一种库区沿程流量预测方法与流程

1.本发明涉一种库区沿程流量预测，特别涉及一种受梯级水库调度影响下的下游水库沿程流量预测方法。


背景技术：

2.庙河至宜昌河段水文特性受三峡、葛洲坝两大枢纽调蓄影响明显，水文条件变化频繁且复杂。准确计算两枢纽下泄流量，探明三峡下泄非恒定流对葛洲坝库区各段水文条件和葛洲坝坝前运行水位的影响规律，明确葛洲坝水库的反调节影响等，这些是做好“两坝”防洪、发电调度和水文测报工作的基础，运用公式可以进行预测库区沿程流量模型，能极大的提高预测的准确性与工作效率。


技术实现要素：

3.本发明提供一种库区沿程流量预测方法，通过建立一个库区沿程流量预测模型，可对出库区沿程及其下游流量进行预测。
4.实现本发明目的技术方案是，一种库区沿程流量预测方法包括参数测定、模型计算；
5.所述的参数测定，测定库区流量、水深、水位、区域坐标数据；
6.所述的模型计算，包括水流运动控制方程、数值解法、定解条件；
7.1)水流运动控制方程：
8.正交曲线贴体坐标系下，二维水流数学模型中的基本控制方程如下：
9.水流连续方程：
[0010][0011]
ξ方向水流动量方程：
[0012][0013]
η方向水流动量方程：
[0014]
[0015]
式中：ξ、η分别表示正交曲线贴体坐标系中二个坐标；z表示水位；h表示水深；n为糙率系数；g为重力加速度；u、v分别表示沿ξ、η方向的流速；υ与ε分别为层流运动粘滞性系数和紊动运动粘滞性系数，二者相比一般可忽略不计；j＝c
ξcη
，c
ξ
、c
η
分别表示正交曲线坐标系中的拉梅系数：
[0016][0017]
a、b的表达式如下：
[0018][0019]
2)数值解法:
[0020]
比较1～1、1-2、1-3三个方程，形式是相似的，可表达成如下的通用格式：
[0021][0022]
「为扩散系数，上述1～1、1-2、1-3三个方程的差别是源项s里面，在运用控制体积法求解上式时，为了使计算收敛或加快收敛，需要对源项进行负坡线性化，即：
[0023]
s＝s
p
ψ
p
+sc[0024]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-5)
[0025]
负线性化后，经过进一步推导1-6、1-7、1-8、1-9公式，
[0026]sp
方程：ξ方向运动方程：
[0027]
η方向运动方程：
[0028]
sc方程：ξ方向运动方程：
[0029]
η方向运动方程：
[0030]
对控制容积进行积分，可得如下统一形式的离散格式：
[0031]ap
ψ
p
＝aeψe+awψw+anψn+asψs+b
[0032]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-10)
[0033]ap
ψ
p
＝aeψe+awψw+anψn+asψs+b
[0034]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-11)
[0035]
其中，大写字母表示所研究变量所在节点，小写字母表示相应的界面,各系数表达式为：
[0036]ae
＝dea(|p
δe
|)+[|-fe,0|]、aw＝dwa(|p
δw
|)+[|fw,0|]
[0037]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-12)
[0038]an
＝dna(|p
δn
|)+[|-fn,0|]、as＝dsa(|p
δs
|)+[|fs,0|]
[0039]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-13)
[0040]ap
＝ae+aw+an+as+jδv/δt-s
p
jδv
[0041]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-14)
[0042][0043]
计算符号a(|p
δ
|)＝[|0,(1-0.1|p
δ
|)5|]，[|fw,0|]＝max(fw,0)
ꢀꢀꢀ
(1-16)
[0044][0045]
fe＝(uc
η
)eδη,fw＝(uc
η
)wδη,fn＝(vc
ξ
)nδξ,fs＝(vc
ξ
)sδξ，p
δ
＝f/d
[0046]
其中，δξ、δη、δξ、δη分别表示控制体的长度和高度、控制节点之间纵向和横向距离；
[0047]
上述各系数因为包含有未知量，因此需要给定初值后，求解各变量，然后更新系数，再次求解，依此不断迭代，直至求出收敛解,由于在求解流场时流场水位未知，水位的梯度是隐藏在动量方程的源项里,若要求解，需要将连续性方程在控制体内积分，然后u、v、h同时求解，这样将需要消耗巨大的资源，因此通常采用分离式求解，通过假定一个水位场之后，在通过一定的办法进行压力修正；
[0048]
3)定解条件
[0049]
3.1)边界条件
[0050]
河段进口边界给定三峡出库流量过程，相应的进口边界流速分布采用以下公式计算：
[0051][0052]
此处，h为第i个网格结点处的水深，q为断面流量，b为断面河宽，a为断面面积,采
用上式计算出流速以后再次进行总流量的校正,河段出口边界则给定葛洲坝坝前5#站相应水位过程；对于河道两岸的边界则采用水流无滑动条件，即岸边流速为零；
[0053]
3,2)初始条件
[0054]
初始水位场利用计算域上、下游水位和断面间距进行线性插值，在断面上可以不考虑横比降。在计算域较长时，可采用推求水面线的办法给出二维域中某几个断面的水位，然后分段进行线性插值；
[0055]
对于初始速度场，η方向上v＝0，ξ方向上u与进口断面流速边界计算方法相同，并进行断面总流量校正,由于ξ、η正交曲线网格是基于势流理论生成，上述沿ξ、η方向给值，在势流区初值已离解较近，在回流区初值与收敛解则差别较大，但计算表明，随着迭代计算的进行，上述初值的影响会逐步消失；
[0056]
通过以上步骤建立库区沿程流量预测模型，并运用预测模型进行水库区及其下游沿程流量预测。
[0057]
进一步讲，在所述模型计算中；2)数值解法中，离散方程求解时采用simple算法，具体步骤如下：
[0058]
a.假设一个水位场，记为z
*
；
[0059]
b.利用z
*
，求解动量离散方程，得出相应的速度u
*
，v
*
；
[0060]
c.利用质量守恒来改进水位场，要求与改进后的压力场对应的速度场能满足连续性方程，修正量以h'，u'，v'表示；
[0061]
d.以h+h'，u+u'，v+v'作为本层次迭代的解开始下一层次的迭代计算。
[0062]
本发明的优点是，出库流量预测模型用于水流模拟分析之前，需要对其中的参数进行率定，并对其模拟效果进行验证。参数率定的内容是根据实测资料对模型的糙率系数等进行率定，模型验证是利用率定好的模型对河段内不同流量级下的水流情况进行复演，以检验模型是否能反映河道水流变化特征。
[0063]
本模型以2016年12月实测地形为基础，首先以2016年以来计算河段内各水位站点的实测水流资料对恒定流模型进行糙率等参数的率定，在此基础上，进一步率定非恒定流模型的糙率参数。在计算河段内，糙率的取值范围约为0.012～0.063，模型验证资料的选取兼顾了多个流量级及资料最新等特点，验证时段取为2013.07～2016.12，时间跨度与水文过程分配较为合理。
[0064]
说明书附图
[0065]
图1为交错网格变量布置示意图；
[0066]
图2为为非恒定流验证计算上下游边界条件(两坝间)；
[0067]
图3为2017.07.08 07:00-12:15计算水位与实测水位对比(两坝间)；
[0068]
图4为2017.07.08 07:00-12:15计算水位与实测水位对比(两坝间)；
[0069]
图5为非恒定流验证计算上下游边界条件(葛洲坝～枝城段)；
[0070]
图6为2017.07.08 19:30-02:10宜昌站计算流量与实测流量对比；
[0071]
图7为2017.07.08 19:30-02:10枝城站计算流量与实测流量对比；
[0072]
图8为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况1)；
[0073]
图9为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况2)；
[0074]
图10为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况3)；
[0075]
图11为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况4)；
[0076]
图12为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况5)；
[0077]
图13为两坝间流量变化过程(实时工况1)；
[0078]
图14为两坝间流量变化过程(实时工况2)；
[0079]
图15为两坝间流量变化过程(实时工况3)；
[0080]
图16为两坝间流量变化过程(实时工况4)；
[0081]
图17为两坝间流量变化过程(实时工况5)；
[0082]
图18为两坝间流量变化过程(工况1)；
[0083]
图19为两坝间水位变化过程(工况1)；
[0084]
图20为两坝间流量变化过程(工况2)；
[0085]
图21为两坝间水位变化过程(工况2)；
[0086]
图22为两坝间流量变化过程(工况3)；
[0087]
图23为两坝间水位变化过程(工况3)；
[0088]
图24为两坝间流量变化过程(工况4)；
[0089]
图25为两坝间水位变化过程(工况4)；
[0090]
图26为两坝间流量变化过程(工况5)；
[0091]
图27为两坝间水位变化过程(工况5)；
[0092]
图28为两坝间流量变化过程(工况6)；
[0093]
图29为两坝间水位变化过程(工况6)；
[0094]
图30为两坝间流量变化过程(工况7)；
[0095]
图31为两坝间水位变化过程(工况7)；
[0096]
图32为两坝间流量变化过程(工况8)；
[0097]
图33为两坝间水位变化过程(工况8)；
[0098]
图34为两坝间流量变化过程(工况9)；
[0099]
图35为两坝间水位变化过程(工况9)；
[0100]
图36为两坝间流量变化过程(工况10)；
[0101]
图37为两坝间水位变化过程(工况10)；
[0102]
图38为两坝间流量变化过程(工况11)；
[0103]
图39为两坝间水位变化过程(工况11)；
[0104]
图40为两坝间流量变化过程(工况12)；
[0105]
图41为两坝间水位变化过程(工况12)；
[0106]
图42为两坝间流量变化过程(工况13)；
[0107]
图43为两坝间水位变化过程(工况13)；
[0108]
图44为两坝间流量变化过程(工况14)；
[0109]
图45为两坝间水位变化过程(工况14)；
[0110]
图46为两坝间流量变化过程(工况15)；
[0111]
图47为两坝间水位变化过程(工况15)；
[0112]
图48为坝间流量变化过程(工况16)；
[0113]
图49为两坝间水位变化过程(工况16)：
[0114]
图50为两坝间流量变化过程(工况17)；
[0115]
图51为两坝间水位变化过程(工况17)；
[0116]
图52为不同基流下河段恢复稳定最大历时；
[0117]
图53为不同基流下河段恢复稳定历时(流量小时变幅+5000m3/s)；
[0118]
图54为不同基流下河段恢复稳定历时(流量小时变幅-5000m3/s)；
[0119]
图55为三峡调节时不同基流下两坝间沿程瞬时附加流量变化范围；
[0120]
图56为反调节时各工况下两坝间沿程瞬时附加流量变化范围；
[0121]
图57为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况1)；
[0122]
图58非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况2)；
[0123]
图59为非恒定流计算进出口边界条件过程图(实时工况3)；
[0124]
图60为宜枝河段流量变化过程(实时工况1)；
[0125]
图61为宜枝河段流量变化过程(实时工况2)；
[0126]
图62为宜枝河段流量变化过程(实时工况3)；
[0127]
图63为不同概化工况下葛洲坝出流过程；
[0128]
图64为不同概化工况下葛洲坝出流过程；
[0129]
图65为宜昌至枝城流量变化过程(工况1)；
[0130]
图66为宜昌至枝城水位变化过程(工况1)；
[0131]
图67为宜昌至枝城流量变化过程(工况2)；
[0132]
图68为宜昌至枝城流量变化过程(工况2)；
[0133]
图70为宜昌至枝城流量变化过程(工况3)；
[0134]
图71为宜昌至枝城水位变化过程(工况3)；
[0135]
图72为宜昌至枝城流量变化过程(工况4)；
[0136]
图73为宜昌至枝城水位变化过程(工况4)；
[0137]
图74为宜昌至枝城流量变化过程(工况5)；
[0138]
图75为宜昌至枝城水位变化过程(工况5)；
[0139]
图76为宜昌至枝城流量变化过程(工况6)。
具体实施方式
[0140]
本专利以三峡库区为例具体实施，三峡下泄流量变化及其引起的非恒定流在两坝间的传播，直接影响葛洲坝水库入库流量及葛洲坝电站坝上水头，进而影响葛洲坝的防洪和发电调度；葛洲坝水库对三峡下泄的反调节又影响三峡水库的尾水和三峡的防洪发电调度；同时，由于两坝调度引起的复杂水情条件，给河段内庙河水文站、黄陵庙水文站、宜昌水文站相关水情报汛工作造成一定影响，主要表现为：
[0141]
(1)非恒定流下泄过程中，同一报汛时段庙河至宜昌区段内几个水文站点测验流量差异较大；
[0142]
(2)非恒定流下泄过程中，个别时段三峡水库出库流量与葛洲坝入库流量差异较大；
[0143]
(3)水库恒定下泄过程中，不同流量级“两坝”沿程流量与下游水文测站测验数据存在一定的正负误差。
[0144]
自三峡大坝上游13km处的庙河水文断面至葛洲坝下游6km处的宜昌水文断面(其中包含支流黄柏河)，全长约57km。主要采用水文学、水力学方法，通过历史资料分析、原型观测试验、数学模型计算研究等手段，分析三峡及葛洲坝水库主要泄水建筑物的结构特征、泄流特性、运行方式及泄流的影响因素，掌握各测区河段水文特性、水文测站特性及测验精度，建立庙河至宜昌河段区间水量平衡方程及水动力学数学模型；针对水流稳定情况，重点分析庙河水文断面-三峡出库-黄陵庙水文断面-葛洲坝出库-宜昌水文断面之间的流量关系；针对水流非稳定情况，考虑水流滞时因素，利用水量平衡和数学模型分析流量关系。
[0145]
主要包括以下几个方面：
[0146]
(1)原型观测试验：在庙河至宜昌河段加密布置相应的水文监测断面，针对不同量级洪水及不同枢纽运行调度方式开展连续性的水文观测试验，为有关问题分析提供基础数据；
[0147]
(2)观测资料分析：依据原型观测试验和区段水量平衡计算成果，定量计算阐明三峡、葛洲坝主要泄水建筑物泄流曲线计算精度误差范围及其随枢纽运行方式和洪水量级的变化情况；
[0148]
(3)模型计算研究：开展三峡～葛洲坝两坝间河段非恒定流计算研究，设定不同洪水量级和枢纽调度工况进行计算，阐明两坝间非恒定流传播特性、沿程主要区段瞬时附加流量变化演进规律及其对水文测站报汛精度的影响。
[0149]
基于以上内容，一种库区沿程流量预测方法包括参数测定、模型计算；
[0150]
所述的参数测定，测定库区流量、水深、水位、区域坐标数据；
[0151]
所述的模型计算，包括水流运动控制方程、数值解法、定解条件；
[0152]
1)水流运动控制方程：
[0153]
正交曲线贴体坐标系下，二维水流数学模型中的基本控制方程如下：
[0154]
水流连续方程：
[0155][0156]
ξ方向水流动量方程：
[0157][0158]
η方向水流动量方程：
[0159]
[0160]
式中：ξ、η分别表示正交曲线贴体坐标系中二个坐标；z表示水位；h表示水深；n为糙率系数；g为重力加速度；u、v分别表示沿ξ、η方向的流速；υ与ε分别为层流运动粘滞性系数和紊动运动粘滞性系数，二者相比一般可忽略不计；j＝c
ξcη
，c
ξ
、c
η
分别表示正交曲线坐标系中的拉梅系数：
[0161][0162]
a、b的表达式如下：
[0163][0164]
2)数值解法:
[0165]
比较1～1、1-2、1-3三个方程，形式是相似的，可表达成如下的通用格式：
[0166][0167]
为扩散系数，上述1～1、1-2、1-3三个方程的差别是源项s里面，在运用控制体积法求解上式时，为了使计算收敛或加快收敛，需要对源项进行负坡线性化，即：
[0168]
s＝s
p
ψ
p
+sc[0169]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-5)
[0170]
负线性化后，经过进一步推导1-6、1-7、1-8、1-9公式，
[0171]sp
方程：ξ方向运动方程：
[0172]
η方向运动方程：
[0173]
sc方程：ξ方向运动方程：
[0174]
η方向运动方程：
[0175]
在数值计算时，只要针对上式编制一个通用的计算程序，所有的控制方程便可均用此程序进行求解。为避免计算区域不合理压力场的出现，上述方程的离散求解在交错网格上进行，各变量的布置与控制体如图1所示：
[0176]
对控制容积进行积分，可得如下统一形式的离散格式：
[0177]ap
ψ
p
＝aeψe+awψw+anψn+asψs+b
[0178]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-10)
[0179]ap
ψ
p
＝aeψe+awψw+anψn+asψs+b
[0180]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-11)
[0181]
其中，大写字母表示所研究变量所在节点，小写字母表示相应的界面,各系数表达式为：
[0182]ae
＝dea(|p
δe
|)+[|-fe,0|]、aw＝dwa(|p
δw
|)+[|fw,0|]
[0183]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-12)
[0184]an
＝dna(|p
δn
|)+[|-fn,0|]、as＝dsa(|p
δs
|)+[|fs,0|]
[0185]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-13)
[0186]ap
＝ae+aw+an+as+jδv/δt-s
p
jδv
[0187]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-14)
[0188][0189]
计算符号a(|p
δ
|)＝[|0,(1-0.1|p
δ
|)5|]，[|fw,0|]＝max(fw,0)
ꢀꢀꢀꢀ
(1-16)
[0190][0191]
fe＝(uc
η
)eδη,fw＝(uc
η
)wδη,fn＝(vc
ξ
)nδξ,fs＝(vc
ξ
)sδξ，p
δ
＝f/d
[0192]
其中，δξ、δη、δξ、δη分别表示控制体的长度和高度、控制节点之间纵向和横向距离；
[0193]
上述各系数因为包含有未知量，因此需要给定初值后，求解各变量，然后更新系数，再次求解，依此不断迭代，直至求出收敛解,由于在求解流场时流场水位未知，水位的梯度是隐藏在动量方程的源项里,若要求解，需要将连续性方程在控制体内积分，然后u、v、h同时求解，这样将需要消耗巨大的资源，因此通常采用分离式求解，通过假定一个水位场之后，在通过一定的办法进行压力修正；优选的，在所述模型计算中；
[0194]
2)数值解法中，离散方程求解时采用simple算法，具体步骤如下：
[0195]
a.假设一个水位场，记为z
*
；
[0196]
b.利用z
*
，求解动量离散方程，得出相应的速度u
*
，v
*
；
[0197]
c.利用质量守恒来改进水位场，要求与改进后的压力场对应的速度场能满足连续性方程，修正量以h'，u'，v'表示；
[0198]
d.以h+h'，u+u'，v+v'作为本层次迭代的解开始下一层次的迭代计算。
[0199]
3)定解条件
[0200]
3.1)边界条件
[0201]
河段进口边界给定三峡出库流量过程，相应的进口边界流速分布采用以下公式计算：
[0202][0203]
此处，h为第i个网格结点处的水深，q为断面流量，b为断面河宽，a为断面面积,采用上式计算出流速以后再次进行总流量的校正,河段出口边界则给定葛洲坝坝前5#站相应水位过程；对于河道两岸的边界则采用水流无滑动条件，即岸边流速为零；
[0204]
3,2)初始条件
[0205]
初始水位场利用计算域上、下游水位和断面间距进行线性插值，在断面上可以不考虑横比降。在计算域较长时，可采用推求水面线的办法给出二维域中某几个断面的水位，然后分段进行线性插值；
[0206]
对于初始速度场，η方向上v＝0，ξ方向上u与进口断面流速边界计算方法相同，并进行断面总流量校正,由于ξ、η正交曲线网格是基于势流理论生成，上述沿ξ、η方向给值，在势流区初值已离解较近，在回流区初值与收敛解则差别较大，但计算表明，随着迭代计算的进行，上述初值的影响会逐步消失；
[0207]
通过以上步骤建立库区沿程流量预测模型，并运用预测模型进行水库区沿程及其下游流量预测。
[0208]
根据上述库区沿程流量预测方法对葛洲坝库区及其下游进行沿程流量预测结果如下：
[0209]
第一步：计算范围及正交曲线网格的生成
[0210]
为充分反映两坝间及葛洲坝～枝城段洪水传播特性，本次平面二维数学模型的计算范围分为坝上及坝下两段。坝上段为三峡大坝至葛洲坝坝前5#站全长约38km的河段，考虑到该河段蜿蜒曲折，计算网格采用河势贴体正交曲线网格形式，网格数为1200
×
60，水流方向网格间距20～50m，整个计算区域内垂直水流方向网格间距5m～20m，。坝下段自葛洲坝至枝城全长约63.8km，计算网格同样采用河势贴体正交曲线网格形式，网格数为1400
×
60，水流方向网格间距40～60m，垂直水流方向网格间距5m～20m。
[0211]
第二步：边界条件处理
[0212]
两坝间河段：以三峡出库流量过程作为进口边界条件，以葛洲坝坝前5#站相应水位过程作为出口边界条件。
[0213]
葛洲坝～枝城段：以葛洲坝出库流量过程作为进口边界条件，以枝城站相应水位过程作为出口边界条件。
[0214]
第三步：模型率定与验证
[0215]
数学模型用于水流模拟分析之前，需要对其中的参数进行率定，并对其模拟效果进行验证。参数率定的内容是根据实测资料对模型的糙率系数等进行率定，模型验证是利用率定好的模型对河段内不同流量级下的水流情况进行复演，以检验模型是否能反映河道
水流变化特征。
[0216]
本模型以2016年12月实测地形为基础，首先以2016年以来计算河段内各水位站点的实测水流资料对恒定流模型进行糙率等参数的率定，在此基础上，进一步率定非恒定流模型的糙率参数。在计算河段内，糙率的取值范围约为0.012～0.063。
[0217]
模型验证资料的选取兼顾了多个流量级及资料最新等特点，验证时段取为2013.07～2016.12，时间跨度与水文过程分配较为合理，两坝间及葛洲坝～枝城段各测站断面位置分别如模型恒定流验证所依据的水文资料表所示。
[0218][0219][0220]
模型恒定流验证所依据的水文资料表第四步：恒定流验证情况
[0221]
(1)两坝间河段
[0222]
对2013年～2016年5个不同流量级下沿程水流情况进行验证，所采用的水文资料见表6.3-1，恒定流模型计算得出的各测站水位与实测值比较见表不同流量下水文测站水位验证结果(q＝5410m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝10500m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝22500m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝30500m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝34890m3/s)表。由上述表可见，在5410m3/s、10500m3/s、22500m3/s、30500m3/s、34890m3/s等5个不同的流量级下，沿程各站水位误差多在
±
0.03m以内，计算值与实测值符合较好。
[0223][0224]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝5410m3/s)表
[0225][0226]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝10500m3/s)表
[0227][0228]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝22500m3/s)表
[0229][0230]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝30500m3/s)表
[0231][0232][0233]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝34890m3/s)表
[0234]
(2)葛洲坝～枝城段
[0235]
对2016年4个不同流量级下沿程水流情况进行验证，所采用的水文资料见模型恒定流验证所依据的水文资料表，恒定流模型计算得出的各测站水位与实测值比较见不同流量下水文测站水位验证结果(q＝5720m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝14000m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝26500m3/s)表、不同流量下水文测站水位验证结果(q＝34400m3/s)表。由模型恒定流验证所依据的水文资料表可见，在5720m3/s、14400m3/s、26500m3/s、34400m3/s等4个不同的流量级下，沿程各站水位误差均在
±
0.02m以内，计算值与实测值符合较好。
[0236]
测次流量级沿程站点资料类别2016.12.315720沿程共8个站点沿程水位2016.04.2114000沿程共8个站点沿程水位2016.07.1726500沿程共8个站点沿程水位2016.07.0234400沿程共8个站点沿程水位
[0237]
模型恒定流验证所依据的水文资料表
[0238]
测站8号站李家河宜昌宝塔河胭脂坝艾家镇虎牙滩杨家嘴实测值39.7739.5339.7939.0739.0438.8938.6238.36计算值39.7739.5239.7839.0539.0338.8838.6338.36误差0-0.01-0.01-0.02-0.01-0.010.010.00
[0239]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝5720m3/s)表
[0240]
测站8号站李家河宜昌宝塔河胭脂坝艾家镇虎牙滩杨家嘴实测值43.4842.9143.0642.1842.0641.8441.5340.87计算值43.4742.9243.0542.1742.0741.8641.5240.87误差-0.010.01-0.01-0.010.010.02-0.010.00
[0241]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝14000m3/s)表
[0242]
测站8号站李家河宜昌宝塔河胭脂坝艾家镇虎牙滩杨家嘴实测值47.7847.2547.2846.5746.2645.9245.5244.59计算值47.7747.2547.2946.5546.2645.9345.5044.60误差-0.010.000.01-0.020.000.01-0.020.01
[0243]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝26500m3/s)表
[0244]
测站8号站李家河宜昌宝塔河胭脂坝艾家镇虎牙滩杨家嘴实测值49.9649.4249.4448.7348.4548.1347.6846.67计算值49.9549.4249.4348.7348.4648.1347.6746.67误差-0.010.00-0.010.000.010.00-0.010.00
[0245]
不同流量下水文测站水位验证结果(q＝34400m3/s)表
[0246]
第五步：非恒定流验证情况
[0247]
(1)、两坝间河段
[0248]
非恒定流验证计算中，上游流量根据三峡整点出库流量结合三峡电站调度实况插值取得，下游水位为5#站相应水位过程(图2)，糙率由各流量区段相邻两级流量下恒定流计算所得糙率插值取得，计算时间步长取10s。选取2017年7月8日7时至12时10分期间非恒定流过程进行验证，沿程各站点水位及黄陵庙站流量验证结果分别如图3、4及图5所示，两坝间10个测站计算水位过程与实测水位过程拟合较好，涨落趋势一致，水位误差多在
±
0.05m以内；黄陵庙站计算流量过程与实测过程吻合较好，最大误差为3.65％，模型验证满足《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》等规范要求，能够正确反映该河段非恒定流的传播过程，可以用作两坝间洪水传播特性的研究计算。
[0249]
(2)、葛洲坝～枝城段
[0250]
选取2017年7月8日19时30分至9日2时10分期间坝下段洪水过程进行验证，计算中上游流量根据葛洲坝整点出库流量结合电站调度实况插值取得，下游水位为枝城站相应水位过程(图16)。沿程各站点水位及宜昌站流量验证结果分别如图6及图7所示，坝下游宜昌及枝城2个水文站点的计算流量过程与实测过程吻合较好，最大误差为3.86％，模型验证满足《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》等规范要求，能够正确反映该河段非恒定流的传播过程，可以用作葛洲坝～枝城段洪水传播特性的研究计算。
[0251]
第六步：两坝间河段非恒定流传播规律分析
[0252]
(1)非恒定流过程的重现模拟
[0253]
在三峡-葛洲坝联合调度运行的实际过程中，由于上游出库流量及下游水位的经常性调节，两坝间形成了水位、流量等随时间明显改变的电站非恒定流，基于此，本次计算选取2015年6月及2017年汛期共5个典型的洪水调度过程进行实测非恒定流过程的重现模拟，以研究两坝联合调度下非恒定水流在其间的传播特性及规律。
[0254]
(2)计算工况
[0255]
1)实时工况1：
[0256]
计算时间为2015.06.01 20:00—2015.06.02 18:00，总历时22小时。为配合“东方之星”救援行动，三峡出库流量由6月2日上午7时30分的17200m3/s急剧减至12时的6980m3/s，流量变幅4小时内达10000m3/s以上；5#站水位整体在63.4m以上，调度前整体呈下降趋势，调度过程中有0.2～0.4m的小幅涨落，调度结束后则呈稳步上涨趋势，具体进出口边界过程如图8所示。
[0257]
2)实时工况2：
[0258]
计算时间为2017.07.01 06:00—2017.07.02 06:00，总历时24小时。为应对“长江1号”洪水，减缓城陵矶地区的防洪压力，7月1日12时起三峡出库流量逐步减小，至15时流量减至18600m3/s，15～21时流量变化不大，21时出库流量再次呈阶梯式减小，至7月2日1时，出流减至13000m3/s并暂时维持稳定；模型5#站水位过程在用电高峰时段有涨有落，整体上维持在65.8m，15时后水位逐渐由66m降至7月2日6时的64.5m，具体进出口边界过程如图9所示。
[0259]
3)实时工况3：
[0260]
计算时间为2017.07.27 11:00—2017.07.28 06:40，总历时19小时40分钟。7月27日11时起，模型进口三峡出库流量由22400m3/s缓慢增加至14时的23100m3/s，此后出库流量减小，至18时减至17800m3/s，18时至22时用电高峰出库流量逐渐增至24900m3/s，随后至1时减至13500m3/s，1时～7时，出库流量基本稳定在13200m3/s；模型5#站水位自11时63.88m起稳定增至15时66.16m，此后至19时整体呈下降趋势，减少约0.6m，19时至24时用电高峰时段，5#站水位再次缓慢上升并在65.8m附近波动，0点～7点，水位回落至63.8m，具体进出口边界过程如图10。
[0261]
4)实时工况4：
[0262]
计算时间为2017.08.27 20:00—2017.08.28 15:00，总历时19小时，三峡出流及5#站水位过程均呈陡涨陡落态势。8月27日21时起，模型进口三峡出库流量由22200m3/s减至凌晨1时的12500m3/s，至凌晨4时出库流量基本稳定，4时后出库流量加大，于28日10时增至27100m3/s，此后至15时均保持不变；模型出口5#站水位过程与三峡出流过程整体趋势一致，28日0～6时水位由65.84m下降至64.47m，此后随着三峡出流的增加水位持续上升，至10时增至66.11m，10～15时，5#站水位在66m附近小幅度波动，基本保持稳定，具体进出口边界过程如图11。
[0263]
5)实时工况5：
[0264]
计算时间为2017.09.3010:00—2017.10.01 08:00，总历时22小时。过程伊始，三峡出流由12时的25000m3/s骤减至14时的19500m3/s并维持稳定，16时30分又开始急剧下降，两小时后减至14300m3/s，此后三峡出库呈小幅涨落趋势；5号站水位过程整体趋势与三峡出流过程一致，水位在66～68m间波动，具体进出口边界过程如图12。
[0265]
(3)计算结果
[0266]
1)实时工况1：
[0267]
实时工况1两坝间各测站流量变化过程如图13所示。由图13可知，当三峡——葛洲坝联合调度频繁时，两坝间将会产生不同幅度的非恒定流波动，整体看来，流量波动幅度自
上游到下游逐渐增大。2015.06.01 20:00—2015.06.02 18:00期间，非恒定流波动主要集中于两电站大幅度调蓄后，如6月1日23点后，三峡电力调峰完成，出库保持稳定，约半小时后5号站水位也较为稳定，此期间两坝间流量呈较明显的振荡趋势，但波动幅度逐渐减小，其中同一时刻南津关与三峡出流最大流量差达12.12％；第二个流量波动较大时段为2日12时三峡三次应急调度以后，14时20分～15时20分期间，出库流量及坝前水位均较为稳定，此时南津关与三峡出流最大流量差达16.31％。
[0268]
2)实时工况2：
[0269]
实时工况2两坝间各测站流量变化过程如图14所示，在2017.07.0106:00—2017.07.02 06:00期间，非恒定流波动主要集中于两电站大幅度调蓄后，如7月1日16点～17点三峡调峰完成进入稳定出流阶段，此期间葛洲坝坝前水位波动较小，同一时刻南津关与三峡出流最大流量差达5.91％；22点～24点三峡及葛洲坝均调节完成进入稳定出流阶段，同时刻下南津关与三峡出流最大相差高达13.15％。
[0270]
3)实时工况3：
[0271]
实时工况3两坝间各测站流量变化过程如图15所示。由图15可知，7月27日11～14点间5#站水位持续上涨，葛洲坝坝前产生了自下游向上游传播的逆落波，自南津关至覃家沱传播时间约33min，各测站流量随之相继减少；16点50分～17点40分期间，三峡出库及5#站水位基本维持稳定，由于河道的槽蓄作用，两坝间水流仍未回稳，各站流量波动较大，同一时刻南津关与三峡出流最大相差8.76％；18点30分～20点期间，5#站水位较为稳定，三峡出库流量由18000m3/s急速增加至24000m3/s，三峡坝下随之生成一个自上向下的顺涨波，该波动自三峡传至南津关约历时34min；7月28日凌晨1点后，三峡出库流量基本稳定，5#站水位逐步降低，葛洲坝坝前因此再次产生幅度较大的逆涨波，该波自南津关传至覃家沱历时仍约33min。
[0272]
4)实时工况4：
[0273]
实时工况4两坝间各测站流量变化过程如图16所示。8月28日1点前，三峡电站完成第一轮大幅度调峰，此后尽管三峡出流维持恒定，但在河道的槽蓄作用及葛洲坝坝前水位持续性下降的共同影响下，河段内不断产生不同幅度的非恒定流波动，其中3点30分～3点50分期间，5#站水位稍作稳定，此期间南津关与三峡出流最大相差达13.35％；9点后，三峡出流在经历第二轮大幅调峰后再次恢复稳定，葛洲坝坝前水位则在65.9m～66.2m间起伏波动，11点10分～13点30分期间5#站水位波动幅度明显减小，整体较为平稳，此期间南津关与三峡出流最大相差达3.53％。
[0274]
5)实时工况5：
[0275]
实时工况5两坝间各测站流量变化过程如图17所示。2017.09.3010:00—2017.10.01 8:00期间，两坝间流量波动受葛洲坝反调节影响较为明显，如9月30日18点30分～20点30分及22点30分～10月1日1点30分，葛洲坝坝前水位涨落较为剧烈，最快涨速达1m/h，河段内出现典型的逆涨波、逆落波现象。10月1日5点半～7点半，河段进出口边界较为稳定，此期间南津关与三峡出流最大相差达7.09％，黄陵庙与三峡出流最大相差达6.71％。
[0276]
综合分析5个实时工况下两坝间流量变化过程，并统计各工况下同时刻沿程流量与三峡出流的差值，见同时刻下沿程流量与三峡出流的最大误差百分比表。可以看出，在三峡——葛洲坝联合调度运行时，河段内流量波动幅度整体表现为沿程增大，并随着边界条
件的稳定而趋于稳定。2015年6月，两坝间流量波动整体较为剧烈，同时刻下最大波动均在
±
5％以上，其中黄陵庙站相差-20.41％～18.02％；其余工况下三斗坪以上段波动均在
±
5％以内，同时刻下南津关与三峡出库流量相差-24.68％～25.82％，黄陵庙与三峡出流相差稍小，在-13.05％～16.34％之间波动。
[0277][0278][0279]
同时刻下沿程流量与三峡出流的最大误差百分比表
[0280]
第七步：非恒定流传播规律的概化计算
[0281]
(1)概化工况
[0282]
根据2015年水利部批复的《三峡(正常运行期)——葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》，三峡出库最大通航流量为56700m3/s，限制性通航流量为45000m3/s，葛洲坝坝前运行水位为62.5～66.5m，葛洲坝库水位最大日变幅应不大于3.0m，最大小时变幅应小于1.0m。结合三峡电站满发流量30000m3/s，枯水期下泄流量6000m3/s等特征值，拟定出不同流量级各典型调度方案下共20个概化工况，以分别分析三峡与葛洲坝电站在调度过程中对区间内非恒定流形成的影响，各工况下河段进出口边界过程如非恒定流传播规律概化计算工况表。
[0283][0284]
非恒定流传播规律概化计算工况表
[0285]
(2)计算结果
[0286]
1)概化工况1：
[0287]
概化工况1为枯水期三峡典型调峰情况，调峰前稳定基流6000m3/s，涨水历时1h，涨幅2400m3/s，葛洲坝坝前水位稳定在63.0m，图18及图19分别显示了工况1下两坝间沿程流量及水位变化过程。分析可知，受三峡调节影响，两坝间依次产生了三类波型，一种是流量突变引起的顺涨波，顺涨波峰自上而下顺序出现，从三峡坝下传播至南津关共历时约31min；第二种是由于水流传至葛洲坝反射而生的自下而上的逆涨波，波峰由南津关传至三峡坝下约历时21min；第三种是自上向下的顺落波，与前两类波相比，该波已明显衰减。至此两坝间水流达到基本稳定，历时约272min，此后水流在两坝间缓慢振荡，历经约320min，河段水流条件可再次恢复稳定。此外，由于三峡调峰引起的瞬时附加流量及水位的变化在逆涨波过程中达到最大，其中南津关最大流量变幅达996m3/s，占基流11.85％，覃家沱水位变幅最大达0.149m，水位波动自上游到下游逐渐减弱。
[0288]
2)概化工况2：
[0289]
与概化工况1相比，概化工况2每小时涨幅增至5000m3/s，其余条件保持一致，图20及图21分别展示了工况2下两坝间沿程流量及水位变化过程。由图20、21可知，概化工况2下水流波动过程与工况1下大体相同，波动传播时间仍在33min左右，河段在315min后也完全
恢复稳定。不同的是，沿程流量及水位变幅明显增加，南津关流量最大变幅达1600m3/s，占基流14.55％，覃家沱水位变幅最大达0.273m。
[0290]
3)概化工况3：
[0291]
概化工况3为一般流量下三峡典型调峰情况，调峰前稳定基流10000m3/s，涨水历时2h，涨幅6000m3/s，葛洲坝坝前水位稳定在64m，图22及图23分别展示了工况3下两坝间沿程流量及水位变化过程。由图可知，与枯水期工况相比，该工况下三峡调峰引起的波型主要是顺涨波及逆涨波，顺落波已基本消失，河段恢复稳定所需时间因此大幅减少，调峰完成后约96min达到基本稳定，约246min后达到完全稳定状态，波峰传播时间约为33min。同样，在逆涨波过程中沿程水位流量波动最为强烈，其中南津关最大流量变幅达700m3/s，占基流4.38％，覃家沱水位变幅最大达0.117m。
[0292]
4)概化工况4：
[0293]
与概化工况3相比，概化工况4涨幅近成倍增大，出口边界水位则保持一致。图24及图25分别展示了概化工况4条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图24、25可知，调峰所引起的水流波动过程与概化工况3基本一致，波峰波传播时间仍约为32min，但波动程度有所增强，南津关流量最大变幅达836m3/s，占基流4.18％，覃家沱水位变幅最大达0.144m；边界条件稳定后，历经约102min达到基本稳定，约261min后完全稳定，与概化工况3相比均有所增加。
[0294]
5)概化工况5：
[0295]
与前述涨水工况不同，概化工况5为三峡出力减少情况，调峰前稳定基流10000m3/s，历时1h退至6000m3/s，葛洲坝坝前水位稳定在64m，图26及图27分别展示了概化概化工况5下两坝间沿程流量及水位变化过程。由图26\27可知，三峡出库流量的减少在其下游主要生成了两种波型，一是顺流而下的顺落波，传播时间约为39min，二是波动经葛洲坝反射形成的逆落波，此后波动在两坝间逐渐减弱趋于稳定。与同流量级下三峡出力增大情况相比，出力减少产生的两坝间流量波动过程更为剧烈，河段恢复稳定所需时间明显增大，调峰完成后约400min达到基本稳定，约560min后达到完全稳定状态。波动程度由上游至下游逐渐增强，南津关站最大流量变幅达2360m3/s，占基流23.6％，覃家沱水位变幅最大达0.244m。
[0296]
6)概化工况6：
[0297]
与概化工况4相比，概化工况6基流流量成倍增加，其余条件保持一致。图28及图29分别显示了概化工况6条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图28、29可知，两坝间水流波动过程与概化工况4相似，涨波传播时间仍为32min，但波动程度明显减弱。边界条件稳定后，南津关流量最大变幅达400m3/s，占基流1.35％，覃家沱水位变幅最大为0.08m，历经约96min达到基本稳定，约3小时河段水流条件达到完全稳定。
[0298]
7)概化工况7：
[0299]
与概化工况6相比，概化工况7在2h内进口流量多增加了5000m3/s，图30及图31分别展示了工况7条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图30、31可知，两坝间水流波动过程与工况6相似，顺涨波传播时间为30min，波动程度稍有增大。边界条件稳定后，南津关流量最大变幅达540m3/s，占基流1.55％，覃家沱水位变幅最大为0.107m，历经约105min达到基本稳定，约198min后，河段可恢复完全稳定，与工况6相比，历时增加约10min。
[0300]
8)概化工况8：
[0301]
与概化工况7相比，概化工况8涨水历时增加1h，图32及图33分别展示了概化工况8条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图32、33可知，两坝间水流波动过程与工况7相似，顺涨波传播时间为32min，波动程度有所减小。边界条件稳定后，历时约96min河段基本稳定，约177min后完全稳定，在此期间，南津关最大流量变幅达308m3/s，占基流0.88％，覃家沱水位变幅最大为0.061m。
[0302]
9)概化工况9：
[0303]
概化工况9为枯水期三峡出力减少情况，调峰前稳定基流20000m3/s，历时2h退至10000m3/s，葛洲坝坝前水位稳定在64m，图34及图35分别展示了概化工况9下两坝间沿程流量及水位变化过程。由图34、35可知，与相同基流下三峡出力增大情况相比，出力减少产生的两坝间流量波动过程更为剧烈，河段恢复稳定所需时间明显增大，调峰完成后约170min达到基本稳定，约260min后达到完全稳定状态，波峰传播时间约为33min。波动程度由上游至下游逐渐增强，南津关站最大流量变幅达1730m3/s，占基流8.7％，覃家沱水位变幅最大达0.109m。
[0304]
10)概化工况10：
[0305]
与前述调峰工况不同，概化工况10为三峡电站满发情况下的泄流过程，与工况8相比，基流增加至30000m3/s，葛洲坝坝前水位增至65m，其余条件均一致。图36及图37分别展示了概化工况10条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图36、37可知，该工况下两坝间波动传播特征与前述工况较为一致，顺涨波传播时间约31min，但逆涨波接近消失，边界条件稳定后，约73min后河段基本稳定，经177min后河段达到完全稳定。在此期间，南津关最大流量变幅达110m3/s，占基流0.25％，覃家沱水位变幅最大仅0.021m。
[0306]
11)概化工况11：
[0307]
与概化工况10相比，概化工况11在3h内将三峡出库流量减至15000m3/s，5号站水位稳定在64m，图38及图39分别展示了工况11条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图38、39可知，与相同基流下三峡出力增大情况相比，出力减小造成的两坝间非恒定流变化更为剧烈，河段恢复稳定所需时间增加，调峰完成后约120min达到基本稳定，约210min后达到完全稳定状态，波峰传播时间约为33min。波动程度由上游至下游逐渐增强，南津关站最大流量变幅达1330m3/s，占基流4.4％，覃家沱水位变幅最大达0.187m。
[0308]
12)概化工况12：
[0309]
概化工况12为限制性通航流量下的泄流过程，3h内基流由45000m3/s增加至最大通航流量56700m3/s，葛洲坝坝前水位稳定在66.5m，图40及图41分别展示了工况12条件下两坝间各站点的流量及水位变化过程。由图40、41可知，该工况下两坝间波动传播特征与工况10较为一致，顺涨波传播时间约31min，逆涨波消失，泄流完成后约126min河段达到完全稳定。在此期间，南津关最大流量变幅仅80m3/s，占基流0.18％，覃家沱水位变幅最大仅0.038m。
[0310]
13)概化工况13：
[0311]
概化工况13为典型泄水过程，图42及图43分别展示了概化工况13条件下沿程站点的流量及水位变化过程。由图42、43可见，三峡出流减少产生了顺流而下的顺落波，传播时间约为27min。泄流完成后，南津关流量变幅最大为485m3/s，占基流1.62％，覃家沱水位变幅最大达0.093m，历经约87min达到基本稳定，约177min后恢复至完全稳定状态。
[0312]
14)概化工况14：
[0313]
与概化工况13相比，概化工况14基流增至最大通航流量57600m3/s，其余条件均保持一致，图44及图45分别展示了概化概化工况14条件下沿程站点的流量及水位变化过程。由图44、45可见，两坝间水流波动过程与工况13基本一致，顺落波传播时间为32min，波动程度略有减小。泄流完成后，南津关流量变幅最大为207m3/s，占基流0.50％，覃家沱水位变幅最大为0.04m，历经约72min达到基本稳定，约144min后恢复至完全稳定状态，与工况13相比，恢复稳定所需时间明显减少。
[0314]
15)概化工况15：
[0315]
自概化工况15起三峡出库流量稳定在30000m3/s，以此探究不同葛洲坝反调节情况下非恒定流的波动特征，概化工况15中葛洲坝水位即在3h内自66.5m均匀下降至64.4m。图46及图47分别展示了概化工况14条件下沿程站点的流量及水位变化过程。由图46、47可知，两坝间河段受葛洲坝反调节作用，产生了自下游向上游的逆涨波，传播时间约为30min；沿程流量波动自下游往上逐渐减小，边界条件稳定后，南津关最大流量变幅达3490m3/s，占基流11.63％，覃家沱水位变幅最大为0.036m，历经约72min达到基本稳定，约162min后恢复至完全稳定状态。
[0316]
16)概化工况16：
[0317]
与概化工况15相比，概化工况16条件下葛洲坝坝前水位降速已达最大值，为-1m/h，图48及图49分别展示了葛洲坝坝前水位进一步减小时两坝间各站点的流量及水位变化过程。与概化工况15相比，传播时间仍约为30min，但该工况下逆涨波的涨幅明显增大，边界条件稳定后，南津关最大流量变幅达4876m3/s，占基流16.25％，覃家沱水位变幅最大为0.041m，历经约78min达到基本稳定，约165min后恢复至完全稳定状态。
[0318]
17)概化工况17：
[0319]
与概化工况16相比，概化工况17条件下葛洲坝坝前水位由65.5m在3h内下降至62.5m，其余条件保持一致，图50及图51分别展示了葛洲坝坝前水位进一步减小时两坝间各站点的流量及水位变化过程。与工况16相比，传播时间约为36min，逆涨波的涨幅有所减小，边界条件稳定后，南津关最大流量变幅达4097m3/s，占基流13.66％，覃家沱水位变幅最大为0.037m，历经约78min达到基本稳定，约168min后恢复至完全稳定状态。
[0320]
两坝间沿程水位、流量变化与三峡泄流过程及葛洲坝坝前水位均密切相关，当三峡电站调峰改变出流时，在其下游将形成沿水流方向传播的顺涨波或顺落波，而当葛洲坝控制坝前水位进行反调节时，在其坝上将形成逆流而上的逆落波或逆涨波。结合各工况下两坝间水位、流量变化过程进行进一步分析，初步得出如下结论：
[0321]
a)当三峡出流基流及涨幅相同时，变幅速率越大，两坝间沿程水位流量变幅越大，非恒定流波动特征越明显。
[0322]
b)当基流及出流变动历时相同时，涨速越大，即泄流变幅相对越大，两坝间沿程水位流量变幅越大，非恒定流特征更加明显。
[0323]
c)当三峡出流涨幅及历时均相同时，基流越小，两坝间沿程水位流量变幅越大，非恒定流波动特征越明显。
[0324]
d)在三峡出库流量保持恒定，仅有葛洲坝反调节作用时，坝前水位变化越迅速，变化幅度越大，两坝间沿程水位、流量变幅越大，非恒定流特征更加明显。
[0325]
第七步：传播及稳定时间分析
[0326]
综合分析计算结果可知，两坝间非恒定流的波动幅度因出库流量及坝前水位过程的变化而有所不同，但其在两坝间的传播时间较为稳定，各工况下非恒定流波动自三峡大坝传至葛洲坝坝前5#站约历时27～33min。
[0327]
为具体分析不同调蓄工况引起的非恒定波动的传播规律，统计各基流下三峡调度后河段恢复稳定所需的最长时间，具体如图52所示。可以看出，最长稳定时间整体上随基流增大而减少，最长约480min，最短约80min；相比于涨水，退水情况下河段恢复稳定最大历时增加了40～300min，二者间差值随基流增大而减小。
[0328]
选取三峡出流小时变幅
±
5000m3/s条件下的8个典型工况进一步分析，见图53、54。可以看出，当三峡调峰速度相同时，河段稳定时间整体上表现为随基流增大而减小，其中完全稳定历时比基本稳定历时长30～120min，两者间差距亦随基流增大而减小。此外，涨水时基流在20000m3/s以下的区段及退水时基流在30000m3/s以下的区段，稳定时间随基流增大而减少的趋势最为明显。
[0329]
第八步：变幅分析
[0330]
(1)三峡出流调节
[0331]
当进出口边界条件稳定时，统计概化工况1～14下不同基流条件时各测站的最大瞬时附加流量变化范围，并绘制沿程变化趋势图，见表(三峡调节时不同基流下两坝间瞬时附加流量变化范围)及图55。总体看来，当葛洲坝坝前水位保持恒定时，三峡调峰后引起的流量变化程度自上游向下游逐渐增大，三斗坪以下河段最大变化范围均在5％以上，其中黄陵庙站瞬时附加流量最大变化范围可达-32.9％～20.6％，南津关瞬时附加流量最大变化范围可达-46.9％～28.6％，水位变幅则自上游向下游逐渐减小，其中三斗坪～乐天溪段最大波幅近0.28m。
[0332]
具体来看，当基流为10000m3/s时，沿程各站流量变化最为剧烈，6000m3/s其次，10000m3/s以上波动程度则随流量增大而逐渐减小，当基流在45000m3/s及以上时，三峡调度引起的两坝间瞬时附加流量变化范围均在3％以下。
[0333]
三峡调节时不同基流下两坝间瞬时附加流量变化范围单位：％
[0334][0335]
(2)葛洲坝反向调节
[0336]
当进出口边界条件稳定时，统计工况15～17下各测站的最大瞬时附加流量变化范围，并绘制沿程变化趋势图，见表反调节时各工况下两坝间最大瞬时附加流量变化范围及图56。总体来看，当三峡出流一定时，葛洲坝反调节引起的瞬时附加流量变化程度自上游向下游呈线性增加趋势，坝河口以下河段最大流量波动均在5％以上，其中黄陵庙站最大变化范围可达-7.3％～6.4％，南津关最大变化范围可达-15.9％～14.2％，与同一基流下三峡单独调节时相比，两坝间沿程最大瞬时附加流量变化范围明显增加。此外，葛洲坝反调节速率越大，流量波动程度越明显，以黄陵庙为例，当葛洲坝坝前水位小时变幅0.7m时，最大瞬时附加流量变化均在
±
5％以内，当水位变幅达到最大，即
±
1m/h时，最大瞬时附加流量变化可达-7.3％～6.4％。
[0337][0338]
第九步：特用葛洲坝～枝城段洪水传播规律分析验证
[0339]
受上游三峡及葛洲坝电站调节影响，坝下游将形成沿水流方向传播的顺涨波或顺落波，本次计算选取2015年6月及2017年汛期共3个典型的洪水调度过程进行实测非恒定流过程的重现模拟，旨在研究电站调度时坝下河段洪水的传播特性及规律。
[0340]
(1)典型洪水过程的重现模拟
[0341]
1)实时工况1
[0342]
计算时间为2015.06.01 20:00—2015.06.02 18:00，总历时22小时。6月2日7点前，葛洲坝按照正常电力计划调度，2日上午8时后，为配合“东方之星”救援行动，葛洲坝出库流量急剧减小，至12点半出库流量仅约6800m3/s，期间枝城站水位在39.5～40.5m间波动，具体进出口边界过程见图57。
[0343]
2)实时工况2：
[0344]
计算时间为2017.07.01 07:00—2017.07.02 08:00，总历时25小时。配合三峡调度计划，葛洲坝出库流量自1日12时30分起逐渐减小，至16时减至19600m3/s，16～20时流量基本稳定，此后流量再次逐渐减小，至2日2时30分，流量减至13500m3/s并基本保持稳定；枝城站水位随葛洲坝出流减小后开始逐渐消退，自1日15时至2日8时水位下降约2m，具体进出口边界过程见图58。
[0345]
3)实时工况3：
[0346]
计算时间为2017.08.27 18:30—2017.08.29 06:30，总历时36小时，葛洲坝出流呈陡涨陡落态势。8月27日21时起，出库流量由24200m3/s减至凌晨2时的14600m3/s，至凌晨5时出库流量基本稳定，5时后出库流量加大，于28日10时增至28100m3/s，此后至22时基本维持稳定，22～24时流量骤减至18700m3/s，此后呈小幅度波动；在此期间，枝城站水位在41.4～43.2m间起伏变化，具体进出口边界过程见图59。
[0347]
(2)计算结果
[0348]
见“各工况下宜昌站洪水传播速度统计”表和图60、61、62展示了各实时工况下葛洲坝～枝城段沿程流量变化过程，可以看出，与两坝间河段相比，坝下游河段内的流量振荡不明显，当葛洲坝出库流量急剧改变时，在其下游会形成相应的顺涨(落)波，此类急变洪水波从葛洲坝传至枝城约需历时90～96min，河段断面平均流速为0.6～2.9m/s。
[0349]
考虑到在急变洪水波的形成过程中极大可能出现断波，表6.5-3统计了3场洪水过程特征值，以分析断波存在的可能性。若坝下段洪水以运动波性质传播时，其波速可按断面平均流速的1.7倍计，约为1.1～5.0m/s，与之相比，调度期间洪水波波速为11～12m/s，为运动波波速的2～10倍左右；若坝下段洪水以断波性质传播时，按公式计算该河段断波平均波速约为14～17m/s，相比之下，更接近此类洪水过程的平均波速。综合三个典型洪水调度过程可以初步得知，葛洲坝大幅度调度所产生的急变洪水波，在坝下游河段的传播规律不再符合一般的运动波特征，而是以一种接近断波速度的洪水波形式向下游传播。
[0350]
各工况下宜昌站洪水传播速度统计
[0351][0352]
(3)洪水传播规律的概化计算
[0353]
综合前述实时洪水过程可知，当上游电站发生短期大幅度调节时，坝下游河段将产生波速介于运动波与断波之间的一类洪水波，为定量研究电站不同调度情况下葛洲坝～枝城段洪水传播特性，拟定如下工况：
[0354]
1)葛洲坝初始流量分别为15000m3/s、20000m3/s、25000m3/s，历时3小时均匀增至35000m3/s，以35000m3/s维持8h后，流量开始均匀减小，3小时后分别减至原初始流量，此期
间枝城站水位稳定在40.22m，分别概化为工况1～3，见图63。
[0355]
2)葛洲坝初始流量分别为5000m3/s、10000m3/s、15000m3/s，历时3小时均匀增至25000m3/s，以25000m3/s维持8h后，流量开始均匀减小，3小时后分别减至原初始流量，此期间枝城站水位稳定在40.22m，分别概化为工况4～6，见图64。
[0356]
(4)计算结果
[0357]
如各工况下洪水传播及稳定时间统计表及图65-76
[0358]
分别显示了工况1～6沿程流量及水位变化过程，表各工况下洪水传播及稳定时间统计表总结了各工况下洪水传播特征值。分析可知，当葛洲坝出库流量增加时，产生的顺涨波传至宜昌站需9～10min，至枝城站约100～110min，当葛洲坝出库流量减少时，顺落波的传播时间略有减少，至宜昌站仅需5～6min，至枝城站约90～100min，从枝城站来看，传播时间整体上随流量增大而减小；当葛洲坝最大出库流量一定时，基流越小，流量波动越剧烈，河段恢复稳定所需时间也越长；当基流一定时，流量变幅越大，恢复稳定所需时间也越长。
[0359]
各工况下洪水传播及稳定时间统计表
[0360][0361]
分析各工况下葛洲坝～枝城河段急变洪水波的传播速度，在基流为6000m3/s～25000m3/s时，宜昌站所在断面平均流速为0.7m/s～2.1m/s，运动波波速按断面平均流速的1.7倍计，约为1.2m/s～3.6m/s，而当葛洲坝出库流量急剧改变时，模拟的急变洪水波波速可高达9.6～10.7m/s，是断面平均流速的5～14倍，运动波波速的3～8倍，由此可明确得知，在上游来流变化剧烈时，葛洲坝～枝城河段产生的波动不再符合一般运动波特征。进一步计算各工况下宜昌站所在断面的断波波速，约为14.5～16.0m/s，与断面平均流速相比，模拟洪水波波速与其更为接近。综合分析可知，当葛洲坝调度在坝下游产生急变洪水波时，该波波速明显大于一般运动波波速，以近似断波特性向下游传播，
[0362]
各工况下宜昌站洪水传播速度统计
[0363]
[0364][0365]
(5)变幅分析
[0366]
当进出口边界条件稳定时，统计不同工况下宜昌站的瞬时附加流量变化范围，见表各工况下宜昌站瞬时附加流量变化范围。分析可知，调度所引起的瞬时附加流量的变化规律与河段稳定时间基本一致，当葛洲坝最大出流一定时，基流越小，瞬时附加流量的变化越剧烈；当基流一定时，最大出流越大，瞬时附加流量变化范围越大。当最大出流为35000m3/s时，各工况下宜昌站瞬时附加流量变化范围均在
±
6％以内，当最大出流为25000m3/s时，最大波动范围高达14.0％。
[0367]
各工况下宜昌站瞬时附加流量变化范围
[0368][0369]
第十步，枢纽调度对报汛的影响分析
[0370]
总结各典型概化工况下黄陵庙、南津关、宜昌三个主要站点在边界条件稳定后的瞬时附加流量变化范围，整体上表现为在各区段自上而下流量变幅逐渐增大，如表各工况下主要水文站点瞬时附加流量变化范围所示。
[0371]
当基流为10000m3/s时，三峡电站调节所引起的两坝间流量波动最为剧烈，在河段未达到稳定时间之前，黄陵庙站瞬时附加流量变化范围可达-32.9％～20.6％，南津关站更甚，变化范围达-46.9％～28.6％，此后随基流增大两站流量变化程度逐渐减小，河段稳定时间则由最长480min逐渐缩减至最长102min；与三峡电站调节相比，当基流为30000m3/s时，葛洲坝反调节所引起的两坝间流量波动更为明显，其中黄陵庙站波动范围为-7.3％～6.4％，南津关站则达-15.9％～14.2％。
[0372]
分析坝下游宜昌站附加流量变化，可知在最大出流为35000m3/s时，宜昌站变化范围不超过
±
6％，最大出流为25000m3/s时，附加流量波动程度有所增加，为-3.5～14.0％，在葛洲坝出库调节约100～180min后，宜昌站附加流量的影响趋于消失。
[0373]
各工况下主要水文站点瞬时附加流量变化范围
[0374][0375][0376]
通过以上分析可知，本预测方法可行。

技术特征：
1.一种库区沿程流量预测方法，其特征是：所述的方法包括参数测定、模型计算；所述的参数测定，测定库区流量、水深、水位、区域坐标数据；所述的模型计算，包括水流运动控制方程、数值解法、定解条件；1)水流运动控制方程：正交曲线贴体坐标系下，二维水流数学模型中的基本控制方程如下：水流连续方程：ξ方向水流动量方程：η方向水流动量方程：η方向水流动量方程：式中：ξ、η分别表示正交曲线贴体坐标系中二个坐标；z表示水位；h表示水深；n为糙率系数；g为重力加速度；u、v分别表示沿ξ、η方向的流速；υ与ε分别为层流运动粘滞性系数和紊动运动粘滞性系数，二者相比一般可忽略不计；j＝c
ξ
c
η
，c
ξ
、c
η
分别表示正交曲线坐标系中的拉梅系数：a、b的表达式如下：2)数值解法:比较1～1、1-2、1-3三个方程，形式是相似的，可表达成如下的通用格式：「为扩散系数，上述1～1、1-2、1-3三个方程的差别是源项s里面，在运用控制体积法求解上式时，为了使计算收敛或加快收敛，需要对源项进行负坡线性化，即：
s＝s
p
ψ
p
+s
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-5)负线性化后，经过进一步推导1-6、1-7、1-8、1-9公式，s
p
方程：ξ方向运动方程：η方向运动方程：s
c
方程：ξ方向运动方程：η方向运动方程：对控制容积进行积分，可得如下统一形式的离散格式：a
p
ψ
p
＝a
e
ψ
e
+a
w
ψ
w
+a
n
ψ
n
+a
s
ψ
s
+b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-10)a
p
ψ
p
＝a
e
ψ
e
+a
w
ψ
w
+a
n
ψ
n
+a
s
ψ
s
+b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-11)其中，大写字母表示所研究变量所在节点，小写字母表示相应的界面,各系数表达式为：a
e
＝d
e
a(|p
△
e
|)+[|-f
e
,0|]、a
w
＝d
w
a(|p
△
w
|)+[|f
w
,0|]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-12)a
n
＝d
n
a(|p
△
n
|)+[|-f
n
,0|]、a
s
＝d
s
a(|p
△
s
|)+[|f
s
,0|]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-13)a
p
＝a
e
+a
w
+a
n
+a
s
+j
△
v/
△
t-s
p
j
△vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-14)计算符号a(|p
△
|)＝[|0,(1-0.1|p
△
|)5|]，[|f
w
,0|]＝max(f
w
,0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-16)f
e
＝(uc
η
)
e
△
η,f
w
＝(uc
η
)
w
△
η,f
n
＝(vc
ξ
)
n
△
ξ,f
s
＝(vc
ξ
)
s
△
ξ，p
△
＝f/d其中，
△
ξ、
△
η、δξ、δη分别表示控制体的长度和高度、控制节点之间纵向和横向距离；上述各系数因为包含有未知量，因此需要给定初值后，求解各变量，然后更新系数，再次求解，依此不断迭代，直至求出收敛解,由于在求解流场时流场水位未知，水位的梯度是隐藏在动量方程的源项里,若要求解，需要将连续性方程在控制体内积分，然后u、v、h同时求解，这样将需要消耗巨大的资源，因此通常采用分离式求解，通过假定一个水位场之后，在通过一定的办法进行压力修正；3)定解条件3.1)边界条件河段进口边界给定三峡出库流量过程，相应的进口边界流速分布采用以下公式计算：此处，h为第i个网格结点处的水深，q为断面流量，b为断面河宽，a为断面面积,采用上式计算出流速以后再次进行总流量的校正,河段出口边界则给定葛洲坝坝前5#站相应水位过程；对于河道两岸的边界则采用水流无滑动条件，即岸边流速为零；3.2)初始条件初始水位场利用计算域上、下游水位和断面间距进行线性插值，在断面上可以不考虑横比降。在计算域较长时，可采用推求水面线的办法给出二维域中某几个断面的水位，然后分段进行线性插值；对于初始速度场，η方向上v＝0，ξ方向上u与进口断面流速边界计算方法相同，并进行断面总流量校正,由于ξ、η正交曲线网格是基于势流理论生成，上述沿ξ、η方向给值，在势流区初值已离解较近，在回流区初值与收敛解则差别较大，但计算表明，随着迭代计算的进行，上述初值的影响会逐步消失；通过以上步骤建立库区沿程流量预测模型，并运用预测模型进行水库区沿程及其下游流量预测。2.根据利要求1中一种库区沿程流量预测方法，其特征是：在所述模型计算中；2)数值解法中，离散方程求解时采用simple算法，具体步骤如下：a.假设一个水位场，记为z
*
；b.利用z
*
，求解动量离散方程，得出相应的速度u
*
，v
*
；c.利用质量守恒来改进水位场，要求与改进后的压力场对应的速度场能满足连续性方程，修正量以h'，u'，v'表示；d.以h+h'，u+u'，v+v'作为本层次迭代的解开始下一层次的迭代计算。

技术总结
一种库区沿程流量预测方法包括参数测定、模型计算；所述的参数测定，测定库区流量、水深、水位、区域坐标数据；所述的模型计算，包括水流运动控制方程、数值解法、定解条件。本发明的优点是，通过建立一个库区沿程流量预测模型，可对出库区沿程及其下游流量进行预测。可对出库区沿程及其下游流量进行预测。可对出库区沿程及其下游流量进行预测。


技术研发人员：闫金波 李秋平 侯爱中 胡琼方 刘天成 王宝成 牛兰花 陶治 谭尧耕 邹涛 石明波 田苏茂 胡焰鹏 伍勇
受保护的技术使用者：水利部信息中心
技术研发日：2022.08.10
技术公布日：2023/8/24