王漢東，黃瑤，王 燕，唐海華，羅 斌

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.海河水利委員會(huì) 引灤工程管理局，河北 遷西 064309； 3.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 互聯(lián)網(wǎng)+智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

洪水預(yù)見期短、調(diào)度響應(yīng)時(shí)間少是大多數(shù)水庫(kù)在防洪調(diào)度過程中面臨的主要問題，通過水庫(kù)納雨能力分析可以有效延長(zhǎng)洪水預(yù)見期，增加水庫(kù)防洪調(diào)度響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于提升水庫(kù)安全度汛能力、確保水庫(kù)防洪調(diào)度安全具有重要意義。水庫(kù)納雨能力的計(jì)算方法可以分為兩類：① 靜態(tài)計(jì)算，即利用水庫(kù)特征數(shù)據(jù)和流域水文數(shù)據(jù)資料，直接計(jì)算出各個(gè)給定水位條件下的水庫(kù)納雨能力[1-4]，不考慮入庫(kù)出庫(kù)流量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)公式中的參數(shù)也進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，參數(shù)取值容易確定，計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，最大的不足就是計(jì)算精度不高；② 結(jié)合水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度模型，通過入庫(kù)出庫(kù)流量過程進(jìn)行水庫(kù)納雨能力計(jì)算[5-9]。這類計(jì)算方法由于考慮的因素比較多，計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算精度得以提高，能有效支撐水庫(kù)防洪調(diào)度，但是往往僅針對(duì)設(shè)計(jì)洪水或特定場(chǎng)次的降雨進(jìn)行典型分析，對(duì)任意一場(chǎng)降雨的模擬仿真能力還比較欠缺。

水庫(kù)納雨能力與流域降雨情況、水庫(kù)調(diào)度方式等因素密切相關(guān)，隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中的水庫(kù)納雨能力分析方法大多無(wú)法針對(duì)任意一場(chǎng)降水過程進(jìn)行計(jì)算，預(yù)警預(yù)報(bào)的針對(duì)性不強(qiáng)。預(yù)報(bào)降雨量是一種延長(zhǎng)洪水預(yù)見期的有效方法[10]，隨著氣象預(yù)報(bào)技術(shù)的快速發(fā)展，面向公眾的數(shù)值氣象降雨預(yù)報(bào)精度有了大幅提高，可為防洪調(diào)度提供早期參考[11-12]。因此，本文將納雨能力分析與氣象降雨預(yù)報(bào)、水情預(yù)報(bào)、水庫(kù)防洪調(diào)度結(jié)合起來(lái)，提出一種基于預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算的水庫(kù)納雨能力動(dòng)態(tài)分析方法，并以灤河流域潘家口水庫(kù)為例進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 納雨能力計(jì)算方法

1.1 計(jì)算公式

水庫(kù)納雨能力計(jì)算的核心公式為

(1)

式中：P為水庫(kù)納雨能力，mm；ΔW為在Δt時(shí)段內(nèi)水庫(kù)達(dá)到設(shè)定水位條件下的徑流總量；α為徑流系數(shù)；F為水庫(kù)集水面積，km2；k為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取10。其中，ΔW的計(jì)算公式為

ΔW=Vs-Vc+Δt×Qout

(2)

式中：Vs為水庫(kù)水位為目標(biāo)水位Zs時(shí)對(duì)應(yīng)庫(kù)容；Vc為水庫(kù)水位為當(dāng)前水位Zc時(shí)對(duì)應(yīng)庫(kù)容；Qout為出庫(kù)流量；Δt為水庫(kù)水位從當(dāng)前水位Zc變化到目標(biāo)水位Zs所需的時(shí)間(時(shí)段長(zhǎng))。

水庫(kù)納雨能力計(jì)算的關(guān)鍵是求ΔW。由式(2) 可知，Vs，Vc可以通過查詢水庫(kù)水位-庫(kù)容曲線求得，根據(jù)水庫(kù)調(diào)度過程可得到出庫(kù)流量Qout，而水庫(kù)調(diào)度過程與預(yù)報(bào)的水庫(kù)入庫(kù)流量密切相關(guān)。因此，結(jié)合水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度模型計(jì)算，可以求出ΔW，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)納雨能力動(dòng)態(tài)分析。

1.2 納雨能力計(jì)算過程

本文提出一種基于水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度模型一體化計(jì)算的水庫(kù)納雨能力分析方法，通過接入氣象預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)延長(zhǎng)洪水預(yù)見期。水庫(kù)納雨能力分析流程見圖1(W1，W2，…，Wn為水庫(kù)庫(kù)容凈增加量)，計(jì)算過程如下。

(1) 構(gòu)建水情預(yù)報(bào)模型，以流域雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)作為模型輸入，進(jìn)行水情預(yù)報(bào)。

(2) 采用馬斯京根模型進(jìn)行河道洪水演進(jìn)計(jì)算，根據(jù)水情預(yù)報(bào)結(jié)果計(jì)算水庫(kù)入庫(kù)流量過程Qin。

(3) 根據(jù)水庫(kù)調(diào)度規(guī)程構(gòu)建水庫(kù)洪水調(diào)度模型，以步驟(2)的入庫(kù)流量過程計(jì)算結(jié)果作為模型輸入，得到水庫(kù)出庫(kù)流量過程Qout。

(4) 根據(jù)水庫(kù)當(dāng)前水位、目標(biāo)水位以及步驟(3)計(jì)算得到的出庫(kù)流量過程，利用式(2)計(jì)算水庫(kù)動(dòng)態(tài)剩余庫(kù)容ΔW，再利用式(1)求得水庫(kù)的納雨能力。

圖1 水庫(kù)納雨能力分析流程示意

2 水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算

入庫(kù)流量預(yù)報(bào)及庫(kù)容動(dòng)態(tài)變化是納雨能力分析的關(guān)鍵，水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算通過耦合水情預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)和水庫(kù)防洪調(diào)度業(yè)務(wù)流程化處理和數(shù)據(jù)共享[13]，預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算結(jié)果為納雨能力分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)流程

通過前端智能感知系統(tǒng)獲取雨量、水位及流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為有效延長(zhǎng)洪水預(yù)見期，引入了外部預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)流域水文特征信息，從水情預(yù)報(bào)模型庫(kù)中選擇合適的洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行防洪形勢(shì)分析和防洪預(yù)警，在防洪調(diào)度預(yù)案生成、模擬與推演環(huán)節(jié)，通過預(yù)報(bào)調(diào)度模型耦合與數(shù)據(jù)共享，自動(dòng)接入預(yù)報(bào)結(jié)果，避免模型之間的人工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與拼接。預(yù)報(bào)調(diào)度整體業(yè)務(wù)流程邏輯示意見圖2。

圖2 預(yù)報(bào)調(diào)度總體業(yè)務(wù)邏輯示意

2.2 模型組件化封裝與流程化搭建

采用組件化思想將模型計(jì)算邏輯和模型參數(shù)分離，提高模型通用性。對(duì)水利防洪對(duì)象、模型算法和方案參數(shù)，按對(duì)象庫(kù)、規(guī)則庫(kù)和節(jié)點(diǎn)庫(kù)進(jìn)行分解和管理，并封裝成組件，形成流程節(jié)點(diǎn)[14]。流程節(jié)點(diǎn)組件分解示意見圖3[14]。

圖3 流程節(jié)點(diǎn)組件分解示意

在模型組件化的基礎(chǔ)上，通過流程化技術(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要快速搭建或調(diào)整業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)組裝式搭建，大大提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)整效率。將預(yù)報(bào)調(diào)度計(jì)算變成一系列專業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)流，讓預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用通過流程配置的方式，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞，提高了數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換的效率，同時(shí)也能讓業(yè)務(wù)流程結(jié)構(gòu)更加直觀和清晰。基于流程節(jié)點(diǎn)組件的業(yè)務(wù)流程搭建示意見圖4。

圖4 基于流程節(jié)點(diǎn)組件的業(yè)務(wù)流程搭建示意

3 實(shí)例分析

本文在水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展納雨能力分析模塊，直接連接水情預(yù)報(bào)的入庫(kù)流量過程數(shù)據(jù)，以及水庫(kù)調(diào)度的出庫(kù)流量過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)納雨能力實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算。選擇灤河流域潘家口水庫(kù)進(jìn)行實(shí)例分析。

3.1 潘家口水庫(kù)概況

潘家口水庫(kù)主壩址位于河北省遷西縣灑橋鎮(zhèn)以北10 km的灤河干流上，水庫(kù)地跨唐山、承德兩市，是一座綜合性大型水利樞紐，主要任務(wù)為調(diào)節(jié)灤河水量，為天津市和河北省唐山市提供工農(nóng)業(yè)用水，結(jié)合供水發(fā)電，兼顧防洪。潘家口水庫(kù)總庫(kù)容29.3億m3。水庫(kù)壩址以上流域面積33 700 km2，年徑流量24.5億m3。灤河流域主要水系及水庫(kù)分布[15]見圖5。

圖5 灤河流域主要水系及水庫(kù)分布

3.2 氣象預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)接入

雨量數(shù)據(jù)是洪水預(yù)報(bào)模型的重要輸入數(shù)據(jù)。為了延長(zhǎng)洪水預(yù)見期，接入外部氣象降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，將雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及氣象降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)合并一起作為洪水預(yù)報(bào)模型的輸入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過調(diào)用公開的數(shù)據(jù)接口，定時(shí)提取中央氣象臺(tái)發(fā)布的預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將預(yù)報(bào)降雨網(wǎng)格數(shù)據(jù)與水情預(yù)報(bào)流域子單元相疊加，通過解析計(jì)算獲得預(yù)報(bào)流域子單元的雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。預(yù)報(bào)區(qū)間氣象預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)解析見圖6。

圖6 預(yù)報(bào)區(qū)間氣象預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)解析

3.3 入庫(kù)流量計(jì)算

洪水預(yù)報(bào)計(jì)算分為區(qū)間預(yù)報(bào)和河道洪水演進(jìn)，結(jié)合灤河流域水文特征，主要采用三水源新安江模型、河北雨洪模型和API模型。以雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)作為模型輸入，三道河子至潘家口水庫(kù)河段的河道洪水演進(jìn)模型采用馬斯京根演算模型，系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果展示界面見圖7。

圖7 人工調(diào)節(jié)降雨過程以及流量成果過程

3.4 出庫(kù)流量計(jì)算

基于潘家口水庫(kù)調(diào)度規(guī)程構(gòu)建水庫(kù)調(diào)度模型，以入庫(kù)流量過程計(jì)算結(jié)果作為模型輸入，計(jì)算得到水庫(kù)出庫(kù)流量過程。系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)流程建設(shè)實(shí)施，提供通用的業(yè)務(wù)處理流程，實(shí)現(xiàn)基于水庫(kù)調(diào)度規(guī)則、水位控制、泄流控制等的多目標(biāo)調(diào)度功能。在調(diào)度過程中，支持灤河流域按照水利拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)拓?fù)渥詣?chuàng)建、模型自識(shí)別、數(shù)據(jù)自銜接、調(diào)度演進(jìn)一體化計(jì)算。

3.5 納雨能力分析

水庫(kù)納雨能力分析模塊是在預(yù)報(bào)調(diào)度功能模塊的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)，自動(dòng)接入水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度的入庫(kù)流量過程、出庫(kù)流量過程數(shù)據(jù)。因此，只需設(shè)定水庫(kù)納雨能力分析上限水位、當(dāng)前水庫(kù)水位等信息即可進(jìn)行計(jì)算，并最終得到水庫(kù)納雨能力分析結(jié)果。選取2020年7月14日11∶00至2020年7月17日08∶00的一場(chǎng)降雨，通過系統(tǒng)的水庫(kù)納雨能力分析模塊計(jì)算得到潘家口水庫(kù)的納雨能力分析結(jié)果，見圖8及表1。

圖8 納雨能力計(jì)算結(jié)果

表1 潘家口水庫(kù)2020月7月14日 11∶00至2020年7月17 日08∶00納雨能力分析結(jié)果

從圖8及表1可以看出，隨著水庫(kù)調(diào)度執(zhí)行及降雨量的變化，不同時(shí)段水庫(kù)的納雨能力不同。水庫(kù)納雨能力表現(xiàn)出隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的特性，可以更加精確地用于水庫(kù)防洪形勢(shì)分析以及水庫(kù)防洪調(diào)度預(yù)警。

2020年7月1日至8月15日的主汛期，潘家口水庫(kù)的汛限水位為216 m[16]。本文依據(jù)汛限水位、水庫(kù)壩前水位，結(jié)合納雨能力分析結(jié)果，將防洪調(diào)度預(yù)警狀態(tài)分為三級(jí)：當(dāng)水庫(kù)壩前水位為216～218 m，對(duì)應(yīng)納雨能力為93～170 mm時(shí)，為三級(jí)預(yù)警；當(dāng)水庫(kù)壩前水位為218～220 m，對(duì)應(yīng)納雨能力為70～105 mm時(shí)，為二級(jí)預(yù)警；當(dāng)水庫(kù)壩前水位超過220 m，對(duì)應(yīng)納雨能力小于70 mm時(shí)，為一級(jí)預(yù)警。通過計(jì)算得到預(yù)警狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間，及時(shí)推送給工作人員，并通過聲音、文字、顏色、符號(hào)等形式在GIS場(chǎng)景中展示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算模型構(gòu)建納雨能力分析模塊，能針對(duì)任意一場(chǎng)降雨進(jìn)行納雨能力分析，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)納雨能力自動(dòng)計(jì)算。由于預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算模型綜合考慮包括水庫(kù)、流域水文特性、流域下墊面等多種因素，納雨能力計(jì)算結(jié)果更精細(xì)，體現(xiàn)出隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化。此外，通過接入氣象降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，有效延長(zhǎng)了洪水預(yù)見期，增加了水庫(kù)調(diào)度的響應(yīng)時(shí)間，提高了水庫(kù)防洪調(diào)度的主動(dòng)性，可為水庫(kù)防洪形勢(shì)分析、防洪預(yù)警、調(diào)度決策提供重要支撐。