S2，具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn)：S21，將研究渠道段作為一個(gè)整體，構(gòu)造整體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程組；設(shè)定研究渠道段的閘門處屬于內(nèi)邊界，對整個(gè)研究渠道段，利用水動力學(xué)模型形成的封閉代數(shù)方程組矩陣形式為公式(3)：θ×ΔX＝D(3)在所述公式(3)的基礎(chǔ)上，獲取所述整個(gè)研究渠道段的所有斷面水位的狀態(tài)向量，將閘門處的閘門前、后水位和閘門前、后流量作為觀測變量，得到整體狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程組(4)：xt、xt+1分別表示t時(shí)刻、t+1時(shí)刻的閘門前、后觀測流量；yt表示t時(shí)刻的閘門前、后觀測水位；θ表示預(yù)測模型算子；H表示觀測算子，ωt表示t時(shí)刻的模型誤差；vt表示t時(shí)刻的觀測誤差；S22，在整體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程組的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波同化算法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，得到方程組(5)；方程組(5)中，i表示迭代計(jì)算時(shí)刻，a表示分析值，為分析水位，b表示觀測值，為觀測水位或觀測流量，f表示預(yù)測值；K代表卡爾曼濾波增益；Pif表示預(yù)測誤差協(xié)方差；Pia表示分析誤差協(xié)方差；Qi為模型誤差方差，假設(shè)模型誤差無偏；θ為預(yù)測模型算子；S23，將得到的每個(gè)觀測水位值帶入到方程組(5)中，得到每一步閘門的實(shí)時(shí)水位校正值序列。優(yōu)選地，步驟S3，具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn)：將不包含前、后閘門的任意一個(gè)渠池γ作為分析對象，將渠池γ前、渠池γ后水位作為渠池γ的邊界條件，在所述渠池γ的分析水位已知的條件下，利用圣維南方程(1)和(6)計(jì)算得到渠池前流量和渠池后流量；式中，其中，x和t分別為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；A為渠道處的過流面積；Q為渠道過閘流量；h為水深；S0為渠道底坡；g為重力加速度；Sf為摩擦坡度，定義Sf＝Q|Q|/k2，k為流量模數(shù)；Z1、Z2代表渠池γ兩端的水位邊界，Za1(t)、Za2(t)為渠池γ的實(shí)時(shí)分析水位序列。優(yōu)選地，步驟S4，在渠池γ的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列的基礎(chǔ)上，采用公式(7)推求渠池γ過閘流量系數(shù)：其中，C表示過閘流量系數(shù)，通過渠道過閘流量Q、閘門前水位H0、閘門后水位Hs逆推得到C序列，b為閘門的計(jì)算寬度，n為閘門個(gè)數(shù)，e為閘門開度，g為重力加速度；然后再用最小二乘法，將所述C序列擬合出一個(gè)流量系數(shù)C′，所述流量系數(shù)C′即為所述方法推求得到的目標(biāo)流量系數(shù)。本專利技術(shù)的有益效果是：1、在串聯(lián)多渠池渠道閘門處流量測量誤差過大、水位測量值誤差處于可接受范圍內(nèi)的情況下，本專利技術(shù)應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)，得到一套分析水位值和分析流量值，然后利用分析水位值和分析流量值推求得到精確的閘門過閘流量系數(shù)。2、本專利技術(shù)所述方法針對不同的工況利用實(shí)測數(shù)據(jù)反演出不同的閘門過閘流量系數(shù)，將閘門過閘流量系數(shù)再代入到預(yù)測模型中，極大地提高水動力預(yù)測模型的精確度，提升預(yù)測值的準(zhǔn)確性。附圖說明圖1是串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法的流程示意圖；圖2是刁河節(jié)制閘閘前水位實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果對比示意圖；圖3是刁河節(jié)制閘閘后水位實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果對比示意圖。具體實(shí)施方式為了使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本專利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本專利技術(shù)，并不用于限定本專利技術(shù)。關(guān)于本申請的更詳細(xì)的解釋說明為：(一)在步驟S1中，水動力仿真預(yù)測模型中各個(gè)關(guān)系的表達(dá)如下：①、研究渠道段中渠道處的水位流量關(guān)系用圣維南方程描述，見方程組(1)：其中，x和t分別為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；A為渠道處的過流面積；Q為渠道過閘流量；h為水深；S0為渠道底坡；g為重力加速度；Sf為摩擦坡度，定義Sf＝Q|Q|/k2，k為流量模數(shù)；②、閘門處水位流量關(guān)系其中，Qup和Qdown分別為閘門前流量、閘門后流量；H0、Hs分別為閘門前水位、閘后水位；f為過閘流計(jì)算公式；e為閘門開度；此外，為滿足方程組(2)的定解條件，還需要增加部邊界限制條件，如方程組(3)表示：其中，Z1、Zn表示渠段的計(jì)算邊界為水位邊界；Z1(t)、Zn(t)表示水位隨時(shí)間變化過程。關(guān)于方程組(2)難點(diǎn)在于Q＝f(H0,Hs,e)關(guān)系的描述，方程組本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法，其特征在于，所述方法包括：S1，建立研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型獲取串聯(lián)多渠池調(diào)水工程中研究渠道段的基本參數(shù)，然后構(gòu)建研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型；在所述水動力仿真預(yù)測模型中，研究渠道段中渠道處的水位流量關(guān)系用圣維南方程描述，研究渠道段中閘門處水位流量關(guān)系用過閘流量計(jì)算公式描述；S2，結(jié)合研究渠道段中各個(gè)閘門的流量實(shí)測值和水位實(shí)測值，利用卡爾曼濾波同化算法及對所述研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型進(jìn)行校正得到研究渠道段中各個(gè)閘門的實(shí)時(shí)水位校正值序列，將所述實(shí)時(shí)水位校正值序列作為實(shí)時(shí)分析水位序列；S3，根據(jù)研究渠道段中任意一個(gè)渠池γ中的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列，利用圣維南方程推求得到渠池γ前、后的過閘流量序列，所述渠池γ前、后的過閘流量序列即為所述渠池γ的分析流量序列；S4，利用渠池γ的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ過閘流量系數(shù)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種串聯(lián)多渠池閘門過閘流量系數(shù)率定方法，其特征在于，所述方法包括：S1，建立研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型獲取串聯(lián)多渠池調(diào)水工程中研究渠道段的基本參數(shù)，然后構(gòu)建研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型；在所述水動力仿真預(yù)測模型中，研究渠道段中渠道處的水位流量關(guān)系用圣維南方程描述，研究渠道段中閘門處水位流量關(guān)系用過閘流量計(jì)算公式描述；S2，結(jié)合研究渠道段中各個(gè)閘門的流量實(shí)測值和水位實(shí)測值，利用卡爾曼濾波同化算法及對所述研究渠道段的水動力仿真預(yù)測模型進(jìn)行校正得到研究渠道段中各個(gè)閘門的實(shí)時(shí)水位校正值序列，將所述實(shí)時(shí)水位校正值序列作為實(shí)時(shí)分析水位序列；S3，根據(jù)研究渠道段中任意一個(gè)渠池γ中的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列，利用圣維南方程推求得到渠池γ前、后的過閘流量序列，所述渠池γ前、后的過閘流量序列即為所述渠池γ的分析流量序列；S4，利用渠池γ的閘門的實(shí)時(shí)分析水位序列和所述渠池γ的分析流量序列推求渠池γ過閘流量系數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟S1中：研究渠道段中渠道處的水位流量關(guān)系用圣維南方程描述，見方程組(1)：其中，x和t分別為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；A為渠道處的過流面積；Q為渠道過閘流量；h為水深；S0為渠道底坡；g為重力加速度；Sf為摩擦坡度，定義Sf＝Q|Q|/k2，k為流量模數(shù)；所述閘門處水位流量關(guān)系描述用過閘流量Q計(jì)算公式描述，見公式(2)：其中，Cd為過閘流量系數(shù)，b為閘門的計(jì)算寬度，n為閘門個(gè)數(shù)；H0、Hs分別為閘門前水位、閘門后水位；e為閘門開度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，所述過閘流量Q計(jì)算公式的限制條件為淹沒出流的條件，所述淹沒出流的條件包括兩個(gè)具體條件：第一個(gè)條件：第二條件：4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟S2，具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn)：S21，將研究渠道段作為一個(gè)整體，構(gòu)造整體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程組；設(shè)定研究渠道段的閘門處屬于內(nèi)邊界，對整個(gè)研究渠道段，利用水動力學(xué)模型形成的封閉代數(shù)方程組矩陣形式為公式(3)：θ×ΔX＝D(3)在所述公式(3)的基礎(chǔ)上...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：雷曉輝，孔令仲，尚毅梓，王超，王浩，蔣云鐘，鄭和震，
申請(專利權(quán))人：中國水利水電科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11