万家寨水库入库水沙特征及适应性调度策略研究

发布时间：2020-06-05 07:43

【摘要】：水沙是河流系统的基本要素和动力因子,其非平稳的时间序列过程常表现为复杂且变化的非线性过程,在一定时间尺度下具有复杂系统的自相似等特征。黄河以水少沙多、含沙量高而著称,而万家寨水利枢纽作为黄河中游梯级开发规划的第一级,研究其水沙特性及变化特征是水库水沙调度的有效参考途径。基于此,本文以万家寨水库入库水沙特征及适应性调度策略为主要研究内容,分别开展万家寨水库入库水沙过程特征变化、水沙序列分形特征以及二者之间的互相关特性研究并基于BP神经网络建立万家寨入库水沙预测模型。本文的主要研究工作和成果包括:(1)采用变化范围法(RVA法)对龙羊峡、刘家峡水库运行前后黄河头道拐水文站日均径流量和含沙量数据进行分析,量化评价水沙变化程度。在定量分析的成果上,结合Copula函数,进一步探讨了水库运行前后月水沙丰枯遭遇和同步频率的变化规律。研究结果表明龙刘水库运行后,头道拐水文站径流量和含沙量减少,二者整体均发生中度改变,径流量整体改变度高于含沙量整体改变度;汛期内和极大值情况下水沙受影响程度较高;月水沙同步频率增加,非畅流期同步率变化显著,畅流期内同步频率大于异步频率。(2)基于黄河头道拐站日径流量和日含沙量资料,应用多重分形去趋势波动分析法(MF-DFA)和多重分形互相关分析法(MF-DXA)研究该水文站水沙序列的多重分形特征和互相关关系。研究结果表明:水、沙序列均具有多重分形特征,含沙量的多重分形特征更加明显。该特征由序列本身的概率分布和长程相关共同引起。水沙序列在100天范围内高度长程相关,大于100天后长程相关性减弱。1986年突变过程对头道拐站水沙序列的多重分形特征在大、小波动下产生了不同的影响。多重分形谱反映径流量和含沙量序列中小波动的影响占优势且含沙量序列均匀性更差。另一方面,径流量和含沙量序列之间存在长程互相关性,其相关关系具有明显的多重分形特征。(3)在万家寨入库水沙序列的变化特征和自相关特性研究结果的基础上,建立基于BP神经网络的畅流期水沙预测模型,分析结果表明水沙序列在短期内存在高度的自相关性,其时间范围分别为7天和4天;同时也证明含沙量序列的波动程度更大、序列演变过程更不平稳。以水沙互相关性为理论基础,在二者最优时间范围内将历史数据作为输入对预测模型进行优化,结果表明4天内的水沙互相关程度最高,作为输入能够得到精度最高的预测结果,有效提高了模型的可信度。水库管理者可根据分析得出的水沙变化规律,针对性采取诸如桃汛期抬高库水位、汛期增加洪水脉冲等调度策略,在不增加淤积的前提下提高水库的综合效益。同时在预测模型基础上,结合畅流期内不同月份日均水沙关系和库水位-流量-淤积关系,提出了考虑水库综合效益、防止淤积和有利下游鱼类繁衍的相应调度策略。
【图文】：

黄河上游,地理位置,万家寨水库,水文站

1.3.1 研究对象研究对象为黄河中游流域万家寨水库，其入库水文站为头道拐水文站。该水文站也是黄河上游出口站和中游入口站，如图 1-1 所示。研究数据即为该水文站1962-2010 年 49 年内的日径流量和日含沙量历史数据。万家寨水利枢纽是黄河中游梯级开发规划的第一级，位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内。万家寨水利工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪和防凌的作用。水库最高蓄水位 980.00m，正常蓄水位 977.00m，总容库 8.96 亿 m3，调节库容 4.45 亿 m3。半整体式混凝土重力坝坝顶高程 982.00m，坝顶长 443.00m，最大坝高 105.00m。万家寨水库入库的水、沙来源各自不同：径流量主要来自于黄河上游兰州以上的地区，泥沙则主要来自兰州-头道拐支流。随着气候变化以及 1986 年刘家峡和龙羊峡两座大型水利枢纽的联合运行，黄河上游的水、沙量年际分配被改变，对万家寨水库的来水来沙条件产生了显著的影响(图 1-2)。

Cantor集,任意小,区间

性又可分为单标度和多标度。为形象且直观地理解分形的定义和几种经典分形图形。)Cantor 集antor 集由德国数学家 Cantor 于 1883 年提出，被称作为一种特殊集早期分形结构中最重的结构，虽然她不可能像其他分形结构一样可到，并且很难在自然界中找到和它性质相似的结构。现在 Canto分支学科中也扮演着重要的角色。基本的 Cantor 集是在一个单位区限点集，其构造如图 3-1 所示。把区间[0,1]分成 3 个部分，取走中分即(1/3,2/3)，但是要保留点 1/3 和 2/3。这一步之后剩下两个长度间即[0,1/3]和[2/3,1]。重复这一步骤，把剩下的区间[0,1/3]和[2/3,1 个部分，并且继续取走中间的开区间部分。这一步之后产生 4 个长区间。不停重复以上步骤，也就是说在这个反馈作用下生成一个区一步之后只有 2 个区间，第二步后变为 4 个区间，，第三步后变为第 n 步后变为 2n个区间，每个区间的长度为 1/3n。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV697;TV145

【参考文献】