面向流域天氣系統(tǒng)及暴雨特性分析的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法研究

楊文斌

(上饒市科信水利水電勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江西 上饒 334000)

洪澇是由于大雨、暴雨等原因引起的淹沒及漬水現(xiàn)象[1-2]。在我國(guó)，洪澇災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，已經(jīng)成為威脅民眾生命財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害之一。根據(jù)我國(guó)水資源基本情況可知，洪澇災(zāi)害發(fā)生的原因與降雨時(shí)間分布的不平衡性密切相關(guān)[3-4]。隨著極端天氣事件在世界范圍內(nèi)的逐漸增多，暴雨洪水侵襲局部地區(qū)的概率直線式上升，流域性大洪水造成的損失更是難以估量。水庫(kù)是綜合利用水資源的重要工程措施，如果水庫(kù)的防洪能力計(jì)算結(jié)果偏小，則容易造成水庫(kù)的工程性浪費(fèi)；若過大地評(píng)估水庫(kù)的防洪能力，則容易發(fā)生潰壩，造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。但作為應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的有效設(shè)施，水庫(kù)本身的許多不足之處始終制約著防洪效果的提升[5-6]。在現(xiàn)代技術(shù)不斷進(jìn)步的條件下，治水理念已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，利用傳統(tǒng)工程治水方式已經(jīng)無法滿足防洪減災(zāi)體系的需要。水庫(kù)防洪調(diào)度是根據(jù)水庫(kù)本身具有的調(diào)控能力，以防洪安全為基本目標(biāo)，對(duì)泄流進(jìn)行分步控制，最終為整個(gè)流域防護(hù)做出可靠保障的調(diào)度。當(dāng)前幾乎所有的水庫(kù)調(diào)度均按照常規(guī)方法實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)為水位和入庫(kù)流量，一直存在部分損失過高的問題[7-8]。結(jié)合天氣系統(tǒng)，即通過降雨預(yù)報(bào)信息為水庫(kù)調(diào)度提供決策輔助，已經(jīng)成為新的發(fā)展方向。與此同時(shí)，中小流域由于匯流時(shí)間短，在暴雨來襲時(shí)，洪峰和洪量的發(fā)生時(shí)間基本一致，給水庫(kù)防洪造成極大壓力。因此，本文根據(jù)天氣系統(tǒng)與暴雨之間的聯(lián)系，通過分析影響暴雨的天氣系統(tǒng)進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度決策的指導(dǎo)，并將其應(yīng)用于信江流域大坳水庫(kù)的調(diào)度中，以期進(jìn)一步增強(qiáng)防洪能力。

1 區(qū)域概況

信江地處江西省東北部，發(fā)源于浙贛邊界上饒市，是全省的五大河流之一。信江主河道長(zhǎng)359km，流域面積總17599km2，約占全省總面積的10%。流域整體地勢(shì)東南高西北低，山區(qū)約占40%，丘陵約占35%，平原約占為25%。流域內(nèi)河系發(fā)達(dá)，超過10km2以上的河流總共有320條，其中30～100km2的有99條，100～300km2的有30條，300～1000km2的有13條，1000～3000km2的有3條，大于10000km2河流1條。流域內(nèi)洪水由暴雨產(chǎn)生，懷玉山脈南側(cè)地帶為流域內(nèi)的暴雨多發(fā)區(qū)。流域一般3月下旬進(jìn)入汛期，較大洪水都出現(xiàn)在4—7月，歷年最大洪水多出現(xiàn)在6月，一般7月中旬以后進(jìn)入伏旱，主汛期基本結(jié)束。8月受臺(tái)風(fēng)雨影響，局部地區(qū)會(huì)出現(xiàn)大洪水。流域洪水過程一般持續(xù)1—3天。上饒水文站的實(shí)測(cè)流量資料統(tǒng)計(jì)顯示，該流域多年平均流量為99.9m3/s，多年平均徑流量為31.53億m3，多年平均徑流深1152.7mm。徑流年際、年內(nèi)變化較大，最大年徑流量為190.2億m3(1998年)，是最小年徑流量50.1億m3的3.79倍；徑流年內(nèi)分配主要集中在汛期4—6月，徑流量占全年的53.1%。實(shí)測(cè)最大洪峰流量4470m3/s。根據(jù)上饒雨量站67年降雨資料可知，其多年平均降水量約為1774.8mm，最大年降雨量2672.5mm，最小年降水量也能達(dá)到1057.9mm，降雨量年際間變化較大，年內(nèi)分配十分不均勻，雨季以上半年為多，4—6月最為集中，占多年平均降水量的48.6%。5—6月為暴雨多發(fā)季節(jié)，降水強(qiáng)度大，時(shí)間集中，常常引起水位猛漲，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害發(fā)生。信江歷史上的大洪水，大多出現(xiàn)在6月，少數(shù)出現(xiàn)在7月上旬，且上、中、下游各有不同的表現(xiàn)，即成災(zāi)洪水具有明顯的地區(qū)性(見表1)。

流域內(nèi)的重要水利工程中，三江防洪堤、旭日護(hù)岸、梅潭堤發(fā)揮的作用較大。三江防洪堤全長(zhǎng)11.195km，采用50年一遇的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)堤頂高程為75.32～73.18m，背水坡為1∶2，迎水坡為1∶2.5。旭日護(hù)岸地處信江右岸，起于櫧溪河旭日橋，在上分公路橋終止，全長(zhǎng)3.338km。護(hù)岸頂高程70.00m，以66.80m高程為界，上為1∶2，下為1∶2.5。梅潭堤地處信江右岸，全長(zhǎng)9.91km，堤頂高程為69.89～67.4m。流域內(nèi)諸多水利工程的修建對(duì)該流域的生產(chǎn)生活起著重大的維護(hù)作用，但局部洪水、暴雨造成的影響仍然需要進(jìn)一步降低。

2 流域天氣系統(tǒng)及暴雨特性分析

天氣系統(tǒng)會(huì)對(duì)每場(chǎng)暴雨造成一定影響。在這之中，并非所有的暴雨均在多個(gè)天氣系統(tǒng)的控制下，存在單一影響的情況[9-10]。天氣系統(tǒng)復(fù)合影響時(shí)，為更好地找出其中起主要作用的天氣系統(tǒng)，以判斷降雨的特征，本文根據(jù)暴雨特點(diǎn)，確定遵循的參照為復(fù)合天氣系統(tǒng)，并據(jù)此確定其分類指標(biāo)。所以，在同一天氣系統(tǒng)中，不同暴雨之間存在一定的相似性，并且可以根據(jù)分類指標(biāo)進(jìn)行確定。在整體相似性已知的情況下，當(dāng)分類相似性出現(xiàn)顯著偏高，則據(jù)此能夠找出影響降雨的決定性天氣系統(tǒng)。在暴雨的相似性分析中，占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的是主要特征，包括降雨過程特征和降雨整體特征。本文針對(duì)整體及過程進(jìn)行暴雨間相似性的分析，整體特征包括降雨持續(xù)時(shí)間、降雨中心、平均雨強(qiáng)、時(shí)段最大降雨量等。降雨過程特征中的相似指標(biāo)為逐時(shí)段的降雨過程，并對(duì)所有暴雨及單類暴雨的相似性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[11-12]。同時(shí)，為確定降雨過程中出現(xiàn)的相似性變化，本文以3h劃分階段，并將不同天氣系統(tǒng)下產(chǎn)生的暴雨作為對(duì)象。此處需要說明的是，暴雨相似性分析不是實(shí)時(shí)的情況說明，而是以歷史降雨資料為主要參照，從整體和過程兩方面出發(fā)分析其相似性[13-14]。本文通過非平權(quán)距離系數(shù)法確定整體特征值之間的相似性，并選擇相關(guān)系數(shù)法獲得過程間的相似性。在確定系統(tǒng)間相似性時(shí)，非平權(quán)距離系數(shù)法操作簡(jiǎn)單，易于計(jì)算。該方法所得距離越大意味著相似性越差，即距離與相似性之間為互補(bǔ)關(guān)系，距離為0則意味著二者之間并無差別。設(shè)定兩個(gè)系統(tǒng)X和Y，利用這兩個(gè)系統(tǒng)的特征指標(biāo)求得兩者之間的距離：

(1)

相關(guān)系數(shù)法用于系統(tǒng)間某一特征指標(biāo)的相似性系數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式為

(2)

式中：RXiYi為系統(tǒng)X與Y中第i個(gè)特征指標(biāo)所具有的相關(guān)性系數(shù)；δXi、δYi分別為X與Y中此特征指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；δXiYi為此指標(biāo)的協(xié)方差。

兩個(gè)系統(tǒng)的整體相似性計(jì)算公式為

SXY=β1SX1Y1+β2SX2Y2+…+βnSXnYn

(3)

式中：SXY為兩個(gè)系統(tǒng)的相似性系數(shù)；β為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

通過分析流域內(nèi)天氣系統(tǒng)及暴雨特性實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度，需要判別多方面信息。本文確定的調(diào)度決策是在24h預(yù)報(bào)降雨信息的指導(dǎo)下進(jìn)行的，而在預(yù)泄完成后，當(dāng)無水庫(kù)回蓄時(shí)，則需要延長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)間，將4d預(yù)報(bào)作為輔助決策。為增強(qiáng)水庫(kù)調(diào)度過程中的科學(xué)性和嚴(yán)密性，最大程度保證結(jié)果的優(yōu)化，將預(yù)泄決策過程中已預(yù)泄水量與累積降雨量之間的相互關(guān)系和作用特點(diǎn)納入考量。所以，最終確定的調(diào)度方法第一步是識(shí)別天氣系統(tǒng)，當(dāng)判定為其他天氣類型時(shí)，則直接通過常規(guī)方式實(shí)現(xiàn)調(diào)度。當(dāng)天氣系統(tǒng)為暴雨或特大暴雨時(shí)，則需要對(duì)氣象要素和利雨情況進(jìn)行判定。隨后分析該時(shí)刻已泄水量與累積降雨量，并根據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)作出決策。此部分的決策主要為預(yù)泄水量的求取，目的是實(shí)現(xiàn)流量泄流的恒定。上述步驟完成后，當(dāng)水庫(kù)入流與預(yù)泄雨量一致時(shí)，步入常規(guī)調(diào)度階段。若在12h內(nèi)未啟動(dòng)該步驟，則按照最新預(yù)報(bào)情況來實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整。最后，待降雨停止后，可根據(jù)情況減小泄流，進(jìn)行預(yù)蓄(如圖1)。

圖1 所提出的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法流程

在獲得24h降雨預(yù)報(bào)信息的基礎(chǔ)上，即可以完成預(yù)泄洪量的分級(jí)。首先對(duì)天氣系統(tǒng)與預(yù)報(bào)雨量的預(yù)泄值和預(yù)泄上限值進(jìn)行判斷，最低降雨量用Pm表示，P(24)表示24h預(yù)報(bào)雨量，預(yù)泄上限值和預(yù)泄值分別以Ps和Pe表示。預(yù)泄雨量分級(jí)見表2。

表2 預(yù)泄雨量分級(jí)

將小量級(jí)規(guī)定為降雨量級(jí)Ⅱ級(jí)，中量級(jí)對(duì)應(yīng)Ⅲ級(jí)，大量級(jí)對(duì)應(yīng)Ⅳ級(jí)。由此得到的利用天氣系統(tǒng)進(jìn)行水庫(kù)預(yù)泄雨量的決策樹如圖2所示。首先根據(jù)氣象因素分為利雨與不利雨兩種情況，在利雨情況中，包括累積降雨量大于或小于預(yù)泄水量，隨后分出各級(jí)小量級(jí)、中類級(jí)和大量級(jí)。

圖2 利用天氣系統(tǒng)進(jìn)行水庫(kù)預(yù)泄雨量的決策樹示意圖

3 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

3.1 降雨預(yù)報(bào)信息與天氣系統(tǒng)的可行性分析

該地2012—2020年的暴雨和特大暴雨中的最低降雨量為76.5mm，而僅用降雨預(yù)報(bào)信息難以應(yīng)用于洪水起漲前階段，因此，研究將其與天氣系統(tǒng)結(jié)合用以指導(dǎo)水庫(kù)決策。從該地2020年6月6—7日的暴雨降雨對(duì)比結(jié)果(見圖3)中可以看出，在2020年6月6日20時(shí)的降雨預(yù)報(bào)中，實(shí)際降雨在30～60mm之間，平均預(yù)報(bào)降雨在28～60mm之間，與前者相差較小。從圖3(b)可知，在2020年6月7日8時(shí)的降雨預(yù)報(bào)中，平均預(yù)報(bào)降雨與實(shí)際降雨的差值在3～5mm范圍內(nèi)，兩者差距較小。綜合來看，降雨預(yù)報(bào)信息與天氣系統(tǒng)的實(shí)際情況吻合度較高，可以將天氣系統(tǒng)和降雨預(yù)報(bào)結(jié)合共同應(yīng)用于當(dāng)?shù)厮畮?kù)優(yōu)化調(diào)度中。

圖3 降雨預(yù)報(bào)信息與天氣系統(tǒng)的可行性分析結(jié)果

3.2 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究

本文以該地區(qū)2020年6月6日起由暴雨造成的洪水為例，將77.10m作為起調(diào)水位(見圖4)。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在6月6日8時(shí)，天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)布的信息顯示，24h和4d預(yù)報(bào)均是Ⅴ級(jí)，此時(shí)需要實(shí)施預(yù)泄處理。根據(jù)天氣系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果，天氣狀況為特大暴雨，氣象因子為利雨，此時(shí)預(yù)泄水量與累積降雨量均為0，即預(yù)泄雨量小于等于累計(jì)降雨量。同時(shí)，兩者之差是小量級(jí)，24h和4d預(yù)報(bào)降雨均為大量級(jí)。在判斷預(yù)泄雨量種類為D的基礎(chǔ)上，得到其24h預(yù)報(bào)降雨量值為66.1mm，所以應(yīng)預(yù)泄60mm的凈雨。根據(jù)24h預(yù)泄，平均泄量應(yīng)是385m3/s。在6月6日8—20時(shí)，入庫(kù)流量小于預(yù)泄流量值。6月6日20時(shí)，根據(jù)再次發(fā)布的信息，4d和24h所得同樣是Ⅴ級(jí)。該時(shí)段累積降雨量大概是8.2mm，與24h和4d預(yù)報(bào)降雨相同，均為屬于大量級(jí)。此時(shí)應(yīng)泄雨量種類為B，需要的泄徑流量為902.4萬m3。而后以105m3/s的速度進(jìn)行泄流，6月7日3時(shí)預(yù)泄流量值小于入庫(kù)流量，即處于常規(guī)調(diào)度階段，此時(shí)水位下降到77.21m。6月7日4時(shí)入庫(kù)流量大約為677.4m3/s，出流小于入流，此時(shí)水庫(kù)水位即出現(xiàn)上漲。入庫(kù)流量在6月7日5時(shí)為1635.4m3/s，此時(shí)加大泄流量，以1070m3/s泄流，水位出現(xiàn)持續(xù)性上漲，破壞了下游河道。6月7日8時(shí)，入庫(kù)流量仍然持續(xù)性增大，高達(dá)4967.6m3/s，保持3898m3/s的速度進(jìn)行泄流。洪水在6月7日9時(shí)左右接近峰值，而后入庫(kù)流量開始逐步變小，退水期到來，為確保下場(chǎng)洪水的安全性，依舊保持3898m3/s的速度進(jìn)行泄流。水位在6月7日11時(shí)左右增至峰值78.4m，隨即逐漸下降，直至回到汛限水位，該洪水調(diào)度最終完成。

圖4 2020年6月6日起利用天氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的結(jié)果

3.3 水庫(kù)調(diào)度效果分析

從兩種方式對(duì)該次洪水的調(diào)度結(jié)果(見圖5)中可以發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)調(diào)度方式下，前期水位始終在78.10m的汛限水位處小范圍波動(dòng)。而在本文所提出的調(diào)度方式下，預(yù)泄過程在一開始就發(fā)生，完成后水位下降至77.21m。通過計(jì)算，可知其出現(xiàn)了0.89m的小幅度下降，泄水量將近1811.9萬m3，防洪庫(kù)容在較大程度上得到了擴(kuò)增。當(dāng)入庫(kù)流量與下泄流量相同時(shí)，本文所提出的調(diào)度的方式轉(zhuǎn)變成常規(guī)調(diào)度方式，由此進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度，二者的最大泄量都是2898m3/s。與常規(guī)調(diào)度方式相比，利用天氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的方式最大泄量包括四個(gè)時(shí)段，少了三個(gè)時(shí)段。同時(shí)常規(guī)調(diào)度方式所達(dá)到的最大水位是79.18m，本文所提出的調(diào)度方式到達(dá)的最大水位是78.40m，下降幅度為0.78m?？梢园l(fā)現(xiàn)，本文所提出的調(diào)度方式一定程度上減小了水庫(kù)自身防洪風(fēng)險(xiǎn)，提高了水庫(kù)防洪能力，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化調(diào)度。

圖5 兩種調(diào)度方式下的水庫(kù)調(diào)度結(jié)果

4 結(jié) 論

水庫(kù)調(diào)度在現(xiàn)代化防洪體系中占據(jù)著重要地位，而常規(guī)水庫(kù)調(diào)度方式已經(jīng)無法匹配當(dāng)前水庫(kù)調(diào)度的需求。本文以信江流域大坳水庫(kù)為例，在分析區(qū)域水文特征的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合天氣系統(tǒng)和分析暴雨相似性的水庫(kù)調(diào)度方法，并建立了水庫(kù)預(yù)泄雨量的決策樹。結(jié)果顯示，在2020年6月7日8時(shí)的暴雨預(yù)報(bào)中，該地平均預(yù)報(bào)降雨與實(shí)際降雨的差值為3～5mm，與實(shí)際情況具有較高的符合度。與常規(guī)調(diào)度方式相比，本文所提出的利用天氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的方式在6月7日11時(shí)左右出現(xiàn)水位最大值78.4m，最終總計(jì)泄水量約為1811.9萬m3，提高了水庫(kù)的防洪能力，可以在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中進(jìn)一步應(yīng)用。