变电站及周边河道管网洪水模型构建研究

变电站及周边河道管网洪水模型构建研究

方学智1  肖建华1  陈肖1  刘容伟1  张言铖1  江旭东2

1贵州电网有限责任公司凯里供电局  2中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司

摘要：针对现有洪涝灾害预报方法误差大，精度低，预见期短的技术问题，本文将多源降雨融合技术和实时校正技术与变电站洪涝灾害模拟原理融合，研究大数据背景下变电站洪涝灾害预报预警理论和方法，解决了现有预警方法中输入数据少、参数选取不准确、模型预测性能差的技术问题。

关键词：变电站，洪水模型，贝叶斯平均法，耦合模型

0引言

随着我国的工业与民用电负荷逐渐增加,变电站化进程发展迅猛.我国对电力的需求、供电可靠性提出了重高的要求。变电站肩负着变换电压的使命变电站安全稳定运行对于整个电网而言至关重要。由于贵州山区气候复杂多变，使变电站屡屡受到洪水灾害影响，造成设备故障及停电事故发生，具有频繁的发作性与严重的破坏性。给管区生活、生产造成不可估量的影响。

贵州山区已建设的电网系统中，变电站在选址时，未严格安装规范设计，缺少控制性的防洪工程，变电站上游水库防洪能力有限，区间支流来水量大，当发生超过设计频率的暴雨洪水时,地势低洼地带的变电站易被淹没。同时,暴雨山洪会侵害变电站电气设备绝缘,致使设备运行异常或故障,处于防洪标准较低地域的变电站很容易受到洪水的威胁,造成重要用户的长时间停电。同时,因为山洪灾害破坏影响的不确定性,事故发生后变电站设备与线路需要进行系统长时间的检查对变电站负责范围内的社会经济产生较大影响【1】。

1变电站洪水模型构建

通过建立降雨数据集,利用降尺度方法进行降尺度处理，基于贝叶斯平均法对尺度后的降雨数据集进行融合得到降雨数据库:构建一维管网模块、一维河网模块、二维地表漫流模型:构建一维-二维变电站雨洪耦合模型:将融合降雨数据库输入一维-二维变电站雨洪耦合模型得到降雨量的模拟值，变电站洪水模型构建过程如图1。

图1变电站洪水模型构建框架

2构建融合降雨数据库

根据卫星、雷达、微波、天气数值预报产品以及地面观测的降雨数据建立变电站降雨数据集，利用空间降尺度方法和时间降尺度方法对降雨数据集进行统一降尺度处理，基于贝叶斯平均法对降尺度处理后降雨数据集进行融合，构建融合降雨数据库。

空间降尺度方法和时间降尺度方法均采用线性插值方法，在Arcgis等常用软件中实现。如图2，DEM是数字高程模型，包含高程和坐标信息。测雨数据是指通过不同测量方法获得的降雨数据。经度和纬度就是降雨数据的坐标。高程就是海拔高度。坐标系和投影转换、提取、多元线性回归、计算残差、空间插值直接借助ArcGIS软件可完成。

以y表示多源降雨数据的融合值；D为实际降雨量(是指地面测站观测到的降雨数据)；f＝{f1，f2，…fi…fn}为n种测雨方法的雨量值集合，n指的是降雨来源的种类，是指卫星、雷达、微波、天气数值预报产品这四种；根据贝叶斯平均理论，以降尺度处理后的通过Arcgis软件操作实现的细分辨率的降雨融合值为基础，多源降雨数据融合结果可用贝叶斯后验概率分布表示为：

为多源降雨数据耦合值；为第i种测雨方法的雨量值，为第i种测雨方法后验概率。

不同测雨方法所测得的降雨数据形式不同，雨量站是点的时间序列，卫星、雷达、微波是面状的图像格式，并且时间空间尺度不同，需要进行解译统一尺度，这些可以借助Arcgis软件中的插值工具完成。融合后得到的降雨数据就是融合降雨数据库数据库。

图2多源数据融合降雨数据集构建
 

3构建一维管网模型

一维管网模块主要用于模拟变电站排水管网系统，分为降雨径流模拟和管网模拟，其中降雨径流模拟的结果是管网模拟的边界条件。构建官网模块不需要任何数据，就是水力学中的水流连续方程和水流运动方程。降雨降下来首先产生地面的径流，然后才往管网里流，所以说降雨径流模拟的结果是管网模拟的边界条件。

水流连续方程：

式中：H为测压管水头，U为流速，g为重力加速度，表示方向，表示水流与方向的夹角。

4构建一维河道模型

河道模型就是水力学中的水流连续方程和水流运动方程：

水流连续方程：

水流运动方程：

式中，q为旁侧流量，Q为总流量，s为距离坐标，A为过水断面面积，I为渠底坡降，C为谢才系数，Z为水位、B为系数、R为水力半径。

5构建二维地表模型

二维地表洪水模型以非线性长波方程为基础公式：

式中，h为地表洪水淹没深度；M，N分别为x和y轴方向的线流量；Q为检查井内的溢流量，负值时表示地表洪水流入井内流量；为计算网格的长和宽；z为地表高程；g为重力加速度；n为曼宁粗糙系数。该控制方程的离散化采用Leap-frog方法【2】。

6一维管网、二维地表模型耦合

将构件的一维河道模型、一维管网模型和二维地表模型进行耦合，得到一维‑二维雨洪耦合模型。其中，一维河道模型跟二维地表模型采用水平方向耦合，一维管网模型和二维地表模型通过竖直方向耦合。

一维河道模型跟二维地表在水平方向的耦合分为正向连接、侧向连接两种连接模式，正向连接是指水流沿运动方向通过维河道下游端点与二维计算区域进行水量交换，侧向连接是指水流通过一维河道两岸与二维计算区域进行水量交换。

正向连接中将二维地表作为一维河道提供水位边界条件，根据计算所得到的二维计算区域中各边界网格单元的更新值，以及与一维河道相连的二维计算区域各边界网格的水位，将一并作为一维河道的边界条件：

式中：为更新后的边界网格单元水位；。

一维管网模型和二维地表模型在竖直方向上的耦合，主要是指一维管网与二维地表区域之间的水量交换。对于一维管网，采用管网汇流模型对其进行模拟;对于二维地表采用地表汇流模型对其进行模拟。根据水量交换模式的不同，可将竖直方向耦合分为节点进流、节点溢流这 2种连接模式，地面之上地表水流与地面之下管网水流主要就是通过节点(如竖井、雨水口等) 进行水量交换【3】。

图3 一维-二维模型耦合

7结论

本文基于贝叶斯融合平均理论建立变电站洪水模型需要的融合降雨数据库,提高变电站洪水模型的降雨输入时空精度；利采用一维、二维水动力学方法构建变电站洪水模型,可实现变电站淹没的动态响应;采用实时校正技术可以实现变电站洪水滚动模拟预报。本发明在传统的变电站洪水模拟模型构建基础上集合多源降雨输入和实时校正技术,突破传统研究思路,拓展了变电站水文学的理论基础,拓展了变电站水文学的研究途径,可为变电站洪水灾害防控决策提供理论和技术支撑。

6参考文献

[1]刘启,刘荣华,翟晓燕.变电站山洪灾害风险预警模型及应用[J].中国防汛抗旱,2021,31(12):48-52.

[2]靳伟,赵军伟,孙健,黄鹏程.山区河流倒灌引发管网溢流洪水数值模拟研究[J].中国农村水利水电,2022(11):77-82.

[3]张弘强. 暴雨积涝水动力耦合模型研究及应用[D].天津大学,2019.DOI:10.27356/d.cnki.gtjdu.2019.002117.