基于降雨預(yù)報(bào)的太平水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制

張志燕

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

基于降雨預(yù)報(bào)的太平水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制

張志燕

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

太平水庫(kù)調(diào)度方式單一，未能考慮短期降雨預(yù)報(bào)，導(dǎo)致汛期蓄不滿(mǎn)水，汛后又無(wú)水可蓄的局面。在分析太平水庫(kù)流域降雨預(yù)報(bào)精度分析的基礎(chǔ)上，研究了降雨預(yù)報(bào)的可行性，確定出水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的上下限，并對(duì)降雨預(yù)報(bào)的漏報(bào)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。結(jié)果表明，無(wú)雨及小雨預(yù)報(bào)是可利用的，在汛限水位動(dòng)態(tài)控制域121.2～123.5m內(nèi)，水庫(kù)可以動(dòng)態(tài)控制，且降雨預(yù)報(bào)發(fā)生漏報(bào)時(shí)，其風(fēng)險(xiǎn)率小于原設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)率。

降雨預(yù)報(bào)；汛限水位；動(dòng)態(tài)控制；風(fēng)險(xiǎn)分析；太平水庫(kù)

1 引言

太平水庫(kù)是一座以防洪為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉的?。ㄒ唬┬退畮?kù)，位于呂梁市臨縣城莊鎮(zhèn)太平村村口，湫水河中游太平溝溝口，控制流域面積40km2，水庫(kù)總庫(kù)容536萬(wàn)m3。目前水庫(kù)主要存在兩個(gè)問(wèn)題，一是水庫(kù)泥沙淤積量較大，蓄水量嚴(yán)重不足；二是水庫(kù)汛限水位較低，且調(diào)度方式相對(duì)簡(jiǎn)單，基本上以壩前庫(kù)水位為判定條件進(jìn)行分級(jí)下泄，沒(méi)有將短期降雨預(yù)報(bào)信息考慮在內(nèi)。而山西省降雨基本集中在6—9月，這樣就會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)汛期棄水，汛期過(guò)后水庫(kù)蓄不滿(mǎn)水，進(jìn)而影響下一年度用水。近幾年，隨著降雨預(yù)報(bào)精度的提高，越來(lái)越多的水庫(kù)將降雨預(yù)報(bào)信息應(yīng)用到汛限水位的動(dòng)態(tài)控制中。因此，有必要對(duì)太平水庫(kù)流域降雨預(yù)報(bào)進(jìn)行精度分析，并研究其可利用性，在保證水庫(kù)及上下游防洪安全的前提下，使水庫(kù)在汛期多蓄水，這對(duì)于太平水庫(kù)具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。

2 流域降雨預(yù)報(bào)精度分析

2.1 未來(lái)24h降雨預(yù)報(bào)精度分析

為了與太平水庫(kù)的汛期保持一致，本次選用呂梁市臨縣氣象站2003—2007年4個(gè)月（6—9月）的未來(lái)24h降雨預(yù)報(bào)資料和相應(yīng)的太平水庫(kù)流域日降雨量資料（共計(jì)610d），利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，根據(jù)降雨等級(jí)，分析臨縣氣象站未來(lái)24h不同等級(jí)降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率。

各級(jí)降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率的計(jì)算公式分別為：

式中：m——發(fā)布預(yù)報(bào)次數(shù)；

n——實(shí)際降雨值落在預(yù)報(bào)等級(jí)值域內(nèi)的次數(shù)；

u——發(fā)布預(yù)報(bào)中漏報(bào)的次數(shù)。

根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)表1分析結(jié)果表明：無(wú)雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率為74.5%，且預(yù)報(bào)無(wú)雨時(shí)，發(fā)生中雨及以上量級(jí)降雨的概率僅為6.9%。表明無(wú)雨預(yù)報(bào)可以利用；小雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率僅有25.5%，但當(dāng)預(yù)報(bào)小雨時(shí)，發(fā)生無(wú)雨及小雨的概率為84.6%。因此小雨預(yù)報(bào)的成果也可利用。

2.2 各級(jí)降雨預(yù)報(bào)可能發(fā)生降雨的概率分布

2.2.1 配線(xiàn)法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表1 臨縣氣象站24h降雨預(yù)報(bào)精度分析成果

由于中雨及以上量級(jí)的樣本較小，僅對(duì)無(wú)雨和小雨進(jìn)行配線(xiàn)，依據(jù)太平水庫(kù)流域未來(lái)24h無(wú)雨和小雨預(yù)報(bào)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際流域平均降雨量資料，應(yīng)用矩法公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)x和Cv，取Cs/Cv=2并進(jìn)行配線(xiàn)。

2.2.2 誤差頻率分析

由上述配線(xiàn)可知，無(wú)雨預(yù)報(bào)時(shí)，發(fā)生小雨以上的概率僅6.79%，且漏報(bào)發(fā)生0.1%頻率的降雨量95.1mm小于水庫(kù)下游10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)所能抗御的降雨量124.1mm。小雨預(yù)報(bào)時(shí)，發(fā)生中雨以上的概率僅為5.39%，且漏報(bào)發(fā)生0.1%頻率的降雨量119.2mm也小于水庫(kù)下游10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)所能抗御的降雨量124.1mm。結(jié)果表明，無(wú)雨及小雨預(yù)報(bào)在汛限水位動(dòng)態(tài)控制中是可以利用的。

3 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法

水庫(kù)的前汛期為過(guò)渡期，主汛期的主要任務(wù)是防洪，后汛期則是兼顧防洪與興利，因此，主要針對(duì)太平水庫(kù)的后汛期進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制。

3.1 汛限水位下限值確定

為了保證防洪安全，將原汛限水位121.2m作為汛限水位動(dòng)態(tài)控制的下限值。

3.2 汛限水位上限值確定

本次計(jì)算分別采用順推法和預(yù)泄能力約束法來(lái)計(jì)算汛限水位的上限值。順推法從原汛限水位起，設(shè)定若干個(gè)起調(diào)水位，在各起調(diào)水位下，分別對(duì)水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水和校核洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，在調(diào)洪最高水位不超過(guò)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位的約束下，確定后汛期的汛限水位。對(duì)于太平水庫(kù)，從121.2m開(kāi)始起調(diào)，確定后汛期汛限水位為123.5m，與正常蓄水位相同。

預(yù)泄能力約束法：首先確定降雨預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期，然后根據(jù)水庫(kù)的泄流能力，求出有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大泄水量。水庫(kù)在原汛限水位所對(duì)應(yīng)的庫(kù)容上增加最大泄水量，這時(shí)，對(duì)應(yīng)的水位即為水庫(kù)汛限水位的上限值。對(duì)于太平水庫(kù)，可利用的有效時(shí)間為24h時(shí)，扣除信息傳遞、決策以及閘門(mén)啟閉時(shí)間等，從安全角度考慮，取有效預(yù)見(jiàn)期為8h。太平水庫(kù)的下游安全泄量為80m3/s，求得預(yù)泄水量為230.4萬(wàn)m3，在原汛限水位121.2m所對(duì)應(yīng)的庫(kù)容1.19萬(wàn)m3上增加230.4萬(wàn)m3的庫(kù)容，即231.59萬(wàn)m3。根據(jù)太平水庫(kù)的水位—庫(kù)容曲線(xiàn)得到其對(duì)應(yīng)的水位為127.8m。但實(shí)際上水庫(kù)的正常蓄水位為123.5m，因此，將預(yù)泄能力約束法確定的汛限水位的上限值定為123.5m。

綜合以上兩種方法，通過(guò)計(jì)算確定汛限水位的上限值為123.5m。

3.3 汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法及調(diào)度原則

根據(jù)上述分析，將預(yù)蓄預(yù)泄法運(yùn)用于太平水庫(kù)后汛期的調(diào)度原則是：當(dāng)未來(lái)24h降雨預(yù)報(bào)為無(wú)雨或小雨時(shí)水庫(kù)水位可保持在汛限水位動(dòng)態(tài)控制的上限值123.5m；當(dāng)未來(lái)24h降雨預(yù)報(bào)為中雨及以上量級(jí)的降雨時(shí)，應(yīng)在有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)，控制泄量不超過(guò)下游安全泄量80m3/s，迅速將水庫(kù)水位降至汛限水位的下限值121.2m。

根據(jù)上述調(diào)度原則，以后汛期2%設(shè)計(jì)洪水和0.33%校核洪水為例，123.5m起調(diào)常規(guī)調(diào)度與預(yù)蓄預(yù)泄調(diào)度的調(diào)洪結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 后汛期常規(guī)調(diào)度和預(yù)蓄預(yù)泄調(diào)度對(duì)比的調(diào)洪結(jié)果表

由表2可知，考慮短期降雨預(yù)報(bào)信息的調(diào)度方式，其調(diào)洪的最高水位稍有降低，最大泄量也略小于常規(guī)調(diào)度的最大泄量。因此，基于短期降雨預(yù)報(bào)信息對(duì)水庫(kù)汛限水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制是安全、可行的。

4 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)分析

若未來(lái)24h有中雨或中雨以上量級(jí)的降雨，而實(shí)際發(fā)生漏報(bào)，即預(yù)報(bào)未來(lái)24h有“無(wú)雨”或“小雨”，此時(shí)汛限水位不預(yù)泄仍保持在123.5m，而實(shí)際發(fā)生了中雨或中雨以上量級(jí)的降雨，因此，可能會(huì)對(duì)大壩正常運(yùn)行構(gòu)成一定威脅。

太平水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)為未來(lái)24h預(yù)報(bào)“無(wú)雨”或“小雨”，而實(shí)際發(fā)生降雨在中雨及其量級(jí)以上的漏報(bào)條件下所能防御的洪水的頻率?？衫孟率接?jì)算，即：

式中：PZT（ZLd，Zm0）——假定降雨預(yù)報(bào)發(fā)生漏報(bào)條件下，發(fā)生原設(shè)計(jì)的校核標(biāo)準(zhǔn)洪水的頻率；

PZ（ZL0，Zm0）——原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)率（原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下可抗御的洪水頻率）；

PZ（ZLd，Zm0）——選定動(dòng)態(tài)控制汛限水位ZLd值，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論計(jì)算的可抗御洪水的頻率，PZ（ZL）= PWk{Zm（WPk，ZL）=ZA}=PZ（ZLd，Zm0）；

PP（X＞0）——無(wú)雨預(yù)報(bào)漏報(bào)的累計(jì)頻率；

Zm0——調(diào)洪過(guò)程中允許達(dá)到的最高蓄水位。

當(dāng)預(yù)報(bào)未來(lái)24h發(fā)生“無(wú)雨”或“小雨”，保持汛限水位在123.5m，對(duì)不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)洪水在預(yù)報(bào)調(diào)度方式下進(jìn)行調(diào)洪，調(diào)洪最高水位見(jiàn)表3。

表3 預(yù)蓄預(yù)泄方式下調(diào)洪結(jié)果

式（4）中：ZLd＝123.5m，Zm0＝127.9m，極限風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)定為校核洪水位127.9m，利用調(diào)洪研究成果（表3）對(duì)其繪圖內(nèi)插，求得PZ（ZLd，Zm0）＝0.037%。

由表3可知：未來(lái)24h預(yù)報(bào)“無(wú)雨”而實(shí)際可能發(fā)生中雨及其量級(jí)以上的降雨的最大頻率為6.80%，即PP（X＞10）＝6.80%；未來(lái)24h預(yù)報(bào)“小雨”而實(shí)際可能發(fā)生中雨及其量級(jí)的降雨的最大頻率為13.51%，即PP（X＞10）＝13.51%。

根據(jù)式（4）及以上分析結(jié)果可知太平水庫(kù)考慮降雨預(yù)報(bào)時(shí)汛限水位實(shí)時(shí)控制的風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)未來(lái)24h預(yù)報(bào)“無(wú)雨”時(shí)，汛限水位實(shí)時(shí)控制的風(fēng)險(xiǎn)率為：PZ無(wú)雨T（ZLd，Zm0）=PP（X＞25.0）×PZ（ZLd，Zm0）＝6.80%×0.037%＝0.0025%。

當(dāng)未來(lái)24h預(yù)報(bào)“小雨”時(shí)，汛限水位實(shí)時(shí)控制的風(fēng)險(xiǎn)率為：PZ小雨T（ZLd，Zm0）=PP（X＞25.0）×PZ（ZLd，Zm0）＝13.51%×0.037%＝0.0050%。

結(jié)果表明：若按照水庫(kù)原設(shè)計(jì)校核水位127.9m為約束條件，汛限水位控制的上限為123.5m，當(dāng)未來(lái)24h預(yù)報(bào)“無(wú)雨”時(shí)，汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)率為0.0025%，當(dāng)未來(lái)24h預(yù)報(bào)“小雨”時(shí)，汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)率為0.0050%，其風(fēng)險(xiǎn)率均小于原設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)率0.33%。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)太平水庫(kù)流域24h降雨預(yù)報(bào)精度分析，證明基于未來(lái)24h無(wú)雨及小雨預(yù)報(bào)的汛限水位動(dòng)態(tài)控制是可行的，經(jīng)分析計(jì)算，得出汛限水位動(dòng)態(tài)控制的范圍是121.2～123.5m，據(jù)此提出了水庫(kù)的調(diào)度原則，并分析在該調(diào)度原則下，降雨預(yù)報(bào)發(fā)生漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)率，結(jié)果表明，“無(wú)雨”及“小雨”預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)率均小于原設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)率，這對(duì)于山西省其他中小型水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制具有一定的參考價(jià)值及實(shí)際意義。

TV697 ［

］C ［

］1004-7042（2016）04-0015-03

張志燕（1978-），女，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，工程師。

2016-02-19；

2016-03-23