[發明專利]一種串聯多渠池閘門過閘流量系數率定方法

在審

• 申請號: 201710146641.1
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106874622A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 雷曉輝;孔令仲;尚毅梓;王超;王浩;蔣云鐘;鄭和震
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 于國富

1.一種串聯多渠池閘門過閘流量系數率定方法，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測模型

獲取串聯多渠池調水工程中研究渠道段的基本參數，然后構建研究渠道段的水動力仿真預測模型；在所述水動力仿真預測模型中，研究渠道段中渠道處的水位流量關系用圣維南方程描述，研究渠道段中閘門處水位流量關系用過閘流量計算公式描述；

S2，結合研究渠道段中各個閘門的流量實測值和水位實測值，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測模型進行校正得到研究渠道段中各個閘門的實時水位校正值序列，將所述實時水位校正值序列作為實時分析水位序列；

S3，根據研究渠道段中任意一個渠池γ中的閘門的實時分析水位序列，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的閘門的實時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；

步驟S1中：

研究渠道段中渠道處的水位流量關系用圣維南方程描述，見方程組(1)：

{ ∂ A ∂ t + ∂ Q ∂ x = 0 ∂ ∂ t ( Q A ) + ∂ ∂ x ( Q 2 2 A 2 ) + g ∂ h ∂ x + g ( S f - S 0 ) = 0 - - - ( 1 ) ; ]]>

其中，x和t分別為空間坐標和時間坐標；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；

所述閘門處水位流量關系描述用過閘流量Q計算公式描述，見公式(2)：

Q = C d n b e 2 g ( H 0 - H s ) = 0.864 n b e g ( H 0 - H s ) ( H 0 - e H 0 + 15 e ) 0.072 ( H 0 - H s ) 0.7 { 0.32 [ 0.81 H s ( H s e ) 0.72 - H 0 ] 0.7 + ( H 0 - H s ) 0.7 } - 1 - - - ( 2 ) ; ]]>

其中，Cd為過閘流量系數，b為閘門的計算寬度，n為閘門個數；H0、Hs分別為閘門前水位、閘門后水位；e為閘門開度；

步驟S2，具體按照下述步驟實現：

S21，將研究渠道段作為一個整體，構造整體的狀態轉移方程組；

設定研究渠道段的閘門處屬于內邊界，對整個研究渠道段建立水動力方程，將得到的方程組(1)、方程組(2)分別進行增量線性化處理，方程組(1)、方程組(2)分別簡化為方程組(3)的格式：

a j Δh j + b j ΔQ j + c j Δh j + 1 + d j ΔQ j + 1 = p j e j + 1 Δh j + a j + 1 ΔQ j + b j + 1 Δh j + 1 + c j + 1 ΔQ j + 1 = p j + 1 - - - ( 3 ) ]]>

其中，△hj和△hj+1分別表示當前時刻j和下一時刻j+1處的水位值；△Qj和△Qj+1分別表示當前時刻j和下一時刻j+1處的流量增量；aj、ej+1為方程組(1)或方程組(2)增量線性化后△hj前的系數；bj、aj+1為方程組(1)或方程組(2)增量線性化后△Qj前的系數；cj、bj+1為方程組(1)或方程組(2)增量線性化后△hj+1前的系數；dj、cj+1為方程組(1)或方程組(2)增量線性化后△Qj+1前的系數；pj、pj+1為方程組(1)或方程組(2)增量線性化后所有的常量；

將公式(3)形成封閉代數方程組矩陣形式為公式(4)：

θ×ΔX＝D (4)

其中，θ為變量aj、ej+1、bj、aj+1、cj、bj+1、dj、cj+1構成的矩陣，ΔX為變量△hj、△Qj、△hj+1、△Qj+1構成的矩陣，D為變量pj、pj+1構成的矩陣；

在所述公式(4)的基礎上，獲取所述整個研究渠道段的所有斷面水位的狀態向量，將閘門處的閘門前、后水位作為觀測變量，得到整體狀態轉移方程組(5)：

{ X i + 1 = X i + θ i - 1 D i + ω i Y i = HX i + v i - - - ( 5 ) ]]>

Xi、Xi+1分別表示i時刻、i+1時刻的所有計算節點的預測水位和預測流量；Yi表示i時刻的閘門前、后觀測水位；H表示觀測算子；wi表示i時刻的模型誤差；vi表示i時刻的觀測誤差；Di對應公式(4)中的D；

S22，在整體的狀態轉移方程組的基礎上，利用卡爾曼濾波同化算法進行實時校正，得到方程組(6)；

K = P i f H T ( HP i f H T + Q i ) - 1 X i a = X i b + K ( Y i - HX i b ) P i a = ( I - K H ) P i k X i k = θX i - 1 a P i f = θP i - 1 a θ T + Q i - 1 - - - ( 6 ) ]]>

方程組(6)中，i表示迭代計算時刻；a表示分析值，為分析水位；b表示觀測值，為觀測水位；f表示預測值；K代表卡爾曼濾波增益；Pif表示預測誤差協方差；Pia表示分析誤差協方差；Qi為模型誤差方差，假設模型誤差無偏；

S23，將得到的每個觀測水位值帶入到方程組(6)中，得到每一步閘門的實時水位校正值序列。