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        利用短期降雨預(yù)報進(jìn)行水庫汛限水位動態(tài)控制探析

        2022-02-22 07:25:28劉金寶
        黑龍江水利科技 2022年1期

        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(jìn)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(shí)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(jì)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(shí)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(jìn)行可能發(fā)生洪水標(biāo)準(zhǔn)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(jì)明顯偏低。結(jié)合統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(shí)際以及王屋水庫汛期限制水位動態(tài)控制實(shí)施期限的設(shè)計(jì),進(jìn)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(jìn)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(shí)際發(fā)生的頻次、頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)表1所示。

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

        根據(jù)流域未來24h不同降雨量級實(shí)際發(fā)生的頻次、頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,黃水河流域未來24h無降雨預(yù)報的準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(shí)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(jìn)行其統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jìn)行具體量級降雨預(yù)報水平下實(shí)際發(fā)生相應(yīng)量級降雨頻率的分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)表1的分析成果,流域未來24h不同降雨量級實(shí)際發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)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(jìn)行具體量級降雨情況下實(shí)際發(fā)生相應(yīng)量級降雨概率的統(tǒng)計(jì)分析及統(tǒng)計(jì)參數(shù)的矩法估計(jì)[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(shí)際降雨量頻率分布情況統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)上表統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(jìn)行水庫汛期限制水位控制切實(shí)可行。

        3 汛限水位動態(tài)控制

        3.1 汛限水位控制范圍

        當(dāng)前水庫汛期防洪調(diào)度實(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jì)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(yùn)行安全的考慮,應(yīng)嚴(yán)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(jì)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(jìn)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(yùn)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(jì)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(dāng)未來24h預(yù)計(jì)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(jìn)行調(diào)洪控制,具體見表3。

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

        根據(jù)表中結(jié)果可知,借助流域短期降雨預(yù)報加強(qiáng)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(jì)發(fā)生中雨及以上量級降雨之前實(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn),所以汛期限制水位的提升仍然安全。

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