（水文学及水资源专业论文）考虑洪水预报情况下水库防洪调度问题的研究.pdf

摘要 目前，我国大部分水库全汛期采用一个固定的防洪限制水位，部分已实现汛 限水位分期控制。随着降雨、洪水预报已达到可利用精度，水库调度应结合流域 预报信息对不同频率洪水采用不同的溉限水位戳充分发挥水库的综合效益。俺者 广泛阅读和分析国内外有关文献，运用水库调度原理和风险效益思想，对王快水 库不同预报洪水采取不同的汛限水位进行探讨，为其预报预蓄调度和预报预泄调 度提供了科学昀依据。本文的主要内容帮研究结采如下： “设计标准洪水是预报无雨或小震条件下的不可能毪事传”。基予露藏 簿雨预摄隶平分析，无雨或小焉蓣掇精度较高，满摄螽发生大到暴雨翁概率为 0 0 1 ，若从环流形势、卫星云图肴，本流域受蹴压控制，则无雨或小雨预报精 度更高。这一假定指导水库汛限水位控制的上限。 ( 2 ) 设诗标准洪本是孛雨或以上量缀降雨漏摄条箨下翦可缝事 孛黟。事实 上，基于目前降雨预报水平，漏报条件下发生小于设计标准洪水可能性大，故本 假定还是偏安全的，随着预报水平的提高，相应的假定会更符合实际。上述假定 指导水库汛限承佼控制魄下限。 ( 3 ) “若洪水预报方案或降雨预报产品的误茇分布规律明最且有弥补措施， 则可利用于研究汛限水位动态控制方法。此假定制约着预泄能力法、预报调度 规划法所确定的动态控制域的上限值。 ( 4 ) “若洪水起涨时麓水位谯不超过动态控制域鹃上限，则不增加原设计的 防洪风险；若不低于动态控制域的下限，则不降低原设计的供水保证率”。遮一 假定指导水库汛限水位控制的风险分析。 蘧着水黍情信息采集系统豹建设，漤承颈擞方法研究耪避震及气象部门降雨 预报产品质量的提高，汛限水位动态控制理论将趋于完善。 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 第三章王快水库概况及其入痒洪水预报精度分析 3 1 流域及水库概况 3 1 1 流域概况 大清溺拳系遣处海河流域中部，莲篱太霉亍凌，东驾潦海湾，位于永定河与子 牙河系之间，跨山西、河北、北京、天津4 省市，流域总面积为4 3 l 万k m 2 ，萁中 山区1 8 7 万k m 2 ，平原2 。4 4 万k m 2 。大清河上游流域分为南、北两支。南支为赵王 河水系，主要支流有瀑河、漕淫、府河、唐河、潴麓河等，各海均汇入自洋淀， 流域瑟积2 1 0 万k m 2 。= l 艺支隽自沟河水系，主要支流有南、：l 毛撼马河、小清河、 琉璃河、中易水、：i 匕易水等。白沟河与南拒马河在白沟镇汇合后，始称大消河。 北支洪水经薪盖房分洪道汇入东淀。南北两支洪水在东淀汇漉詹，分别经海河和 独流减灞天海。除东淀眷，主要滞洪洼淀还有文安洼、贾日洼、窝渲洼、唐家洼 罄 5 2 j r r0 大清河流域地处温带半干旱大陆性季风气候区，年平均气温为7 。6 1 3 1 ， 多年平均降承萎灸5 0 0 6 0 0m m ，年蠹降求量极为不均，鼢以上集中在嘏期， 置年际问变讫很大，常常造成水晕灾害。区域暴雨中心经常出现在紫荆关和卑平 附近，蒸发量由西向东逐渐降低。 大清溺流域气候温暖，土地肥沃，太力资源充足，工农业发达，交逢方便， 其有麓震经济麓优越条件。据1 9 9 7 年的统计，区城内总入瑟1 6 5 2 万，耪地1 6 6 万 k r n 2 ，熟中河北省境内人口1 6 0 7 万人，耕地1 4 3 万k m 2 。本流域河北省范围内阁内 生产总值9 0 1 亿元，全部工业总产值1 3 2 4 亿元，农业总产值2 1 7 亿元，人均国民生 产总值5 6 0 6 亿元。流域内有京广、津浦、裹九等铁路于线，哀珠、津保高速公路， 有华：| e 油田、大港油田等大型工矿企业。防洪保护区内经济发髓步伐较快，防洪 要求和任务将进步加大。 1 6 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 3 1 2 水库概况 图3 - 1大清河王抉承瘁承系图 二+ 世纪弱年代末至6 0 年代初麓，大清河流域由区开展了大规模求瘁工程 建设，其中有沙河上的大( i ) 型王快水库。 王快水库位于保定市曲阳县境内大清河南支沙河上游，控制流域面积3 7 7 0 妇2 ，蒽库容1 3 8 9 亿矗。是一座以防洪为主，结合灌溉、发电等综合效益的大( 1 ) 型水利枢纽工程。王快水库始建于1 9 5 8 年6 月，1 9 6 0 年9 月完工。1 9 6 9 年续建，1 9 7 5 年对坝基进行了防渗处理，完成了连锁井式防渗墙。1 9 7 6 年对防渗墙基础进行了 灌浆处理。2 0 0 2 年开始进行以扩建溢洪道和大坝加固为主的水瘴除险加固工程， 工程完成后承库校核防洪标准将达到l 0 9 年一遇。水库枢纽工程主要包括大坝、 溢洪道、泄洪洞、水电站。 表3 一l王浃承库工程主要技零豢栝表 建设地点：河北省曲阳县 所在河流：大清河系沙河 控制面积：3 7 7 0l f n 2 ，高程系统：大沽 设鼋。抗震烈度：8 度 设计1 0 0 年一遇 主 坝型粘土斜墙坝 坝 标 校核 1 0 0 0 年一遇坝顶高程2 1 5 0 ( 2 1 5 5 ) i l l 准 现状1 5 0 0 年一遇 最大坝高 6 2m 翔霹设诗1 0 0 0 0 年一遴 坝顼长度 1 2 8 1i l l 1 7 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 调节性能 年调节坝顶宽度5 。0 ( 7 o ) 臻 校核浃永谴2 1 4 4 3 ( 2 1 3 6 3 ) 氆 防浪墙顶离稷2 1 6 。7 糖 设计洪水位2 0 7 0 7 ( 2 0 4 5 6 ) 1 1 3保河滩地 1 0 年 移民高程2 0 5 0 ( 2 0 5 o ) i l l保下游河道2 0 年 水 缝翘高程2 0 5 0 ( 2 0 5 9 ) i l l傈铁路、意速 1 0 0 年 库 正常撇2 0 0 4 0 ( 2 0 0 4 0 ) m滩地安全泄量 8 0 0m 3 s 下 特 汛限水位 1 9 0 0 0 ( 1 9 3 0 0 ) m 游 河道安全泄量 2 5 0 0m 3 s 性 情 铁路安全泄璺 7 5 6 0m 3 s 死求位1 7 8 。0 0 ( 1 7 8 0 0 ) m 嚣 总库容1 3 8 9 亿求距京广铁路距离4 5 。6k m 调洪库容 9 5 6 ，f l m 3 保护城镇1 8 个县城 兴利库容5 9 1 亿m 3保护人口4 5 0 万人 死疼容 1 。0 9 亿菇 保护耢连 6 0 0 万蠢 备1 ( ) 中数据为除险加固工程竣工后数据。 注 2 大沽高程基面，1 7 6m = 1 9 8 5 国家高程基准。 3 2 王快水库调度运行方式及其评价 3 2 1 调度运行方式 王快水库保护区包括1 3 个县市及华北油豳，涉及人1 2 1 2 6 0 万人、耕地6 5 8 4 。6 7 k m 2 及京广铁路、京九铁路、京深高速公路及1 0 7 网道等。 为保护下游海滩地，遇l o 年一遇洪水，水库控渣8 0 0m 3 s ； 为保护下游河道安全，遇1 0 - - - 2 0 年一遇洪水，水库控瀵2 5 0 0m 3 s ； 为保护京广铁路的安全，遇2 0 1 0 0 年一遇洪水，水库控泄7 0 0 0m 3 s ； 超过1 0 0 年遇洪水，泄洪没施全部开扁敝泄，以保大坝安全。 3 2 2 调度方式分析 目前王快水库的控泄标准以库水位作为控制条件，实行三级控泄。当库水位 在第一级控渣水位以下时执行最低控澄流量，当库水位超过第一级控泄水位时执 行第二级控灌，依次类推。 在王快水库常规防洪调度方式中，水库控泄流量的制定是假设水库控制流域 范围内的洪水与流域完全同频率，水库洪水过稷为完全没计标准过程，即洪峰流 量、不同时段洪餮都嗣频率。面在实际洪东豁调度中，既存在蜂高量小的洪水过 1 8 第三章王快水库概况及其入库滋水预报精度分析 程，也存在峰小量大的洪水过程，两且涨水历时、落水历时的不同也会使得洪水 过程线的形状子差万别，因此不可能出现与设计洪水完全样的洪水过程。 分级控泄一方面是保护下游不同的防洪目标，另一方面又是保障大坝自身 的安全。在库水位较低的情况下，扁用低一级控瀵，有效的保护下游防洪能力低 酶星标，比如下游的河滩、河道；警库水位达到赢一级控渣水位时，应启用檩应 的控、泄方式，这是为了防止库水位增长过快，防止低标准洪水占用过多防洪库容 而采取的调度方式，同时也可以有效的保护下游防洪能力较高的目标，比如铁路 ：在瘁水位超过控渣水位的情况下，取消控瀵盟泄洪设施全郝开启敝泄，防止 超过设计水位，以保大坝自身安全。实际上只要能控制住库水位过快的增长，又 能在含理时间内使库水位回落至汛限水位，最大泄水流量应当越小越好。结合洪 水预报技术，改进常规调度方式，采取预报调度。对于低标准洪水，预报预蓄调 度裂缝溢整更多洪水，实现洪水资源蠢二，增热承簿经济效益；褥对于较大洪水， 预报预泄调度能预留更多的防洪库容，增大水库的防洪能力。目前，信息采集手 段先进，水文预报精度较高，使得水库采取预报调度成为可能。 水库渣洪属于一种甚恒定的变化过程，变化幅度直接影响下游河道洪水的涨 落过程，当水库泄流变幅过于剧烈时则可能增加下游河槽和堤防破坏的可熊性， 从而导致小水大灾，降低河道应有的抗洪能力。王快水库实行三级控泄，控泄流 量为8 0 0m j 砖、2 5 0 0m 3 s 和7 0 0 0m 3 s ，相邻瞒缀之闻的变幅分别为3 1 3 和2 8 ， 絮果在极短兹对闻内完成褶邻两级控泄方式闻鹃转换，煲| l 势崧形成急副的涨水变 幅，进而造成下泄水流冲刷侵袭下游防洪目标。 3 3 王快水库预报精度分析 3 3 1 降雨预报精度 气象信意主要包括基于数值分析、卫星云图、测雨雷达的天气形势与降雨预 报等信息，气象信息对于研究和制定水库调洪方案是十分有用的。随着技术的飞 速发展，遥测、遥感与卫星已在气象水文预报卜发挥了重要作朋，它提供了水文 部门过袁不可能获得的信息，使褥降雨预报的精度提高，预见期延长。然丽，不 容露避的事实是，毯兹印便是美国等先进国家，降雨定量预报的准确率也只是百 分之五六十，误差还是客观存在的。但是一些对比分析成果表明，定性分级预报 如未来2 4h 无雨或小中雨预报准确率已在9 0 以上，这些信息在水库预报调度 中达到了霹科磺的程度。 1 9 第三章王快水靡概况及其入库洪水预报精度分析 许多水库由于洪水预报的预见期较短，依据它的信息实施水库预报调度机动 性较小，因此希望通过幂| j 用降雨预报信息延长预见麓。此时，需要分析降雨预报 信息的精度，进而论证可能利用的预见期有多长。 按气象部门的习惯，降雨分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴丽和大暴雨等6 级进行统计( 表3 - 2 ) 。 表3 2 降雨等级袭 鬣缀等级僮域( 擞m )薰缀等缀毽域( 蹦黔) o 无雨 o3 大雨 2 5 1 - 5 0 l小雨0 1 l o4暴雨5 0 1 l o o 2 枣褥 1 0 1 2 55 大暴蘑 l ，l 2 采用气象部门习惯的误差特征值分析方法，依据下式计算不同等级降雨预报 的准确率、漏报率和空报率刚： 准确率计算公式：r l = ( n m ) x 1 0 0 漏报率计算公式：= ( j u m ) 1 0 0 空报率计算公式：a = 【l 一夕专警) 】1 0 式中：m 为发布预报次数；r 为实际值落于预报等级区域内的次数； 次数。 2 0 世纪8 0 年代中期，牟惟丰曾对我国降搿预报水平状况做过初步分析，薮 资辩有限，分析工 肇仅限于对有无降霭的预报检验，未涉及各量级降雨镌预报评 定。林明智等通过站点检验法，利辩j 评分资料对降雨预报的准确率和技巧水平也 做过初步分析。王本德曾记录了1 9 9 0 - 1 9 9 2 年6 - 9 月份，3 4 1 次中央气象台和 大连气象台发布的预报信息，对这3 年的统计资料徽了2 4h 预报精度分析。并 继续对1 9 9 9 2 0 0 3 年中央气象台未来2 4h 降雨预报资料及实际目降雨最瓷料进 行了精度分析，统计了未来2 4h 不同等级降雨预报的准确率、漏报率和空报率。 周惠成等也对丹江暖流域2 0 0 1 - - 2 0 0 3 年6 1 0 月未来2 4h 和4 8h 降雨预报资料 进行了精度分析。缝果表甓近几年，随着数值预报技术昀快速发展，中央、各省 市自治区及大型水库气象台短期天气预报的准确率大大提高，尤其是雨区的预报 ( 小雨和中雨) 提高更为明显。 王本德对海河流域降焉预报统计结果表明1 5 3 ： 2 0 )0艮嬲篇 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 朱来2 4h 有无雨的降雨预报，在近7 年来漏报率明显降低3 8 ，平均 降低7 。在漏报矮，降雨大子1 0m m 的概率平均小于1 ，降雨大子2 5m i l l 的 概率平均为o 0 5 ，降雨大于5 0m m 的概率平均为0 0 0 1 ；完全可利用。 未来2 4h 小雨的预报样本比较多，小雨预报的漏报率平均小于1 0 ，漏报 蜃，降雨大子2 5m m 的概率平均小于3 3 ，降蔫大予5 0m m 的概率乎均小于 l ，降雨大于1 0 0m l r l 的概率平均小于0 1 ；完全可利用。 中雨预报结果可以参考应用，中到大雨及以上降水资料较少，谨慎应用。 罔惠成等的降焉预报统计结果表明： ( 1 ) 未来2 4h 和4 8h 的降雨预报精度相差不大，只是未来2 4h 预报精度 略大于未来4 8h 的预报精度； ( 2 ) 未来2 4h 和4 8h 无雨预报和小雨预报的准确率都为6 5 左右，小雨 空报率力2 0 左右，漏报率为1 5 左右； ( 2 ) 未来2 4h 和4 8h 中雨预报的准确率仅为4 0 左右，空报率为3 5 左 右，漏报率为2 5 左右。 根据大清河流域洪水预报黧降雨预报精度分毫蠢结果，表甓在大暴雨昀情况 下，定预见期内的预报成果还是具有参考价值的，因此在这些水库实时防洪预 报调度中，可参考的信息是降雨预报和洪水预报成果及水库当前的水位、入库流 量等倩息。 对于降雨预报成果，2 4h 或4 8h 以内的降雨信息可以适当参考应用。根据 实际资料统计分析表明，从降雨开始至产生径流的滞后时间约3 0h 左右，其中 产流时间为1 0h ，汇流时间为2 0h 。因此，水库的预泄时间一般不应超过3 天， 帮7 2h 。 3 3 2 洪水预报精度 2 0 邀纪3 0 年代，洪水预掇邑成失水文学科的一个重要分支。现代洪承预报 是根据前期和目前殴出现的水文气象等要素，对洪水的发生和变化过程做如定 量、定时的科学预报。主要预报项目有最高洪水位或流鼍、峰现时间、洪水涨落 过程、洪水总量等。 洪水预报是为洪水调度服务的，单纯的应用水文情报预报规范来评价预报方 案的精度，不能反映出调度人员最关心的预报误差对水库防洪调度的影响。因此， 要从水库凋度所处不同阶段的需求出发，研究洪水预报成果的可利用性，分析预 报误差给调洪带来麓风险。洪永预报误差是指洪峰、洪蕈的实测值与预报值之差。 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 由予量测设备和技术、信息传递、模型参数和计算方蘑的不确定性，洪承预报误 差总是难免的，不可能完全消除。 根据大量统计计算和物理成因分析，表明水文预报误差的分布规律一般是两 端有限的偏态分布。对于不太高的僚证率要求，用正态分布与偏态分布差别不大。 由于通常水文预报酌保证率要求不是太高，所以可以用正态分布或对数正态分布 作为水文预报误差分析的基础。 s l 2 5 0 - - 2 0 0 0 水文情报预报规范提出了对水文预报方案进行检验和评定 鲶要求，其曩的就在予考察预报成果的精度及其可链影喃。现行规范戆精度评定 方法，其实质是给出一个概率意义上的“置信隧间”：在定的概率标准下，误 差有定的区间范围，这一误差区间的两端即为上限与下限误差值。规范中的术 语“合格率”，即合格预报次数与预报总次数之眈的酉分数，反映了误差送间的 概率傻。另一术语描许可误差”，黔合格预报的上、下限值，给出了误差区闻的 两个端点( 图3 2 ) 。许可误差与合格率具有明显的相互关系( 图3 3 ) 。 图3 - 2 预报误差概率曲线图3 3 合格率与许可误差的关系 为了便于对水库预报调度进行计算分析，必须定量的给出预报入库洪水的随 机过程q ( f ) 。预报给出的洪水过程线为随机过程的均值线( f ) ，洪水过程不同 时刻的标准差瓦( f ) 不同。根据漉域的历史资料进行预报精度等级评定，将其合 格率和许可误差指标统一转化为入库洪水过程q ( f ) 的标准差a o ( t ) 。 ( 1 ) 均值分析 假设掰，y 分别表示实测僮与预报值，定义x = v t u 蔻预报误差，x 与l 的接 近程度反映了预报谡差的大小。根据相关文献和大量的统计数据，表聪x 的密 度函数符合对数正态分布【5 4 1 ，则有 腓) 2 壶唧i _ 笺笋 。) 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 燹| lx 的概率分毒蕊数力： f a x ) 。似坐兰与5 ) ， 上试中，采用极大似然估计法估计参数魄x ，吒2 善： x2 音域五恐”) ，戎并= 言( 1 n 葺一) 2 ( 3 6 ) 胛 肘= 式中：玉，x 2 ，x 为样本；薯= k u f ，f = l ，2 ，捍。 ( 2 ) 标准差分析 在上述洪水预报误差为对数正态分布的假定前提下，可以认为不同精度等级 的水麾入库洪水的预报误差，分别是在不同的许可误差范围内【”1 。如按规定， 平等精度等级的预报合格率要求为8 5 ，即在嚣问2 盔范围内的概率p ： p ( 一a 艿) = 8 5 ( 3 7 ) 这样，根据概率理论，由式( 3 7 ) 求得： = 1 甜万( 3 s ) 按规范规定，过程预报( 包括洪峰预报) 许可误差为预见期内实测变幅的2 0 ，即 a = ( q f 一级) 2 0 ( 3 - 9 ) 式审：2 为洪峰、流量；珐为实测流量。 由此，可得入流洪水过程q 不同时刻的磊( f ) ： 8 q ( t ) = 0 1 3 9 ( q 1 一q o ) ( 3 1 0 ) 霹样，乙、丙精度等级的合格阑值分鬟为7 0 、6 0 ，相应酌) 为o 1 9 3 ( q , 一0 _ o ) 与0 2 3 8 ( q , 一q ) 。随着精度等级的降低，磊( f ) 的变幅增大。 大清河流域已建有洪水预报系统，通过对王快水库历史洪水模拟预报，可以 绘出洪峰、洪量预报精度的统计情况，弼表3 。3 所示。献表中霹以看出洪峰、洪 量预报误差绝大部分控制在2 0 以内。敌现有预报系统的预报精度基本达到甲等 水平。因此大清河洪水预报系统可以为王快水库预报调度提供足够精度的信息来 源。 表3 3 下快水库洪水预报误差表 实测洪峰预报洪峰洪峰预报实测洪量预报洪最洪最预报 年份 ( m 3 s )( m 3 s )误差)亿o )亿擞3 )误差釉 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 1 9 6 3 8 9 4 9 8 8 l o 。l1 0 。9 1 2 5 1 4 1 9 7 31 9 8 82 1 5 88 66 47 72 0 1 9 7 46 8 06 7 80 42 72 62 5 1 9 7 71 0 2 49 1 1 1 1 14 9 4 21 3 2 1 9 7 82 7 4 43 嘲9 。36 。2了。霹1 9 。3 1 9 7 9 1 8 2 0 1 8 6 3 2 34 96 94 0 5 1 9 8 82 0 l l1 8 6 6 7 21 1 7 1 1 91 6 1 9 9 63 1 7 52 5 6 61 9 26 。85 。6一1 8 3 根据表3 3 提供的数据，可以通过式3 6 估算出王快水库洪峰、洪量预报实测 比的均值和方差，如表3 4 所示。 表3 4 王快水库洪水预报系统预报实测的统计特征值 洪峰 洪璧 均值方差均值方差 o 0 1 4 6o 0 1 0 90 0 5 90 0 2 9 6 因此，根据式3 。5 ，可以褥出洪峰、洪量预报误差酌概率分布曝数： 3 4 本章小结 黼f x ( 垆m 警) ( 3 - 瀚f a x ) = 蜡) ( 3 - 1 2 ) ( 1 ) 介绍了大清河流域及王快水库的概况，王快水库作为大清河流域的几 座大( 1 ) 水库之一，在整个流域防洪体系中承担着重要任务，对河北省的经济发 浸也起着重要的作用。王快水库实行三级撞瀵调洪，本章分析裰邻两级变瞩，指 出过大的变幅会造成下泄水流冲刷侵袭下游防洪目标。 ( 2 ) 根据王本德、周惠成对海河流域降雨预报统计，其结果表明水库可用 靛酶蔼预报为预见期为4 0h 的小笺审雨，两产汇流辩阉去3 0h ，因此本章指灞王 第三章王快水库概况及其入库洪水预报精度分析 快水库洪水预报时间萄以提前7 2h 。 ( 3 ) 依据王快水库历年洪水预报资料及水文情报预报规范，预报精度已 达到甲等，可以为预蓄调度及预泄调度提供可靠的预报信息。由于通常水文预报 的保证率要求不是太高，用正态分布与偏态分布差别不大。本肇采用偏态分毒来 分析预报误差，并建立洪峰、浚繁预报误差的概率分布丞数。 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 4 1 方案拟定及预报值的概率分析 目前，汛限水位是根据一定标准的设计洪水，以及拟定的泄流方式和允许最 高瘁水位，经调洪演算丽求得。因此，对于防洪来说，是具宥一定安全性的。但 许多水库特鬟是运行了很长时闻的大中型水库，设计条件和运行条件可能发生了 很大变化，使水库的实际防洪能力与设计防洪能力不一致。 改变防洪限制水位会对水库防洪带来较大影响。从风险角度分析，必须要保 证在改变汛限水霞焉，库区以及下游洪灾期望损失蠢风险损失不能太大，以免得 不偿失，未起到相应的作用。预报预蓄调度是保持原设计安全度，入汛后当预报 小洪水时，在有效预见期内，水库有多大泄流能力，就将限水位上浮多少，鼠留 有一定余地，保证在下次洪水起涨翦将水位降至原设计滠限水位。根据预报情况 提高水库汛限水位可增加水库蓄水最，提高兴利效益，但会减少防洪库容，带来 额外的洪灾损失。其目标应是所带来的效益增值至少能补偿所弓i 起的额外洪灾损 失。因此，可通过进 亍蓄水风险效益计算，综合权衡蓄水效益和洪灾损失，给出 既满足蒴洪要求又兼顾蓄水效益豹汛陵水位。 王快水库经除险加固后汛限水位为1 9 3 0m ，在此基础上初步拟订了1 9 3 2 m 、1 9 3 4m 、1 9 3 5m 、1 9 3 6m 、1 9 3 。8m 、1 9 4 0m 等几个可能的防洪限制水位 调整方案。在以不同重现麓洪水作为入库洪水的情况下，以上述拟定汛限水镪为 水库的初始库水位进行调洪演算，得出相应汛限水位下的最高库水位及最大下泄 流量。在此基础上进行相应的洪灾风险损失估算，最后得出预报不同重现期的洪 水汛限水位提高的上限。 洪水预报模型的不同预报值发生的概率不同，在相同的洪水预报值情况下， 实际可能发生不同概率的洪水。假设预报值为i 年重现期洪水实际发生，年重现 期洪水的概率为只湘，具体结果如表4 7 所示；实际发生，年重现期洪水的概率 为冀。，其僮郄为1 ，；预报篷为i 年重现期洪水发生的概率隽最，。 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 粥y 忍y 辛只引移置。y + + p 掰瑚y + 最罗籍罡。= i 5 鼻。s ，5 ，。忍，+ 鼻加，l 。，置o y + + p 1 0 s 2 0 0 y p 2 0 0 y 舅。s = 1 1 1 0 ( 4 1 ) ； 罡o o 粥y 。墨y + ，l o y + 露。y + + p 瑚。，2 0 0 y ，置鼢= 1 2 0 0 那么，利用上式可以计算出不同预报值洪水发生的概率玮。由于洪水预报 模型的预报精度符合对数正态分布基方差较小，郾精度较高，因此，预报值为f 年 重现麓洪水发生的概率弓取实际发生i 年重现期洪水的概率稳。 4 2 预报预蓄风险损失分析 4 2 1 设计洪水过程线 设计洪水过程线是具有某设计标准的洪水过程线。健是，洪水过程线的形 状千变万伲，显洪水每年发生髂时润也不撩同，是一种隧视过程，基前尚无宪善 的方法直接从洪水过程线的统计规律中求出一定频率的过程线。尽管已有人运用 随机过程的方法对过程线作模拟研究，但尚未达到实用的目的。本文采用目前常 用的阍频率敖大法对典型洪水过程进行放大，使其洪峰流量和时段洪水总量等于 设计标准值，即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线。 典型洪水过程线是放大的基础，从实测洪水赘料中选择典型时，资料要可靠， 选择峰离量大的洪水过程线，其洪水特征接近于设计条件下的稀遇洪水情况，并 显要求在发生季节、地区组成、洪峰次数稻峰量关系等方蓄，洪水过程线能代表 本流域大洪水的特性，同时要求所选择的洪水过程线应该是峰型比较集中，主峰 靠后的大洪水典型，其对工程防洪运用较为不利【5 6 l 。 根据上述原则，选取王抉水库“6 3 8 ”洪水作为典型洪水，并选取其最大三 日洪水过程同频率放大。同频率放大法要求放大后的设计洪水过程线的峰值和不 同时段的洪量均分别等于设计值。同频率放大典型洪水过程线的公式如式4 2 式4 0 所示。 = 鲁 ( 4 2 ) 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 ( 4 。3 ) ( 4 - 4 ) 式中：k q 喇、墨、k ，分别为洪峰流量、最大一日洪最、最大三臼洪量的 放大系数：、彬、职分别为设计洪水的洪峰流量、最大日洪量、最大三 日洪量；绞、我、分别为典型年的洪峰流量、最大一目洪繁、最大三因洪 量。 从6 3 8 典型洪水过程线表4 1 可知，洪峰出现在8 月7 日2 0 时，大小为9 6 0 0 m 3 s ：最大1 日洪量从8 月7 日l l 时至8 月8 豳l l 时，大小为5 3 2 亿n 1 3 ；最大 3 譬洪量从8 胃6 霾1 1 时至8 冀9 墨1 1 时，大小为8 7 9 亿搬3 。 表4 1 6 3 8 典犁洪水过程线( 三日) 誉麓8 羹6 曩8 旁7 鑫 时刻1 l1 41 72 02 325 流量( m 3 i s ) 1 1 5 91 8 6 32 6 2 l2 3 2 l1 5 6 61 7 1 31 3 9 l 爨麓8 秀7 基s 月8 疆 时翔8l l1 41 72 02 32 流量( m 3 s ) 2 6 8 64 7 7 16 1 0 47 5 1 39 6 0 06 7 9 46 7 1 4 日期8 月8 鼹 时刻 58重l1 41 72 02 3 流警f m 3 s ) 4 5 2 73 8 8 53 4 9 42 7 8 72 2 9 32 0 5 l1 5 0 3 日期8 月9 日 时瓤25 8 l l 流量( m 3 s ) 1 4 8 0l 01 2 2 91 0 8 0 王快水库的设计洪水采用2 0 0 2 年除险加固后河北省水利没计院复核舱结 果，觅表4 2 。 暇一磁 二一 磁一 畋 l l 嚣 鬈 k 第四章水库预报预蓄调度阀题的研究 表4 心王抉求库洪水设计成果 重现期 洪峰流量q m1 网洪量w l 3 日洪复w 3 ( 年)( m 3 s )( 亿m 3 )( f l m 3 ) 53 0 5 0l 。1 72 。2 l 1 05 2 5 02 3 04 1 4 2 07 7 8 03 6 06 3 8 5 01 1 3 0 05 5 89 7 0 l o o 1 4 0 5 07 。1 81 2 3 0 2 衡1 6 9 8 。8 51 5 1 0 5 0 02 0 8 0 01 1 1 01 8 8 0 l o o o2 3 7 0 01 2 9 02 1 7 0 邸。8 典型洪承 9 6 5 3 28 。7 9 对典型洪水过程线进行同频率放大，得到熏现期为5 年、1 0 年、2 0 年、5 0 年、1 0 0 年、2 0 0 年、5 0 0 年和1 0 0 0 年的设计洪水过程线。如图4 1 给出重现期 秀5 年、l o 年、2 q 年及6 3 8 洪水过程线。 4 2 。2 调洪演算结果 图4 1不蒯重现期的设计洪水过程线 根据王快水库的调洪规则及水位一库容曲线，计算已拟定的汛限水位方案， 可以褥淝不同洪水垂现期水库的最高库水位及最大下泄流量，爨体如表每3 及表 “所示。 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 表4 3 不l 遗羹现期洪水各方案的最毫痒水位 诗 51 02 05 01 0 02 0 05 0 0l 0 0 0 1 9 3 o1 9 4 6 31 9 9 0 32 0 0 8 52 0 1 8 52 0 4 2 42 0 5 3 22 0 7 3 42 0 8 8 7 1 9 3 2 1 9 4 。8 21 9 9 。| 92 麓。9 52 0 1 8 82 髓2 72 0 5 。3 32 0 7 3 42 0 8 8 7 1 9 3 41 9 5 0 11 9 9 2 92 0 1 0 62 0 1 9 l2 0 4 32 0 5 3 52 0 7 3 52 0 8 8 8 1 9 3 51 9 5 11 9 9 2 92 0 1 1 l2 0 1 9 32 0 4 3 l2 0 5 3 52 0 7 3 52 0 8 8 8 1 9 3 。6 l 懿1 91 9 9 2 92 0 1 1 32 0 1 9 42 躐3 32 0 5 。3 62 0 7 。3 52 0 8 。8 8 1 9 3 81 9 5 3 81 9 9 2 92 0 1 1 32 0 1 9 72 0 4 3 52 0 5 3 62 0 7 3 62 0 8 8 9 1 9 4 01 9 5 5 61 9 9 2 92 0 1 1 32 0 1 9 92 0 4 3 82 0 5 3 82 0 7 3 72 0 8 。8 9 表4 - 4 不秘重现期洪水各方案的最大下渣流量 诗 5 l o 2 05 01 0 02 0 05 0 0l o o o 1 9 3 08 8 2 5 7 援玲7 0 1 0 5 2 71 2 8 0 01 4 6 2 3 1 9 3 28 0 08 0 02 5 0 07 0 0 07 0 0 01 0 5 3 81 2 8 0 51 4 6 3 0 1 9 3 48 0 02 5 0 02 5 0 07 0 0 07 0 0 01 0 5 5 41 2 8 l l1 4 6 3 7 1 9 3 。5 8 2 5 2 5 0 7 茨羚7 0 0 1 0 5 5 91 2 8 1 41 4 6 4 l 1 9 3 6 8 0 0 2 5 0 0 7 0 0 0 7 0 0 0 7 0 0 01 0 5 6 41 2 8 1 81 4 6 4 3 1 9 3 88 0 02 5 0 07 0 0 07 0 0 07 0 0 01 0 5 7 31 2 8 2 41 4 6 4 7 1 9 4 。0 s 0 0 2 5 7 0 0 7 0 0 7 衡ol o 8 碡1 2 8 3 2l 稻5 0 4 2 3 调整汛限水位的洪水淹没影响 水库对洪水起到调蓄滞洪的作用，如果提高水库的汛限水位，而不降低水库 的防洪标准，则可能导致水库淹没损失大幅度增加，并加大大坝自身的风险。水 库淹没损失主要包括库区淹没损失和下游淹没损失。淹没损失的大小与淹没范 匿、洪水等级积淹没历时毒翼关，鬻时还取决于淹没区域的经济情况。逶过天然河 道水瑟线方程p7 j 计算行洪过程并进行实际调查分析，可以建立水库下游河道洪峰 流鼍及洪灾损失与淹没面积的关系，借此可以估算一次洪水的淹没损失【4 。 蓐区的淹没范豳可根据库水位在库区地形圈中定出，但是还应根据不隧频率 的洪水过程线进行圈水计算，按圆水麓线求穗附加动库容及其楣应淹没范围。水 第四章水摩预报预蓄调度问题的研究 库摩区的淹没损失主要考虑耕地淹没损失，由于摩区后靠群众自发种植的原有土 地，因此发生洪水时的淹没只计入直接损失。王快水库除险加豳后泄流能力增加， 当最高水位超过移民征地高程2 0 5 0m 时，将涉及村庄淹没问题。以水库在汛限 水位以下的淹没损失指标为基数，建立了水位与损失关系，如表4 5 和图4 2 所 示。 王快水库位于保定市曲阳县境内大清河南支沙河上游，水库实施三级控溅调 度，在第一级控泄流量8 0 0 m 3 s 以内时下游河道行洪处于安全状态；在第一与第 二级控泄流量8 0 0m 3 s - - 2 5 0 0m 3 s 之闻时堤防保护区基本处予安全状态，但水库 与京广铁路之间无堤防，京广铁路至托郭村段堤防时断时续，河道两岸共计4 0 余个村庄受到威胁，当与区间洪水组合后不超过3 0 0 0m 3 s 时下游潴龙河处于安 全状态；当水库泄流最大于2 5 0 0m 3 s 且与区间洪水组合后超过3 0 0 0m 3 s 时将超 过下游河道堤防防护标准，行洪影响范匿逐步粕大。裰据以上各河幸亍洪条佟，按 受影响村庄情况建立行洪流量与损失关系，如表4 - 6 和图4 3 所示。 表冬5 库求谴与毒必损失关系表 水位( m )1 9 31 9 51 9 71 9 92 0 l2 0 32 0 52 0 72 0 9 损失( 万元) 0 1 4 02 8 64 4 86 l o 7 8 3 1 8 5 02 5 7 0 6 0 0 0 表4 6 下泄最与下游按失关系表 流鬟( m 3 s ) 8 0 0 1 5 0 0 3 0 0 0 4 5 0 0 5 5 0 0 7 0 0 01 0 0 0 0 1 5 0 0 0 损失( 万元) o5 0 01 5 0 06 0 0 01 2 0 0 02 0 0 0 02 7 0 0 03 0 0 0 0 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 4 2 4 期望损失的估算 图禾3 下泄量与下游损失关系图 王快水库属予大( 1 ) 型水库，在大清河防洪体系中发挥蔫重要的作用，因 此，其防洪标准不簏降低。然焉，提高汛限水像势必减少水库豹防洪痒容，通过 增加水库下泄流量保证水库防洪标准，结果会弓f 起下游保护隧内淹没损失的增 加。嘲于量测设备和技术、信息传递、模型参数和计算方面的不确定性，降掰预 报模型秘洪水预报模型的结果与实际并一致，根据第三章预报精度分析可知，预 报值与实际值的比值符合对数正态分布。本章采用洪灾损失期望值法来计算提高 汛限水位对库区及下游造成的损失。洪水成灾面积及损失与预报精度、汛限水位 及洪水重现期有关，+ 对不同频率洪水进行洪灾损失计算，制作洪灾损失频率曲线， 睦线下的面积期为平均损失僮，或称洪灾损失期望值登羽。该值也可根据式( 4 5 ) 计算求得： l 一= e l = ( 霉一只1 ) ( t 巾0 1 ) 2 ( 4 5 ) 一、 f l7、ll l i = 1 式中：、只一，分别表示两个相邻洪水频率值； 厶、三分别为频率舅、曩。的洪灾损失值。 根据式3 1 l 和式3 1 2 预报不同频率洪水情况下实际洪水发生的概率如表4 7 。 袭4 - 7 不同预报值实际洪水发生的概率( ) 3 2 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 5 6 3 。3 l 3 6 6 8o 。o l 1 0o 0 56 3 2 63 6 。4 8o ，2 l 2 01 5 6 1 8 l3 6 4 2o 2 7 5 01 8 36 l 。4 83 2 4 24 1o 。1 7 l o 。1 4 8 94 8 5 93 0 。5 l5 9 3。2 5 2 0 01 2 9 1 8 4 84 3 5 43 1 4 35 2 6 结合表毒5 、袭4 。6 及表参7 ，蠢式垂5 可以计算窭不圊预报筐王抉水霹盼洪 灾损失期望值。王快水库采取预报预蓄调度，当预报洪水重现期小于1 0 年时， 水库提高汛限水位；当预报洪水重现期大于1 0 年时，水库保持原汛限水位。在 整个大清河流域洪水序列中，采耀不同的汛限水位进行预报预蓄调度，得出不同 汛限水位盼水库痒区损失矮望值，结果舞表4 8 ；不同汛限水位的水库下游损失 期望傻，结果如表4 9 所示。 表参8 王快瘩瘴库区损失麓望( 攀位：万元) 痞匙粤 51 02 05 0l o o2 0 0期望值 ， 1 9 3 o1 3 8 2 23 9 l7 0 2 1 81 1 2 2 。0 21 7 6 3 2 52 8 1 2 2 61 6 2 3 1 9 3 。21 4 8 。重94 0 7 。6 l1 6 8 1 9 3 41 5 6 6 94 2 0 2 91 7 2 8 2 1 9 3 51 6 0 3 9 4 2 3 9 9 1 7 4 7 6 1 9 3 。61 6 3 。势4 2 7 5 91 7 6 。6 6 1 9 3 81 7 1 2 94 3 4 91 8 0 4 8 1 9 4 01 7 8 5 94 4 2 21 8 4 3 1 表4 9 王快水库下游损失麓望( 单位：万元) 。泌芝 5 l o 2 0 5 0 l o o2 0 0 期望值 1 9 3 。o0 。9 62 3 5 。泣4 2 6 91 4 3 3 l 。8 l2 2 9 2 0 。1 33 髭7 6 。6 27 2 2 。6 4 1 9 3 2o 0 6 2 3 5 0 27 2 2 。6 4 1 9 3 42 1 4 0 88 1 6 8 48 6 2 5 9 1 9 3 52 1 4 。0 88 1 6 8 48 6 2 5 9 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 1 9 3 。62 1 5 0 24 2 7 1 8 l1 1 2 2 1 4 1 9 3 8 2 i 5 0 24 2 7 1 8 l1 1 2 2 1 4 1 9 4 02 1 5 0 24 2 7 1 8 l1 1 2 2 1 4 濑表4 8 积表碡，9 可以看到：不同预报预蓄澜度方案，至快水库的损失期望 值以下游损失为主，占总损失的8 0 以上。在汛限水位1 9 3 0m 时，下游淹没损 失为7 2 2 6 4 万元，当汛限水位抬高至1 9 3 5m 时，下游损失变化较小，但是当汛 限水位抬高至1 9 3 6m 时，下游损失增加了5 0 以上；库区淹没损失对不同的调 度方案交亿不大。从水库损失的角度来看，1 9 3 。5m 是一个临界点，高于该点按 失的增量是相对较大的。 4 3 预报预蓄的供水效益分析 4 3 1 增加供水量计算 大清河流域遣处温带半干旱大陆性季风气候区，年内降水量极不均匀，8 0 以上集中在汛期。提高汛限水位可增加的可供水景主要来源于汛期弃水，既能发 挥水库的防洪效益，又能提高水库的兴利效益。这样，当洪水为小重现期洪水时， 其效益就可以明显体现出来；反之，如果是小概率洪水，即使不提高汛限水位， 水库在供水期蘸也可以蓄到正常藿水位，此时摄高、最限水位不仅不会增加供水 量，反而会带来额外的洪灾期望损失。因此，预报预蓄调度所能增加的供水爨等 于小重现期洪水提高汛限水位后水库增蓄的水最。 王快水库戆正常离水蕴为2 0 0 4 0m ，对于小于1 0 年一遥的洪承，各拟定方 案的最高水位不超过正常高水位；对于大于2 0 年一遇的洪水，以汛限水位1 9 3 0 m 作为起调水位的水库最高水位均超过正常高水位。因此，对预报值为1 0 年以 下的洪水提高汛限水位进行防洪调度，其可增加的蓄水量与预报洪水小于l o 年 一遇的概率裰乘等于可增加的供水藿。该值根据下式f 4 6 ) 诗算求得： 心= a v , ( 1 1 ) ( 4 - 6 ) 式中：a v , ，承库霹增麓供水量；，水库可增擞蓄水量：蓼，预报值大予1 0 年一逞洪水的概率。 4 3 2 供水价格的确定 根据供求对象不同，供求系统通常分成灌溉系统与城市供水系统两大类。 第四章水库预报预蓄调度问题的研究 从承担的任务番，灌溉系统与城市供水系统是两类明显不同的水姿源系统。 前者的任务主要是有计划地用人工措施囱田闻补充农作物生长所必需的水份，保 证农作物稳产、高产。其用水主甏特点是：季节性强，在农作物某些生长阶段需 水量大，时间集中，形成用水高峰，但灌溉用水保证率低，对水质要求也不高。 两后者的任务是傈涯囊城市各类爝水户( 如屠涎、工鲎、市政、环境及郊区农业 等) 连续稳定地供水。城市供水的主要特点是：需要长年连续地供水，不允许间 断，年内需水量比较平稳，且对水质要求高。 蠢于供永的对象和用途、要求等的不同，供水价格不是单一的。1 9 9 6 颦戮 前河北省农业和城镇用水价格只有0 。0 3 元应方米，工业用水为o 1 3 元立方米。 后来，于1 9 9 7 年制定了河北省水利工程供水价格管理办法及其实施细则， 逐步了提高水利工程供水价格。该规定实施后，河北省供水价格进行了较大幅度 地调整，农业孀水溆原来戆0 0 3 冠立方米调整为0 。1 元立方米；工监消耗水由 原来的0 1 3 元立方米调整为0 3 5 元立方米；城镇用水由原来的0 0 3 元，立方米 调整为0 3 元立方米。 该规定改变了以往水费作为水誉工程管理单位事遂费幸 篓蠢的模式，萌确7 窳 利工程供水是公益性基础上的商品经营。在定价原则上真正把水利工程供水作为 商品来定价，即以供水生产成本、费用为基础，加上合理的利润和固家规定的税 金；切实考虑到各地水资源情况的不同和工程运行的差别，改变过去全省水价一 刀切的方法，实行各水利供水工稷独立核算，单独定价积薪水新价；按照“补偿 成本，合理盈利，节约用水，公平负担的原则合理定价。 王快水库供水主要是农业灌溉，按农业灌溉用水0 0 7 5 元立方米，工业耀水 0 3 5 元立方岽，生活用永0 3 元，立方米计算。褥综合考虑水库供水中主述三种 供水的比例，可以初步确定水库供水的综合价格目前约为0 1 5 元立方米。 4 3 3 王快水库的供水效益分析 王快水库预报小于l o 年一遇洪水的概率为9 0 。因此，