利用短期降雨預(yù)報進行水庫汛限水位動態(tài)控制探析

劉金寶

(龍口市水庫管理中心，山東 龍口 265700)

1 問題的提出

在水文預(yù)報水平不高、通訊手段限制的情況下，水庫汛期限制水位在確定和動態(tài)控制的過程中并不考慮降水和洪水預(yù)報，而僅根據(jù)水位進行泄流量確定。所以導(dǎo)致水庫普遍面臨汛期限制水位約束下水庫調(diào)洪過程中存在棄水，但洪水過后卻無水可蓄的尷尬局面，并未充分發(fā)揮和利用洪水資源。在氣象及洪水預(yù)報預(yù)測水平不斷提升的情況下，如何充分借助短期降雨預(yù)報信息，改變?nèi)涨八畮靷鹘y(tǒng)的防洪調(diào)度觀念及做法，構(gòu)建實時調(diào)控汛期限制水位理念，確保水庫在汛期充分蓄水，利用洪水資源有效緩解區(qū)域水資源不足及電力短缺等問題，具有重大的社會效益和經(jīng)濟價值[1]。

王屋水庫位于山東龍口市，庫容1.231×108m3，屬于大(2)型水庫，水庫大壩為黏土心墻砂殼壩，砂殼土質(zhì)雜且未經(jīng)碾壓壓實處理，狀態(tài)松散。王屋水庫防洪直接關(guān)系到石良鎮(zhèn)和七甲鎮(zhèn)的安全，原規(guī)劃的王屋水庫調(diào)洪方式并未考慮短期降雨預(yù)報，而僅根據(jù)24h洪水預(yù)報情況進行可能發(fā)生洪水標準的判定及泄流量調(diào)整。因預(yù)見期較短，所以，在這種處理方式下洪水發(fā)生前期泄流量少，而后期泄流量偏大，導(dǎo)致庫水位過高，汛期限制水位的設(shè)計明顯偏低。結(jié)合統(tǒng)計資料，王屋水庫歷年來滿蓄的幾率僅為21.7%。水庫所在流域氣象站自建站以來，其氣象預(yù)報業(yè)務(wù)已經(jīng)從過去單一常規(guī)性天氣圖譜分析發(fā)展至目前的短期預(yù)報、衛(wèi)星云圖接收等高精度預(yù)報模式，數(shù)值預(yù)報快速發(fā)展，在水庫防洪調(diào)度過程中的應(yīng)用也日益廣泛。為此，文章主要探討如何利用短期降雨預(yù)報進行王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制問題的分析探討。

2 流域短期降雨預(yù)報的可行性分析

2.1 降雨預(yù)報精度

考慮到水庫所在流域氣象部門近年來降雨預(yù)報技術(shù)水平不斷提升的客觀實際以及王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制實施期限的設(shè)計，進行黃水河流域2018-2020年6-10月未來24h和48h降雨預(yù)報數(shù)據(jù)資料的精度分析。由于黃水河流域較大，降雨歷時長且空間分布不均，所以同時進行了流域不同分區(qū)降雨預(yù)報精度分析，流域未來24h不同降雨量級(無降雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)實際發(fā)生的頻次、頻率統(tǒng)計結(jié)表1所示。

表1 黃水河流域未來24h不同降雨量級實際發(fā)生的頻次、頻率統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)流域未來24h不同降雨量級實際發(fā)生的頻次、頻率統(tǒng)計結(jié)果可知，黃水河流域未來24h無降雨預(yù)報的準確率僅為65.1%，而在預(yù)報無降雨的情況下，出現(xiàn)小雨的頻率在99%以上，也即當氣象預(yù)報無降雨時黃水河流域出現(xiàn)中雨及以上量級降雨的概率不足1%。根據(jù)歷史資料，當氣象預(yù)報未來24h小雨時，發(fā)生中雨及以下量級降雨的頻率至少97%，也就是流域氣象站預(yù)報小雨但實際發(fā)生大雨及以上量級降雨的可能性很小。因大雨及以上量級降雨分布次數(shù)較少，故暫不進行其統(tǒng)計結(jié)果分析。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，黃水河流域無降雨和小雨量級下氣象預(yù)報結(jié)果可以應(yīng)用于王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制，而中雨及以上量級降雨發(fā)布次數(shù)較少，故其統(tǒng)計分析結(jié)果暫不使用。

2.2 降雨量頻率分布規(guī)律

為提升王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制精度，還必須進行具體量級降雨預(yù)報水平下實際發(fā)生相應(yīng)量級降雨頻率的分布規(guī)律統(tǒng)計分析。根據(jù)表1的分析成果，流域未來24h不同降雨量級實際發(fā)生情況統(tǒng)計結(jié)果的空報率>漏報率，流域氣象站降雨預(yù)報不同量級雨量發(fā)生的頻次均呈偏態(tài)型分布，采用頻率分析法針對所獲取的黃水河流域2018-2020年6-10月日降雨資料，進行具體量級降雨情況下實際發(fā)生相應(yīng)量級降雨概率的統(tǒng)計分析及統(tǒng)計參數(shù)的矩法估計[2]。黃水河流域未來24h無降雨和小雨量級降雨量適線后的發(fā)生頻率如表2所示。

表2 黃水河流域未來24h無降雨和小雨量級預(yù)報實際降雨量頻率分布情況統(tǒng)計

根據(jù)上表統(tǒng)計分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在預(yù)報雨量級為小雨時，發(fā)生中雨和大雨的概率分別為8%和0.5%，而發(fā)生暴雨的概率僅為0.01%，此種情況下應(yīng)當抬高汛期限制水位，確保防洪安全的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮王屋水庫的蓄水效益。在預(yù)報雨量級為無降雨的情況下，流域發(fā)生中雨及以上量級降雨的概率較小，此種情況下應(yīng)將王屋水庫汛期限制水位控制在變動范圍的上限位；預(yù)報雨量級為小雨時，流域發(fā)生大雨及以上量級降雨的概率較小，應(yīng)將水庫汛期限制水位控制在變動范圍的中上位置。根據(jù)流域短期降雨預(yù)報精度以及降雨量頻率分布規(guī)律，根據(jù)放大一個量級的降雨預(yù)報量進行水庫汛期限制水位控制切實可行。

3 汛限水位動態(tài)控制

3.1 汛限水位控制范圍

當前水庫汛期防洪調(diào)度實踐過程中，為確保下游防洪安全降低下泄流量提升庫水位以及為實現(xiàn)興利蓄水發(fā)電而提升汛期限制水位的常見做法均會導(dǎo)致水庫防洪風(fēng)險大大增加，為此，必須進行水庫汛期限制水位控制范圍的合理確定。文章在分析黃水河流域短期降雨預(yù)報可行性的基礎(chǔ)上通過預(yù)泄能力約束法進行流域內(nèi)王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制范圍的合理預(yù)估。王屋水庫預(yù)泄能力受到渠首下游允許泄流量、預(yù)泄退水流量、預(yù)泄時間及流域來水等的約束[3]。水庫渠首下游允許泄流量為45.6m3/s，根據(jù)王屋水庫典型洪水退水過程所分析的入庫流量最大值為40m3/s，洪水區(qū)間預(yù)報誤差20%的情況下來水流量最大值為34m3/s，考慮到行洪安全取40m3/s；結(jié)合流域內(nèi)短期降雨預(yù)報成果并將預(yù)報信息傳遞時間和預(yù)泄決策指令傳達時間等扣除后的有效預(yù)見期取24h。綜合分析可知，流域預(yù)泄水量應(yīng)為3.27×108m3，在考慮汛期限制水位庫容的基礎(chǔ)上所對應(yīng)水位應(yīng)為73m，并以此為王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制的上限。

不考慮降雨預(yù)報的水庫汛期限制水位為73m，通過分析近年來流域設(shè)計典型洪水發(fā)現(xiàn)，在9月上中下旬流域內(nèi)均會發(fā)生60mm及以上的降雨，導(dǎo)致流域下墊面基本處于飽和狀態(tài)，同時，9月為后汛期，洪水發(fā)生頻次高，退水流量較大，出于水庫運行安全的考慮，應(yīng)嚴格控制9月水庫的汛期限制水位。綜上分析，王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制范圍應(yīng)為73m-74.68m，9月汛期限制水位仍采用原設(shè)計水位。

3.2 汛限水位動態(tài)控制方法

文章主要利用流域短期降雨預(yù)報增加預(yù)見期，并根據(jù)水庫汛期限制水位允許控制范圍，結(jié)合降雨預(yù)報信息及水庫泄流能力等采取預(yù)蓄預(yù)泄法進行洪水入庫前水庫汛期限制水位降至不考慮降雨預(yù)報情況下水庫運行及調(diào)洪過程的動態(tài)控制。結(jié)合流域短期降雨預(yù)報結(jié)果，若未來24h預(yù)計無降雨或小雨量級下，出現(xiàn)中雨及以上量級降雨的可能性非常小，所以應(yīng)將預(yù)見期內(nèi)汛期限制水位上調(diào)至74.68m；當未來24h預(yù)計有中雨及以上量級降雨時，應(yīng)在預(yù)見期內(nèi)提前泄洪并可快速將水位降至不考慮降雨預(yù)報的73m；并結(jié)合汛期典型洪水過程進行調(diào)洪控制，具體見表3。

表3 汛期設(shè)計洪水不同起調(diào)水位調(diào)洪結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)表中結(jié)果可知，借助流域短期降雨預(yù)報加強汛期限制水位控制過程中，最大調(diào)洪泄量和最高水位與不考慮降雨預(yù)報情況相比并未發(fā)生較大變化，保壩洪水調(diào)洪最高水位略高出不考慮降雨預(yù)報的情況，主要原因在于兩種調(diào)洪結(jié)果具有兩種不同的泄量，所以，汛期限制水位提升并不會造成調(diào)洪最高水位高出不考慮降雨預(yù)報水位。

4 結(jié) 論

通過文章對黃水河流域王屋水庫汛期限制水位的動態(tài)控制分析表明，王屋水庫汛期限制水位控制主要是利用流域短期降雨預(yù)報信息，在預(yù)計發(fā)生中雨及以上量級降雨之前實施預(yù)泄，并將庫水位迅速降至不考慮降雨預(yù)報情況下的汛限水位，此后仍按照不考慮降雨預(yù)報情況下的調(diào)度原則調(diào)洪。如遇預(yù)報無降雨或小雨但實際發(fā)生中雨及以上量級降雨的漏報情況，水庫并未提前泄洪，則應(yīng)將汛期限制水位控制在74.68m，如在漏報的情況下加大泄量，則既能確保流域防洪安全，還能保證水庫既有防洪標準，所以汛期限制水位的提升仍然安全。