实时糙率分段估计方法及系统

本发明属于水利，具体涉及实时糙率分段估计方法及系统。

背景技术：

1、水资源匮乏问题会限制当地农业、工业、生活可支配的水量，从而极大程度局限地域发展和经济进步。为缓解水资源分配不均的问题，修建了不少长距离跨流域调水工程。长距离的引调水工程具有线路长、跨度广、交叉建筑物众多的特点，是较为复杂的大型系统。

2、对于输水系统来说，不确定因素较多，运行风险较大，故水情信息的收集和分析十分重要。水力模型可通过仿真弥补时空密度上信息的不足，并且通过模型更新反映系统的实时状态，保证输水系统的安全和高效。在水力模型中，确定糙率参数是一维明渠数值模拟的关键问题。糙率在实际工程中无法被直接测量，且影响因素众多，故探究糙率值的变化规律和开发估计方法一直是水力学中的重要研究课题。

3、输水渠道在运行一段时间后，由于衬砌表面混凝土老化和着生藻类的影响，渠道的糙率会发生逐年的变化。另外，大型输水系统面临调水任务重，输水流量大的挑战，这会导致水流速度快，水体的沉淀时间短，从而水体流向下游的挟沙量明显增加，输水渠道泥沙淤积严重，进一步导致了渠道的糙率变化。以往的糙率辨识仅基于野外实验数据的率定，这种率定方式不能实时估计且精度不高，并且测量误差会给率定结果带来较大影响。并且，经验方程建议在稳定均匀流动等正常条件下应用，因此忽略了与时空异质性相关的因素对糙率的影响，即尚未考虑糙率遂时间、空间的变化。显然，使用离线和固定的方程进行估计偏离了模型实时更新的要求。

4、糙率值的分布假定会影响水力模型的保真度。之前的研究大多假设渠道沿线具有统一的纵向平均值，而忽略了两个观测断面之间的糙率变化。一些针对糙率分段的研究在渠道分段时仅基于随机假定或迭代计算，并未体现影响糙率估计的因素。

5、综上所述，针对一维明渠水力模型糙率参数难以实时估计的特点，且满足渠段细化估计参数的需求，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：提出一种适用于明渠系统的实时细化糙率估计方法，该模型能够满足以下方面的要求：1)在观测数据缺失或质量较差的情况下，实现渠道糙率的准确、细化估计。2)权衡实测数据的观测误差和模型的仿真误差，以描述系统真实的水情变化和发展趋势。3)降低水位预测误差，提升模型仿真精度。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了实时糙率分段估计方法及系统，基于渠道分段进行糙率水位联合估计，能够描述系统真实的水情变化和发展趋势，实现渠道糙率的准确、细化估计。

2、本发明采用了以下方案：

3、<方法>

4、本发明提供实时糙率分段估计方法，包括以下步骤：

5、步骤1，根据渠道的水力变化和糙率估计精度分割渠道，将其分成若干距离不等的渠段；

6、根据明渠恒定非均匀流方程推导出初始水位；在相邻的两个断面使用方程，从最下游的断面反推到最上游的断面，式中使用的糙率值为整个渠道的糙率值，由enkf算法根据渠道内观测水位估计，得到两个指定断面之间的水位差；在这个过程中，水位差是时变的，观测流量是时变的，使用enkf算法更新渠段糙率值；

7、用循环计算的方式寻找适宜的分段长度，相邻两个循环之间水位差的关系如下：

8、δz(r)＝δz(r-1)+δz  (公式1)

9、式中，δz为两断面之间的水位差；r为循环次数；δz为相邻两循环之间的水位差增量；

10、循环终止条件为：

11、v(r)-v(r-1)≤μ  (公式2)

12、式中，v(r)和v(r-1)分别为第r和(r-1)次循环中糙率值的方差；μ为相邻两个循环之间方差之差的限值；

13、循环终止时，最后一个循环的方差则对应适宜的分段断面水位差，进而确定其对应的分段长度；

14、步骤2，基于分段情况，建立水位、糙率估计的状态空间方程，以不断添加观测数据更新状态量，实现实时估计的过程；

15、步骤3，估计每个渠段内的糙率值。

16、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计方法，步骤1中，在确定适宜的分段长度后，将其作为渠道分段的参考，另外还需考虑两个影响糙率变化的因素：断面尺寸变化处、取水口处；应综合考虑水力因素和糙率估计精度，基于以下原则进行渠道分段设计：

17、(1)对渠道分别独立考虑水利条件的变化和糙率估计精度的影响进行初步分段：将断面尺寸变化处、取水口处作为分段处，进行分段；根据分段长度进行分段；

18、(2)若按原则(1)的分段长度小于适宜的分段长度的一半，则删减断面，使分段长度满足适宜长度的要求；

19、(3)若按原则(1)的分段长度大于适宜的分段长度的1.5倍，则在原有分段中添加断面，缩小断面间距。

20、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计方法，在步骤1中，基于原则(1)，将根据适宜分段长度设置的断面为sa类断面，将根据断面变化处和分水口处设置的断面为sb类断面；基于原则(2)和(3)，对sa和sb这两类断面进行处理，得到合适的断面：此时任意两个断面之间的间隔长度会有两种情况，1)若实际分段长度小于适宜的分段长度的一半，则为不合适的分段长度；如任意一断面为闸门，则删除sb类断面；如任意一断面为sa类断面，则删除sa类断面；如两断面皆为sb类断面，则删除上游侧sb类断面；2)若实际分段长度大于适宜分段长度的一半但小于或等于适宜分段长度，则为合适的分段长度，可同时保留当前分段断面；处理后得到的断面作为最终分段依据，相邻断面围成分段后的一个渠段。

21、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计方法，在步骤1中，基于分段断面水位差根据明渠恒定非均匀流公式，确定其对应的分段长度。

22、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计方法，在步骤3中，在不采用渠道沿程的中间断面水位观测数据的情况下，基于已分段的渠道以及估计得到的各断面水位，进一步估计各段的糙率值；考虑水位观测量不足情况下的分段糙率估计步骤如下：

23、步骤3-1，根据相邻两个节制闸的观测断面水位，使用enkf算法，以状态空间方程估计整个渠段的糙率值n0；

24、步骤3-2，根据上一步骤的糙率值，基于明渠水力学公式，迭代推求各分段断面的水位z0；该水位作为enkf更新沿程水位的初始值；

25、步骤3-3，使用enkf算法估计渠段沿程的未测量断面水位zj，该估计水位用于下一步骤估计分段糙率值；

26、步骤3-4，根据各断面水位的时间序列，使用enkf算法估计每个渠段的糙率值nj；在此取估计时期内的平均值为最终估计值，代入水力模型仿真。

27、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计方法，在步骤2中，用于水位估计的状态空间方程组如下所示：

28、

29、式中，z为沿线断面水位；φ为与断面水力要素相关的状态转移矩阵；u为与断面流量相关的输入项矩阵；ω1为水位状态预测中添加的白噪声；y为每个断面处的水位观测值；h为观测矩阵；v1为观测噪声；k表示参数估计期内时间更新的第k步；

30、取糙率值的平方作为状态量，选取输入量和观测方程后，用于糙率估计的状态空间方程组如下所示：

31、

32、式中，n为糙率值的平方；ω2为糙率状态预测中添加的白噪声；f(z)为观测变量；γ为观测矩阵；β为与断面流量相关的观测方程中的输入项；v2为观测噪声。

33、<系统>

34、进一步，本发明还提供了实时糙率分段估计系统，能够自动实现上述<方法>，包括：

35、渠道分段部，根据渠道的水力变化和糙率估计精度分割渠道，将其分成若干距离不等的渠段；

36、根据明渠恒定非均匀流方程推导出初始水位；在相邻的两个断面使用方程，从最下游的断面反推到最上游的断面，式中使用的糙率值为整个渠道的糙率值，由enkf算法根据渠道内观测水位估计，得到两个指定断面之间的水位差；在这个过程中，水位差是时变的，观测流量是时变的，使用enkf算法更新渠段糙率值；

37、用循环计算的方式寻找适宜的分段长度，相邻两个循环之间水位差的关系如下：

38、δz(r)＝δz(r-1)+δz  (公式1)

39、式中，δz为两断面之间的水位差；r为循环次数；δz为相邻两循环之间的水位差增量；

40、循环终止条件为：

41、v(r)-v(r-1)≤μ  (公式2)

42、式中，v(r)和v(r-1)分别为第r和(r-1)次循环中糙率值的方差；μ为相邻两个循环之间方差之差的限值；

43、循环终止时，最后一个循环的方差则对应适宜的分段断面水位差，进而确定其对应的分段长度；

44、更新估算部，建立水位、糙率估计的状态空间方程，以不断添加观测数据更新状态量，实现实时估计的过程；

45、糙率计算部，估计每个渠段内的糙率值；

46、控制部，与渠道分段部、更新估算部、糙率计算部均通信相连，控制它们的运行。

47、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计系统，还可以包括：仿真预测部，与控制部通信相连，将糙率计算部得到的每个渠段的糙率值，代入水力模型进行水力仿真计算，得到仿真预测结果；输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。

48、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计系统，在渠道分段部中，确定适宜的分段长度后，将其作为渠道分段的参考，另外还需考虑两个影响糙率变化的因素：断面尺寸变化处、取水口处；应综合考虑水力因素和糙率估计精度，基于以下原则进行渠道分段设计：

49、(1)对渠道分别独立考虑水利条件的变化和糙率估计精度的影响进行初步分段：将断面尺寸变化处、取水口处作为分段处，进行分段；根据分段长度进行分段；

50、(2)若按原则(1)的分段长度小于适宜的分段长度的一半，则删减断面，使分段长度满足适宜长度的要求；

51、(3)若按原则(1)的分段长度大于适宜的分段长度的1.5倍，则在原有分段中添加断面，缩小断面间距。

52、优选地，本发明提供的实时糙率分段估计系统，在渠道分段部中，基于原则(1)，将根据适宜分段长度设置的断面为sa类断面，将根据断面变化处和分水口处设置的断面为sb类断面；基于原则(2)和(3)，对sa和sb这两类断面进行处理，得到合适的断面：此时任意两个断面之间的间隔长度会有两种情况，1)若实际分段长度小于适宜的分段长度的一半，则为不合适的分段长度；如任意一断面为闸门，则删除sb类断面；如任意一断面为sa类断面，则删除sa类断面；如两断面皆为sb类断面，则删除上游侧sb类断面；2)若实际分段长度大于适宜分段长度的一半但小于或等于适宜分段长度，则为合适的分段长度，可同时保留当前分段断面；处理后得到的断面作为最终分段依据，相邻断面围成分段后的一个渠段。

53、发明的作用与效果

54、(1)本发明根据渠道的实时水力变化和糙率估计精度分割渠道，将其分成若干距离不等的渠段，并在不采用渠道沿程的中间断面水位观测数据的情况下，估计每个渠段内的糙率值；能够反映渠道系统真实的水情变化和发展趋势，实现渠道糙率的准确、细化估计，并实现了观测数据的同化和系统状态的实时更新。

55、(2)渠道分段方案同时考虑了水力条件的变化和糙率估计的精度，使得分段估计基于反映真实状态的基础上，渠道细化并赋予不同糙率值的做法符合客观规律。

56、(3)提出的糙率实时细化方法使得模型参数更为精细化，并且相较经验公式适用性更广，估计结果更加准确。该方法可支持模型的实时运行，提高水位仿真精度，提升长距离调水工程的运行管理水平，并在时空密度上加强了系统状态的监测和预测。