洪水調(diào)度系統(tǒng)在石頭河水庫防汛中的應(yīng)用

李奮霞

（陜西省石頭河水庫管理局 陜西 楊凌 712100）

石頭河水庫始建于1969年，1984年下閘蓄水，是城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的大（二）型水利工程，也是陜西省關(guān)中地區(qū)逐步實現(xiàn)南水北調(diào)（引紅濟石），解決渭北高原缺水問題的骨干工程之一，并逐漸成為關(guān)中西部城市的主要水源地之一。隨著“引紅濟石”工程的實施，其社會和自身經(jīng)濟效益將日漸顯著。

1 石頭河水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的必要性

石頭河水庫壩址位于眉縣斜峪關(guān)以上1.5km的溫家山，控制流域面積673km2，流域內(nèi)林木茂盛，植被良好，水質(zhì)優(yōu)良。多年平均降雨量816mm，多集中在汛期7月～9月，河源來水大部分由汛期降雨形成。由于流域大部分為太白山自然保護區(qū)，人跡罕至，雨量采集困難。

為更好的發(fā)揮石頭河水庫綜合效益，改變石頭河水庫防洪調(diào)度手段落后的局面，更合理地運用水庫工程科學地調(diào)度洪水，最大限度地發(fā)揮石頭河水庫的防洪效益，做到適時自動采集雨水情信息，及時準確做出防洪預報，迅速提出防洪調(diào)度方案，為各級防洪指揮決策部門提供支持，減輕下游洪水災害，石頭河水庫管理局積極響應(yīng)水利部第十個五年規(guī)劃中提出的“實現(xiàn)防洪指揮科學調(diào)度”、“推進水利信息化”的號召，于2000年下半年實施了洪水調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)工作，并于2001年汛期正式投入使用。

2 洪水調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

2.1 系統(tǒng)組成

石頭河水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)在邏輯上分為五個子系統(tǒng)，各個系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為中心組織在一起。主要由雨水情信息采集子系統(tǒng)、洪水預報子系統(tǒng)、洪水調(diào)度子系統(tǒng)、信息查詢和數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)組成。其主要功能包括水雨情與工情信息的采集、輸入、修改、查詢，通過人機交互進行洪水預報、調(diào)度方案制訂、評價與優(yōu)選、調(diào)度成果管理、防洪工程信息管理、系統(tǒng)管理等。

2.2 遙測雨量站的分布

石頭河水庫的洪調(diào)系統(tǒng)總共在流域內(nèi)建成了九個遙測雨量站，其名稱及分布見圖1。

3 水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)流程

由水雨情遙測系統(tǒng)采集流域內(nèi)各雨量遙測站雨量數(shù)據(jù)、水位站測得水庫水位數(shù)據(jù)后，再通過超短波和GPRS無線業(yè)務(wù)技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭b測系統(tǒng)專用服務(wù)器上，并分類儲存。在洪水期間，工作人員通過人機交互提取或修改存于服務(wù)器上的水雨情數(shù)據(jù)，再通過洪水預報子系統(tǒng)模塊做出入庫洪水過程預報。根據(jù)該洪水過程預報，再結(jié)合當前庫水位及本次洪水的起跳水位，人機交互提出一個適合當前的最佳調(diào)度方案。該方案將上報決策機關(guān)，經(jīng)決策機關(guān)批準后由水庫管理人員組織實施，比如是蓄還是泄，或者是小流量預泄等具體操作，都將在洪水預報系統(tǒng)的支持下進行。上級的防洪調(diào)度命令、調(diào)度參數(shù)和調(diào)度方案，即可人機交互輸入與輸出，又可通過計算機網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出。

4 防洪調(diào)度系統(tǒng)在石頭河水庫防汛工作中的應(yīng)用

石頭河洪水預報系統(tǒng)，其屬性是任一時段或任一測站的降雨發(fā)生改變，各測站的降雨均值和累積值都會隨之改變。洪調(diào)系統(tǒng)的基本功能就是自動獲取降雨信息，并對于故障站或者信息接收暫時堵塞站點，可以人工修復或補充降雨資料。洪水預報有實時預報和假擬降雨預報。一場洪水之后，如果做實時預報，就可以點“實時預報”按鈕，并根據(jù)前期降雨情況估計土壤飽和度，進而選擇合適的飽和系數(shù)，如果雨量遙測站里面有故障站，就要選擇“故障預報”按鈕，然后根據(jù)人機交互界面的提示，選擇鄰近站代替。最后“確定”，就會出現(xiàn)本次預報的圖表界面。由預報圖表不但可以很清楚地看出本次降雨的洪峰流量、峰現(xiàn)時間、總來水量、洪水級別等基本要素，還可以根據(jù)需要用鼠標在圖上相應(yīng)時間段拖動的方法查出后續(xù)來水量等資料。如下圖2003年的例子就是一個實時預報的典型。

在2003年8月底9月初，渭河流域連續(xù)出現(xiàn)大范圍的暴雨天氣，洪水持續(xù)時間長,強度大，使渭河迅速形成二號洪峰。石頭河作為渭河一級支流，在保證自身和下游安全的前提下，責無旁貸地參與了渭河錯峰削峰任務(wù)。圖2是防汛人員在9月1日做的一次實時預報的結(jié)果。由圖表可見，本次洪峰是五年一遇的洪水，洪峰流量為553.5m3/s。據(jù)水庫日志記載，9月1日2時，庫水位已經(jīng)由之前的799.62m降至797.46m（石頭河水庫主汛期汛限水位為798m），預計還會來500多萬方的水（實時預報不考慮后續(xù)降雨）。石頭河防汛指揮部根據(jù)預報結(jié)果，并結(jié)合渭河錯峰的任務(wù)，采取出入庫基本持平的方案——既保障了水庫自身安全，又減輕了渭河下游的泄洪壓力。

另外，如果是一場持續(xù)時間較長的連續(xù)降雨，就可以做假擬預報。比如根據(jù)當前的降雨情況，假擬未來24h再降20mm，就可以估算出未來幾天的來水情況。比如2010年汛期，石頭河流域8月下旬及9月上旬出現(xiàn)局地強降雨天氣，庫區(qū)來水量比較集中，共產(chǎn)生4次洪峰大于100m3/s的洪水，其中，最大洪峰流量為440m3/s。水情自動測報系統(tǒng)及時、準確地為洪水預報、洪水調(diào)度工作提供了水、雨倩信息，大大增長了未來幾日洪水的預見期。從8月21日至9月28日，共進行了多次洪水預報，有實時預報，也有假擬預報，增長了洪水預見期48h～72h，為上級防汛部門的調(diào)度決策提供了科學依據(jù)。四場洪水均得到了科學的蓄泄，并為渭河削峰130m3/s，占削峰的40%，極大地緩解了渭河下游的防洪壓力；同時水庫經(jīng)過控泄一直在汛限水位以下平穩(wěn)運行，確保了其自身安全。

5 石頭河水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)的社會經(jīng)濟效益

石頭河水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)建成,使水庫的洪水預報調(diào)度水平有了質(zhì)的飛躍。在歷年汛期都發(fā)揮了重要作用，為決策者正確決策提供了強有力的支持，創(chuàng)造了明顯的社會和經(jīng)濟效益。

5.1 經(jīng)濟效益

石頭河水庫流域集中在太白縣境內(nèi)，根據(jù)太白氣象局提供的中、長期天氣預報，即10天或30天預報的總降雨量，將這些數(shù)據(jù)輸入洪水調(diào)度系統(tǒng)做統(tǒng)一的預報分析，就可決策是否提前泄水發(fā)電。比如1981年到2010年20年的泄水總量為63276萬m3，平均年泄水量3164萬m3，假設(shè)這些水不被泄掉，而是全部用于純發(fā)電，估計可發(fā)電633萬度，折合人民幣189.9萬元?？梢?，洪調(diào)系統(tǒng)的投入使用每年可為石頭河水庫最少增資100多萬元。

另外，石頭河水庫設(shè)計泄水能力較大，設(shè)計標準較高，每年為維修因泄水破壞的水工建筑物費用高達50多萬元。安裝洪水調(diào)度系統(tǒng)后，采用預報小流量預泄的方法，可以使水庫泄水建筑物避免因大流量泄水帶來的損害，估計每年可避免經(jīng)濟損失50萬元。

5.2 社會效益

自石頭河水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)投入使用以來，共完成洪水預報百余次，預報合格率達80%，極大地支持了調(diào)度決策，為下游抗洪搶險贏得了寶貴時間。就因為積極合理地參與渭河銷峰錯峰任務(wù)，2003年汛期還被三秦都市報美譽為“定洪神閘”。水庫不僅極大地緩解了下游河流的泄洪壓力，而且保護了下游岐眉兩縣11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)22萬畝耕地、21.9萬人的生命財產(chǎn)安全，保證了17.5km鐵路、52.5km公路、4座路橋暢通無阻。社會效益十分顯著。

6 洪水調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)缺點

6.1 洪調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點

經(jīng)過對石頭河水庫洪調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)越性得到了很好的體現(xiàn)：縮短了洪水預見期，系統(tǒng)實時采集水庫流域內(nèi)水雨情信息,使庫管單位和上級部門能及時準確地掌握流域內(nèi)實時汛情；洪水預報快捷靈活，系統(tǒng)的洪水預報交互式界面集實時預報、模擬降雨、預報成果顯示與查詢、預報成果實時修正于一體,界面簡潔、操作簡單、查詢方便快捷；功能齊全、靈活方便、可擴展，系統(tǒng)不僅具有極強的實用性和良好的通用性，而且易于實現(xiàn)模型和系統(tǒng)的擴充、更改及升級。

6.2 應(yīng)用中仍存在的問題

石頭河洪水調(diào)度系統(tǒng)在長達十年的應(yīng)用中，創(chuàng)造了不少效益，同時也暴露出不少問題：信息采集站點少,控制區(qū)域有盲點存在，影響了預報精度，比如2005年9月底就是因為暴雨中心不在遙測站監(jiān)測范圍內(nèi)，導致預報誤差較大；系統(tǒng)的信息發(fā)送采用的是自報式單向通信信道，遙測終端機根據(jù)正點的時間向中心站發(fā)送信息，或根據(jù)監(jiān)測對象的變化隨機發(fā)送，這種發(fā)送方式致使傳輸頻度較高，有可能會由于信號碰撞導致信息丟失而出現(xiàn)斷點，這種故障越在暴雨天氣越容易出現(xiàn)；系統(tǒng)只建立了簡單的模型庫,歷史數(shù)據(jù)庫不完善、利用率也不高，極大地影響了洪水預報的精度；水庫流域上游缺少土壤含水量監(jiān)測點,在洪水預報中,不能及時準確地得到土壤飽和程度數(shù)據(jù),影響洪水預報的準確性。

綜上所述，水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)一定要具有前瞻性和全面性，充分考慮雨量遙測站和土壤含水量監(jiān)測點的部設(shè)，以便軟件的擴充升級和系統(tǒng)穩(wěn)定性的維護；并要建立健全的洪水預報模型庫和歷史水文數(shù)據(jù)庫，以提高預報的精度；還應(yīng)該建設(shè)多種信息傳送方式，避免信息的中途丟失，提高洪調(diào)系統(tǒng)的工作質(zhì)量。陜西水利