高金燕,史 輝,梁 博
(河北省桃林口水庫管理局,河北 秦皇島066400)
桃林口水庫位于灤河主要支流青龍河上,是一座集城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼防洪和水力發(fā)電等綜合功能的大型水利樞紐工程,擔(dān)負著秦皇島市城市生活、工業(yè)、港口用水和灤河中下游地區(qū)農(nóng)田的灌溉任務(wù)。壩址至河源長210km,壩址以上控制流域面積5060km2,占灤河流域面積的20.4%,多年平均降雨量500~700mm,多年平均徑流量9.60億m3,總庫容8.59億m3,以多年調(diào)節(jié)方式運行。流域地處燕山山脈東段,屬東亞季風(fēng)氣候區(qū),降雨量年內(nèi)及年際變化較大,徑流年內(nèi)集中,年際變化懸殊。形成暴雨的天氣系統(tǒng)主要為西風(fēng)槽和切變兩種,暴雨一般發(fā)生在每年的7月下旬至8月上旬,降雨量占全年的80%,是形成大洪水的主要原因,由于暴雨歷時短、強度大及地面坡陡流急,一次洪水過程多表現(xiàn)為峰高量大,陡漲陡落的形式。
根據(jù)水庫下游防洪需要,2013年對水庫調(diào)度運用方式進行了調(diào)整,由不承擔(dān)防洪任務(wù)調(diào)整為承擔(dān)20年一遇及其以下標(biāo)準(zhǔn)洪水的防洪任務(wù),主汛期將汛限水位143.4m調(diào)整為138.5m控制運用,防洪庫容2.04億m3,調(diào)洪庫容2.40億m3。
為了進步延長洪水預(yù)見期,為優(yōu)化水庫調(diào)度創(chuàng)造條件,桃林口水庫引入了針對上游流域的精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)。精細化降雨預(yù)報系統(tǒng),利用中尺度WRF模式及快速循環(huán)同化技術(shù),在對比試驗的基礎(chǔ)上,選取了適合本地的積云過程、微物理過程和輻射過程的方案組合,以美國NECP(美國國家環(huán)境預(yù)報中心)的GFS全球預(yù)報資料作為背景場,提供預(yù)報時段0~48h的天氣形勢及多種物理量的精細預(yù)報。近些年來,隨著水庫水情信息采集站點設(shè)備的更新,精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)充分利用了水情遙測信息,并在此基礎(chǔ)上分析開發(fā),采用先進的地圖發(fā)布平臺、XML技術(shù)、Flex開發(fā)技術(shù)和GIS圖表化表達技術(shù),實現(xiàn)了實時水情信息與空間數(shù)據(jù)一體化存儲,并通過水情站與預(yù)警區(qū)域的關(guān)聯(lián),實現(xiàn)了水雨情信息的地理網(wǎng)格化區(qū)域預(yù)警,有效提高了水庫應(yīng)對暴雨洪水的能力,提高了洪水的預(yù)見期。
桃林口水庫精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)是在GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的,系統(tǒng)由實時雨量數(shù)據(jù)提取、雨量預(yù)報數(shù)據(jù)傳輸、 面雨量水量計算和WEBGIS平臺顯示4部分組成。
用于提取各數(shù)據(jù)源的實時雨量,包括遙測雨量、氣象雨量等,將各數(shù)據(jù)源雨量進行插補,以最大限度地增加觀測密度。雨量預(yù)報數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),將降雨預(yù)報數(shù)據(jù)(0~48h數(shù)值預(yù)報)從氣象部門傳輸?shù)剿畮旃芾砭值姆?wù)器中。
能夠計算水庫流域整個地區(qū)或任意區(qū)域的實時面雨量和預(yù)報面雨量,并提供預(yù)警報警功能,當(dāng)某區(qū)域的實際降雨或預(yù)報降雨超過一定閾值,或者未來0~48h預(yù)測降雨超過一定閾值,均進行閃爍報警。
數(shù)據(jù)分為等值線圖、等值面圖、降水熱圖、面雨量分析列表4種表現(xiàn)方式,并對降水熱圖以動畫方式演示,體現(xiàn)降水過程的動態(tài)變化。
用于在網(wǎng)頁上展示桃林口水庫流域電子地圖,并提供各種地圖操作和計算操作。整個網(wǎng)頁系統(tǒng)采用一個整體架構(gòu)模式,全部內(nèi)容放置在菜單面板上,每打開一個網(wǎng)頁,均會以標(biāo)簽的方式顯示在構(gòu)架之中,各個頁面可以進行快速切換。
2018年第10號臺風(fēng)“安比”和14號臺風(fēng)“摩羯”,以其異常罕見的路徑襲擊江浙滬地區(qū)之后,一路北上抵達山東,進而影響北方地區(qū)。受臺風(fēng)“安比”“摩羯”及北部高氣壓影響,桃林口水庫所在青龍河流域先后發(fā)生了2018年“7·24”“8·13”兩場強降雨,累計平均降雨量200.2mm,最大降雨量站龍王廟,降雨量338mm。對應(yīng)兩場強降雨,桃林口水庫相繼出現(xiàn)2018年1號洪水、2號洪水。降雨過程及特征如表1。
表1 臺風(fēng)降雨特征
2018年7月22日,臺風(fēng)“安比”在上海市崇明島登陸后,根據(jù)氣象部門預(yù)報,河北省將出現(xiàn)一次大范圍強降水過程,中東部降水量可達暴雨到大暴雨,局地可能超過200mm。
2018年7月22日18:00,河北省防指啟動了防汛Ⅳ級應(yīng)急響應(yīng),水庫利用衛(wèi)星云圖、雷達等多種網(wǎng)絡(luò)氣象信息手段,密切跟蹤臺風(fēng)路徑,研判降雨發(fā)展和落雨區(qū)域。2018年7月23日16:00,臺風(fēng)“安比”位于山東沂水縣境內(nèi),中心氣壓990hPa,風(fēng)力8級,移速移向20km/h,北北西,水庫及時啟用精細化降雨預(yù)報系統(tǒng),預(yù)報顯示7月23日20:00至25日20:00,水庫流域普面降暴雨到大暴雨,預(yù)報流域平均降雨量136.5mm,預(yù)報結(jié)果如圖1(a),水庫流域降雨實際監(jiān)測平均降雨量133.4mm,監(jiān)測結(jié)果如圖1(b),對比看出,預(yù)報和實際在降雨量和降雨分布上接近,流域平均降雨量預(yù)報誤差為2.30%。
圖1 “7·23”預(yù)報降雨量與實際降雨量
2018年8月12日,臺風(fēng)“摩羯”在浙江溫嶺沿岸登陸后,根據(jù)氣象部門預(yù)報,8月13日到15日,承德南部、唐山、秦皇島和石家莊、滄州以南地區(qū)有大雨到暴雨,局地有大暴雨。13日16:00,臺風(fēng)“摩羯”位于安徽省壽縣境內(nèi),中心氣壓995hPa,風(fēng)力8級,移速移向30km/h,北西,水庫運用精細化降雨預(yù)報系統(tǒng),預(yù)報顯示8月13日20:00至15日20:00,流域普面降大到暴雨,南部邊緣及起河支流有大暴雨,平均降雨量達100~150mm,預(yù)報結(jié)果如圖2(a),預(yù)報流域平均降雨量70.6mm,監(jiān)測結(jié)果如圖2(b),實際監(jiān)測流域平均降雨量62.8mm,對比看出,預(yù)報和實際在降雨量和降雨分布上較接近,流域平均降雨量預(yù)報誤差為12.8%。
圖2 “8·13”預(yù)報降雨量與實際降雨量
“安比”強降雨導(dǎo)致桃林口水庫與下游分水樞紐區(qū)間來水?dāng)y帶泥沙,致使分水樞紐水體濁度較大,對城市供水產(chǎn)生影響,7月26日18:00,根據(jù)預(yù)報后期降雨情況,水庫緊急啟動一臺機組發(fā)電,流量29m3/s,提前預(yù)泄,起到對城市引水進行清水置換處理、提前騰出庫容、 為洪水消峰創(chuàng)造條件及增加發(fā)電效益等綜合作用。而后,根據(jù)“摩羯”殘余環(huán)流的發(fā)展變化,水庫分別于8月14日14:00、8月15日11:30將泄水流量加大到180,260m3/s;8月20日11:00將泄水流量減少到130m3/s,8月21日11:00庫水位穩(wěn)定在137.60m,入庫流量與出庫流量保持平衡,水庫關(guān)閉泄洪閘門,轉(zhuǎn)入正常供水調(diào)度。
本次洪水調(diào)度調(diào)洪最高蓄水位138.26m,距控制目標(biāo)水位138.50m低24cm,最大限度地發(fā)揮了水庫消峰攔洪的作用,1號洪水全部攔蓄庫內(nèi),削峰100%;2號洪水入庫洪峰流量455m3/s削減至104.5m3/s,削峰77.03%。
精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)報,為水庫科學(xué)研判提供了有利條件,贏得了寶貴的時間,確保了水庫上、下游人民群眾的生命安全,將洪水災(zāi)害損失降至最低。
(1)桃林口水庫精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)不僅可作為獨立系統(tǒng)使用,還可為洪水預(yù)報系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的雨量輸入值,為水庫攔蓄與下泄提供及時準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。
(2)通過防汛調(diào)度中的實際應(yīng)用,逐步完善本流域小尺度降雨數(shù)值預(yù)報的實用系統(tǒng),對流域內(nèi)不同單位面積的降雨進行分布式的預(yù)報及監(jiān)測,從而滿足分布式水文模型建模應(yīng)用的數(shù)據(jù)要求。
根據(jù)洪水預(yù)報結(jié)果,結(jié)合水庫蓄水、來水情況、退水預(yù)測及供水水質(zhì)等因素,提出下泄水量的調(diào)度建議,為河北省防指科學(xué)調(diào)度指揮提供科學(xué)依據(jù)。