任明磊 ,何曉燕 ,丁留謙 ,王海軍 ,李 輝 ,譚亞男
(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,北京 100038;3.水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心,北京 100055)
水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究自2001年國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室布置開(kāi)展工作以來(lái),經(jīng)過(guò)多年基礎(chǔ)理論研究及試點(diǎn)水庫(kù)應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)展,已從原來(lái)整個(gè)汛期固定單一汛限水位發(fā)展為分期汛限水位,進(jìn)而發(fā)展到汛限水位動(dòng)態(tài)控制。汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的確定是汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一,亦是動(dòng)態(tài)控制方案實(shí)施的基礎(chǔ)。
目前,水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域確定的主要方法之一即為預(yù)泄能力約束法[1],水利工程水利計(jì)算規(guī)范(SL 104-95)允許洪水預(yù)報(bào)條件較好、預(yù)報(bào)方案完善、預(yù)報(bào)精度較高的水庫(kù)進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)可適當(dāng)考慮預(yù)報(bào)預(yù)泄,但預(yù)泄能力約束法僅局限于考慮洪水預(yù)報(bào)信息,一般不考慮氣象預(yù)報(bào)信息。
實(shí)際上,隨著我國(guó)氣象、降雨預(yù)報(bào)水平的提高,尤其是“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射,降雨預(yù)報(bào)信息準(zhǔn)確率不斷提高,水文及氣象部門(mén)亦積累了大量可利用的降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。因此,針對(duì)洪水匯流速度快、依據(jù)洪水預(yù)報(bào)信息決策時(shí)效短的水庫(kù),本文提出考慮降雨預(yù)報(bào)信息的改進(jìn)預(yù)泄能力約束法,根據(jù)所依據(jù)降雨預(yù)報(bào)信息的預(yù)見(jiàn)期、精度、泄流能力、下游允許水庫(kù)出流等確定水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值;并與水庫(kù)分期汛限水位相結(jié)合,研究各分期內(nèi)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的確定。
短期降雨預(yù)報(bào)精度分析內(nèi)容主要包括未來(lái)24 h、48 h各量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息準(zhǔn)確率、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率等特征指標(biāo)值,以及某一量級(jí)降雨預(yù)報(bào)情況下實(shí)際發(fā)生降雨量的頻率分布規(guī)律[2]。
按照氣象部門(mén)的習(xí)慣,按表1對(duì)降雨等級(jí)進(jìn)行劃分,不同等級(jí)降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率計(jì)算方法如下:
表1 降雨等級(jí)
式中:m為發(fā)布預(yù)報(bào)次數(shù);n為降雨實(shí)際值落于預(yù)報(bào)等級(jí)相應(yīng)值域內(nèi)的次數(shù)。
不同等級(jí)降雨預(yù)報(bào)漏報(bào)率計(jì)算方法為:
式中:m為發(fā)布預(yù)報(bào)次數(shù);u為發(fā)布預(yù)報(bào)中漏報(bào)(降雨實(shí)際值大于預(yù)報(bào)等級(jí)值域上限)的次數(shù)。
不同等級(jí)降雨預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)率計(jì)算方法為:
式中:m為發(fā)布預(yù)報(bào)次數(shù);v為發(fā)布預(yù)報(bào)中空?qǐng)?bào)(降雨實(shí)際值小于預(yù)報(bào)等級(jí)值域下限)的次數(shù)。
已有研究成果的對(duì)比分析表明:降雨定性分級(jí)預(yù)報(bào)如未來(lái)24 h無(wú)雨或小—中雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率已在90%以上,目前這些信息在汛限水位動(dòng)態(tài)控制中已達(dá)到可利用程度[2]。某一量級(jí)降雨預(yù)報(bào)條件下實(shí)際發(fā)生降雨量的頻率分布規(guī)律,采用頻率分析法計(jì)算。例如,預(yù)報(bào)無(wú)雨條件下實(shí)際發(fā)生大暴雨的頻率即為預(yù)報(bào)無(wú)雨而實(shí)際發(fā)生大暴雨的次數(shù)占預(yù)報(bào)無(wú)雨總次數(shù)的比例。文獻(xiàn)[2]通過(guò)大量實(shí)例研究認(rèn)為:某一量級(jí)降雨預(yù)報(bào)條件下實(shí)際發(fā)生降雨量的頻率分布符合PIII型分布,可采用矩法估計(jì)其統(tǒng)計(jì)參數(shù),由于本文不涉及實(shí)際發(fā)生降雨量頻率計(jì)算,因此,不在此詳述其計(jì)算公式,具體可詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。
3.1基本思想本文所述改進(jìn)預(yù)泄能力約束法是考慮降雨預(yù)報(bào)信息的預(yù)泄能力約束法[4]。該方法的基本思想是:基于降雨預(yù)報(bào)信息可利用性研究成果,按照洪水起漲前水庫(kù)水位必須降至原設(shè)計(jì)汛限水位的原則,在降雨預(yù)報(bào)有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi),依據(jù)預(yù)報(bào)信息的有效預(yù)見(jiàn)期、預(yù)報(bào)精度、水庫(kù)泄流能力、下游允許水庫(kù)出流量等綜合確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值,原設(shè)計(jì)汛限水位作為動(dòng)態(tài)控制域下限值。
3.2計(jì)算汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限步驟水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值的影響因素主要包括:面臨時(shí)刻的水情、雨情、工情信息;降雨預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期、有效預(yù)見(jiàn)期;有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的入庫(kù)流量;有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水庫(kù)泄流能力;下游河道允許預(yù)泄流量;水庫(kù)調(diào)度決策與反饋信息傳遞時(shí)間、閘門(mén)操作時(shí)間等。
改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限分以下4個(gè)步驟:
3.2.1 計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期 按照式(5)、式(6)計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期,即:
式中:Ty表示有效預(yù)見(jiàn)期;TR為考慮短期降雨預(yù)報(bào)信息的極限預(yù)泄時(shí)間(對(duì)一次洪水而言,從洪水開(kāi)始起漲到預(yù)泄流量達(dá)到下游允許安全流量的時(shí)間即為水庫(kù)一次洪水極限預(yù)泄時(shí)間[2]);Tcu為預(yù)報(bào)信息傳遞時(shí)間、信息反饋時(shí)間、調(diào)度決策時(shí)間、閘門(mén)啟閉時(shí)間等之和;Tc為降雨預(yù)報(bào)信息傳遞時(shí)間、Tj為信息反饋、調(diào)度決策傳播時(shí)間、Tz為閘門(mén)操作時(shí)間。
預(yù)見(jiàn)期指從發(fā)布預(yù)報(bào)的時(shí)刻至預(yù)報(bào)事件發(fā)生所間隔的時(shí)間。有效預(yù)見(jiàn)期指降雨預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期扣除信息傳遞、信息反饋、調(diào)度決策和閘門(mén)操作時(shí)間等。對(duì)一次洪水而言,水庫(kù)極限預(yù)泄時(shí)間指從洪水開(kāi)始起漲到預(yù)泄流量達(dá)到下游安全流量的時(shí)間[2]。
3.2.2 有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水庫(kù)平均出流及入流 采用降雨預(yù)報(bào)信息,則有效預(yù)見(jiàn)期Ty期間平均入庫(kù)流量Qin即為發(fā)布大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息后,有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的平均入庫(kù)流量Qin;為安全起見(jiàn),常根據(jù)降雨預(yù)報(bào)有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)最大入庫(kù)流量(指發(fā)布降雨預(yù)報(bào)信息至降雨發(fā)生這段時(shí)間內(nèi)的最大入庫(kù)流量)確定,可按照式(7)計(jì)算:
式中:Qink為各次發(fā)布大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)后有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量;m為發(fā)布大雨及以上量級(jí)降雨的次數(shù)。
有效預(yù)見(jiàn)期Ty期間平均出庫(kù)流量qout通常取下游防洪控制斷面最低一級(jí)防洪目標(biāo)安全過(guò)流量所允許的水庫(kù)安全泄量qan。
3.2.3 有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)允許預(yù)蓄水量計(jì)算 根據(jù)有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)平均入庫(kù)流量Qin、有效預(yù)見(jiàn)期期間平均出庫(kù)流量qout,按式(8)計(jì)算原設(shè)計(jì)汛限水位Z0d以上的預(yù)蓄水量wyx。
節(jié)步驟求得可預(yù)蓄水量w,以
yx值查求水位-庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn),用式(9)確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值。
式中:ZXL為興利蓄水位;f[*]為水庫(kù)庫(kù)容-水位關(guān)系。
信息技術(shù)與聾校數(shù)學(xué)教學(xué)的整合優(yōu)化了數(shù)學(xué)課堂教學(xué)方法?,F(xiàn)代信息技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用,使聾校傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)成為了一種開(kāi)放性、綜合性的教學(xué)形式。聾生新知識(shí)的獲取變得全方位立體化了,有效地促進(jìn)了知識(shí)結(jié)構(gòu)的形成與情感的激發(fā);教學(xué)中強(qiáng)調(diào)了聾生的學(xué)習(xí)過(guò)程和自身的體驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)聾生思維方法的引導(dǎo),加強(qiáng)了課堂上師生之間的互動(dòng)[4]。
3.3水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域確定對(duì)于汛限水位分期控制(即設(shè)置有分期汛限水位)的水庫(kù),已知主汛期汛限水位、前后汛期分期汛限水位及二者所對(duì)應(yīng)的庫(kù)容量根據(jù)上節(jié)步驟求得的可預(yù)蓄水量wyx,以值、值查求水位-庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn),用式(10)、式(11)分別確定主汛期、前后汛期汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值Zd+01、Zd
+02。
4.1漳澤水庫(kù)概況漳澤水庫(kù)壩址位于山西省長(zhǎng)治市北郊,是海河流域漳河上游濁漳河南源干流上的一座控制性工程,水庫(kù)流域如圖1所示。該水庫(kù)是一座以防洪、灌溉、工業(yè)和城市供水為主,兼顧養(yǎng)魚(yú)、旅游等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫(kù)工程,控制流域面積3 176 km2,總庫(kù)容4.27億m3。水庫(kù)按百年一遇洪水設(shè)計(jì),兩千年一遇洪水校核,正常蓄水位902.4 m,設(shè)計(jì)洪水位903.61 m,校核洪水位908.45 m。汛期為6—9月,其中主汛期(7月15日—8月15日)汛限水位為901.0 m,前汛期(6月1日—7月14日)、后汛期(8月16日—9月30日)汛限水位為901.5 m。洪水主要由暴雨形成,集中在7月中旬至8月中旬,且暴雨洪水發(fā)生次數(shù)較少,一般一年只發(fā)生一次或兩次。根據(jù)漳澤水庫(kù)1956—2007年來(lái)用水情況分析,汛期發(fā)生棄水的年份有26年,汛期多年平均棄水量4 200萬(wàn)m3,占來(lái)水量的26.4%。因此,由上述分析可知,漳澤水庫(kù)在現(xiàn)行汛限水位分期控制方案下汛期棄水量較大,洪水資源有進(jìn)一步利用的空間。有必要對(duì)漳澤水庫(kù)實(shí)施汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制,以期提高汛末蓄滿(mǎn)率,充分利用寶貴的水資源。
圖1 漳澤水庫(kù)流域
4.2漳澤水庫(kù)流域短期降雨預(yù)報(bào)可利用性成果分析選用漳澤水庫(kù)以上流域長(zhǎng)治市氣象臺(tái)2004年至2008年6月1日至9月30日的未來(lái)24 h、48 h降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及漳澤水庫(kù)控制流域?qū)嶋H日降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析[6],結(jié)果分別列于表2—3。
表2 長(zhǎng)治市氣象臺(tái)未來(lái)24 h、48 h無(wú)雨、小雨、中雨各量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息分析
表3 長(zhǎng)治市氣象臺(tái)未來(lái)24 h、24~48 h大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息分析
根據(jù)短期降雨預(yù)報(bào)精度分析結(jié)果,并參考文獻(xiàn)[2],可以得出如下結(jié)論:漳澤水庫(kù)流域以上未來(lái)24 h、48 h無(wú)雨、小雨、中雨短期降雨預(yù)報(bào)信息在汛限水位動(dòng)態(tài)控制中是可以利用的;鑒于大雨及以上量級(jí)降雨樣本個(gè)數(shù)較少(未來(lái)24 h降雨預(yù)報(bào)大雨及以上量級(jí)樣本數(shù)58,未來(lái)48 h降雨預(yù)報(bào)大雨及以上量級(jí)樣本數(shù)48),當(dāng)發(fā)布大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息時(shí),將水庫(kù)水位降至原設(shè)計(jì)汛限水位,水庫(kù)進(jìn)入防洪調(diào)度階段。
在利用改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限時(shí),若采用未來(lái)24h降雨預(yù)報(bào)信息,則降雨有可能發(fā)生在最不利時(shí)刻,即未來(lái)24 h降雨預(yù)報(bào)之初,則此種情況下短期降雨預(yù)報(bào)可利用的預(yù)見(jiàn)期則為0 h;因此,考慮漳澤水庫(kù)有效預(yù)泄時(shí)間的約束,本文在確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域時(shí)利用的是漳澤水庫(kù)以上流域未來(lái)48 h短期降雨預(yù)報(bào)信息。
4.3漳澤水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域確定根據(jù)第3.2節(jié)及第3.3節(jié)介紹的計(jì)算步驟,漳澤水庫(kù)基于改進(jìn)預(yù)泄能力約束法的水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域確定如下。
4.3.1 有效預(yù)見(jiàn)期 根據(jù)短期降雨預(yù)報(bào)可利用性分析成果,漳澤水庫(kù)確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域時(shí)利用的是水庫(kù)以上流域未來(lái)48 h短期降雨預(yù)報(bào)信息。實(shí)際降雨有可能發(fā)生在未來(lái)48 h降雨預(yù)報(bào)的最不利時(shí)刻,即未來(lái)24~48 h降雨預(yù)報(bào)的24 h之初,因此,降雨預(yù)報(bào)信息的可利用預(yù)見(jiàn)期為24 h??紤]到信息傳遞、預(yù)泄決策調(diào)令傳達(dá)及實(shí)施時(shí)間、閘門(mén)操作時(shí)間等,有效預(yù)見(jiàn)期取為20 h。
4.3.2 有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水庫(kù)入流及出流 漳澤水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究采用的是未來(lái)24~48 h降雨預(yù)報(bào)信息,即水庫(kù)相關(guān)流域氣象臺(tái)發(fā)布未來(lái)24~48 h無(wú)雨、小雨、中雨量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息時(shí),水庫(kù)可控制庫(kù)水位在汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限;發(fā)布未來(lái)24~48 h大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息后,水庫(kù)開(kāi)始預(yù)泄并轉(zhuǎn)入防洪調(diào)度階段。水庫(kù)在有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的入庫(kù)流量即為發(fā)布未來(lái)24~48 h大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息之后的入庫(kù)流量。偏于安全考慮,在確定漳澤水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域時(shí),將有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量作為水庫(kù)預(yù)泄時(shí)的入庫(kù)流量。統(tǒng)計(jì)漳澤水庫(kù)流域2004—2009年發(fā)布大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息之后,有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量,結(jié)果如表4所示。
表4 2004—2009年發(fā)布大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息后有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量
由表4可見(jiàn),水庫(kù)流域2004—2009年發(fā)布大雨以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量為28.1 m3/s,為安全起見(jiàn),取為30 m3/s。
有效預(yù)見(jiàn)期Ty期間平均出庫(kù)流量qout首先考慮下游防洪控制斷面安全過(guò)流量所允許的水庫(kù)安全泄量300 m3/s;另外,有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水庫(kù)出庫(kù)流量亦受城市供水與灌溉日平均出流約束,根據(jù)漳澤水庫(kù)設(shè)計(jì)年供水量108m3,水庫(kù)供水出流取5 m3/s;綜合上述兩方面因素,漳澤水庫(kù)Ty期間平均出庫(kù)流量qout取為 305 m3/s。4.3.3 漳澤水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域 根據(jù)4.3.1節(jié)及4.3.2節(jié)確定的有效預(yù)見(jiàn)期及有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水庫(kù)出流及入流,有效預(yù)見(jiàn)期20 h內(nèi)可預(yù)泄水量為1 980萬(wàn)m3[(300+5-30)m3/s×3600s×20]。
對(duì)主汛期而言,在原設(shè)計(jì)汛限水位(901.0 m)對(duì)應(yīng)的庫(kù)容基礎(chǔ)上增加水量1 980萬(wàn)m3,此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為901.75 m,此水位即為改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定的主汛期水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限;原設(shè)計(jì)汛限水位901.0 m為主汛期水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域下限。
對(duì)前后汛期而言,在水庫(kù)現(xiàn)行分期汛限水位901.5 m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容基礎(chǔ)上增加水量19.8×106m3,此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為902.2 m,此水位即為改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定的前后汛期水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限;分期汛限水位901.5 m為分期汛限水位動(dòng)態(tài)控制域下限。
綜上所述,漳澤水庫(kù)基于改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定的水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域計(jì)算成果如表5所示。
表5 漳澤水庫(kù)基于改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定的水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域
4.4漳澤水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域應(yīng)用效果漳澤水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域研究成果經(jīng)海河流域水利委員會(huì)批準(zhǔn),應(yīng)用在2013年、2014年、2015年、2016年的調(diào)度實(shí)踐中。根據(jù)漳澤水庫(kù)2013—2016年水庫(kù)水情統(tǒng)計(jì),歷年前汛期、主汛期、后汛期水庫(kù)水位平均值如表6所示。
表6 漳澤水庫(kù)2013—2016年汛期各分期內(nèi)平均水位、入庫(kù)流量及出庫(kù)流量
與漳澤水庫(kù)原汛限水位分期控制方案相比,2013年全汛期增加需水量1 319萬(wàn)m3,前汛期、主汛期蓄水量分別增加237和1 082萬(wàn) m3;2014年全汛期增加蓄水量1 134萬(wàn)m3,前汛期、主汛期、后汛期分別增加739、105和290萬(wàn)m3;2015年、2016年由于來(lái)水偏枯,因此汛期蓄水量并未增。根據(jù)長(zhǎng)治市2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào),長(zhǎng)治市人均日生活用水量162.7 L,人均年生活用水量59 m3。漳澤水庫(kù)通過(guò)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案,與原汛限水位分期控制方案相比,在2013年、2014年可以分別多解決22萬(wàn)人、19萬(wàn)人的生活用水,且漳澤水庫(kù)管理局年均供水收入分別增加1 583萬(wàn)、1 361萬(wàn)元。
針對(duì)洪水匯流速度快、依據(jù)洪水預(yù)報(bào)信息決策時(shí)效短的水庫(kù)但又迫切需要進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究的水庫(kù),本文在對(duì)水庫(kù)流域短期降雨預(yù)報(bào)信息可利用性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)預(yù)泄能力約束法研究了汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域,并將研究成果在全國(guó)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究第二批試點(diǎn)水庫(kù)之一山西省漳澤水庫(kù)進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)果表明:采用改進(jìn)的預(yù)泄能力約束法確定的漳澤水庫(kù)汛限水位分期動(dòng)態(tài)控制域成果經(jīng)海河水利管理委員會(huì)批準(zhǔn),在2013年、2014年、2015年、2016年的水庫(kù)調(diào)度實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果。
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