水库防洪预报调度关键问题研究及其应用

1、2005年 1月 SHUILI XUEBAO第 1期 文章编号 : 0559-9350(200501-0051-05水 库 防 洪 预 报 调 度 关 键 问 题 研 究 及 其 应 用曹永强 1,殷峻暹 2,胡和平 1(1.清华大学 水利水电工程系,北京 100084; 2. 中国水利水电科学研究院 水资源研究所,北京 100044摘要:为使水库防洪功能与兴利功能尽可能结合起来, 更好地提高洪水资源利用率, 本文探讨了利用水文和气象等 预报信息来指导水库实时调度。研究了实施防洪预报调度方法的内涵、机理、需要满足的基本条件等几个关键问 题,结合碧流河水库的应用实例来说明该方法的实用性和可行性。

2、实例证明,碧流河水库采用以累积净雨总量控 制的防洪预报调度运用方式,可提高洪水资源可利用量约 4000万 m 3。关键词:水库;预报调度;净雨;汛限水位中图分类号:TV697.1 文献标识码:A传统的水库调度方法把初设阶段采用的防洪调度方案视为建库后水库实际调度应遵循的准则,而忽略 了这两个阶段水库调度工作的任务和依据的信息条件发生的巨大变化,它没有充分利用气象云图分析系 统、水雨情遥测系统、洪水预报调度系统,不考虑洪水预报或降雨预报信息。其调度方式单一,缺乏灵活 性,未能充分发挥水库的调节作用,虽然合法但不尽合理。从而导致许多水库,尤其是北方水库形成调洪 过程受汛限水位的约束发生弃水,洪水过

3、后又无水可蓄的局面,造成洪水资源的浪费。要改变这种汛期弃 水汛后又无水可蓄的矛盾局面,一是改变现行水库固定时间固定汛限水位的调度方式;二是依托天气预报 和洪水预报技术挖掘水库预报调度的潜力 1。 本文根据洪水出现的规律, 结合水文气象等预报信息, 在不 改变现有防洪标准的前提下研究预报调度方式,实现防洪效益与兴利效益的转换。实时调度依据的信息比设计阶段丰富得多,不仅有基于随机理论的统计信息和基于成因分析的确定性 信息, 还有基于统计信息、 确定性信息和调度经验的模糊信息 2。 利用运行阶段各种信息, 研究防洪预报 调度方式不仅必要, 而且可行 3。 防洪预报调度可简单定义为:为充分发挥水库效益

4、, 使防洪与兴利尽可 能地结合起来,利用预报的洪水过程,实施防洪调度的方法。防洪预报调度方法的优点在于增长预见期、 提高防洪效益,缺点是要冒预报误差带来的风险。实践证明,防洪预报调度方式既有理论价值又有经济与 社会效益,预计将来会部分地替代常规调度方法。1 防洪预报调度方式的机理分析在实时洪水预报调度过程中,气象降雨预报早于实际降雨信息,实际降雨早于预报净雨信息,预报净 雨早于入库洪峰信息,更早于调洪最高水位信息。基于这一特点,水库防洪预报调度方式选择前期信息作 为判断水库遭遇洪水的量级和改变泄流量的判断指标 4。 这就是防洪预报调度方式设计提高洪水资源利用 率的机理。图 1以辽宁省碧流河水库

5、为例说明采用预报调度方式获得效益的机理。图中小圆点代表采用常规调度方式,以库水位作为判断洪水发生量级与改变泄量的指标,由于前期泄收稿日期:2004-01-16基金项目:水利部、国家防总重大科技资助项目 (水利部 2002341号 作者简介:曹永强 (1973-,男,内蒙古人,博士,主要从事防洪减灾与水资源利用研究。2005年 1月 SHUILI XUEBAO第 1期 量偏小,第 25h 才改变泄流,使得后期泄流明显偏大,防洪损失加大;小方块代表采用预报调度方式,选 用预报的净雨作为判断洪水发生的量级与改变泄流的指标,第 20h 判断洪水发生的量级,并在下游允许的 前提下,较早加大泄量,后期最大

6、泄量明显小于常规调度方式的泄量值,占用防洪库容要小得多。预报调度方式获得的效益有双重性 4:若保持原设计汛限水位, 则可增加防洪效益;若保持原防洪效益不变,则可抬高汛限水位,增加洪水资源利用量。从以上分析可以看出,正确合理的水库防洪预报调度能够有效地解决或缓解防洪与兴利之间的矛盾。 图 1 碧流河水库 (0.01%校核洪水 不同调度方式的泄流过程比较 2 实施预报调度方式需要具备的条件(1水、雨情自动测报系统性能可靠、运行稳定,信息传递畅通率、误码率均达到规范要求 5,能及 时、准确、可靠地提供水、雨情信息。配备专业技术人员操作。 (2洪水预报方案精度、合格率要高,特 别是要有较长的预见期,要

7、达到规范规定的甲级水平。 (3短期降雨预报精度要较高。 (4泄流设备开启关 闭要灵活,有条件的水库最好有闸门启闭自动化系统。 (5“洪水预报调度系统”与决策机构联系的“通 讯系统”配备专门技术人员,保证系统畅通。 (6一旦预报失误,具有切实可行的工程和非工程弥补措施。3 实施预报调度方式的几个关键问题基于原设计洪水计算成果,改变洪水调度方式,即采用预报调度方式,研究选择“预报净雨、预报洪 峰或降雨预报等”作为判断何时改变泄流量的规则指标,通过预报调度规划上浮原汛限水位,要求所选定 的规则指标,应具有外包功能,即能安全的调节各种频率洪水过程,仍然保持原设计安全度。针对洪水资 源利用对短期洪水预报

8、和气象预报提出的要求,重点研究短期预报和防洪兴利调度方案之间的结合方式, 确定不同洪水量级的判别方式和标准, 分析洪水预报精度和预见期对调度方案的影响 1。 进行防洪预报调 度的重要条件是预见期、预报洪峰和洪量的精度与可靠性。3.1 水 库 水 、 雨 情 测 报 系 统 和 洪 水 预 报 方 案 的 评 定 分 析 水库防洪预报调度规划方式能否实施, 关键在水、雨情自动测报系统性能是否可靠,运行是否稳定,能否及时准确地提供水、雨情信息,同时要 有精度较高的预报方案。洪水预报受水文观测资料、降雨时空分布特性、下垫面特性、人类活动等众多因素的影响,必然存在 误差。合格率是衡量预报方案可利用程度

9、的主要标准。对预报方案进行评定包括两个方面,除了对采用预 报方法的理论依据及所引用的点据因误差很大而欲舍弃的理由做出合理性分析外,还需对预报误差做出定 量分析。水文预报误差表现在数量、分配和发生时间三个方面,它们都对预报调度产生影响,目前仅能从 洪水某一特征值的数量上考虑。水文情报预报规范 SL250-2000规定:经精度评定,凡洪水预报方案精 度达到甲、乙两个等级者,可用于发布正式预报;方案精度达到丙级的,可用于参考性预报;丙级以下的 方案,只能作参考性估报。为安全考虑,建议洪水预报方案经作业预报 10次以上,合格率超过 85%可用于 防洪预报调度中 6。3.2 短 期 降 雨 预 报 信

10、息 可 利 用 于 实 时 预 报 调 度 的 条 件 分 析 随着遥测、遥感与卫星技术的飞速发 展,它提供了过去不可能获得的信息。降雨预报在实时预报调度中的作用是很大的,而且贯穿于整个调度 过程。为保证防洪安全,充分利用洪水资源,北方水库调度时较关心的是 6月上旬至 9月上旬期间的降雨预2005年 1月 SHUILI XUEBAO第 1期 报信息。调度者关心未来降雨多大,通过降雨径流计算预估将增加多少水量,库水位会上升多高,能否超 过防洪高水位,是否需要弃水,放水多少合适等问题。然而,不容回避的事实是,目前即便在美国,气象 要素定量预报的准确度也只是百分之五十,误差还是客观存在的。降雨量预报

11、水平能否应用,通常需要结 合各水库调度情况具体研究。对各级气象台的各级降雨预报信息进行准确率、漏报率、空报率分析是必要 的,更重要的是分析其误差分布规律、误差影响度及弥补措施。经计算未来 24h 晴雨预报信息准确率已在 90%以上,大雨以下量级信息预报误差分布规律明显,气象部门灾害性天气预报服务产品是可利用的,尤 其是台风路径预报。近些年来,数值预报模型并结合卫星云图跟踪,预报精度已有很大提高。各量级降雨 预报信息在实时预报调度中都是可利用的 6,7。3.3 设 计 洪 水 的 复 核 水库初步设计采用的是建库前的雨洪资料。建库后,流域水文特性发生变化。同 时,随着时间的推移,雨型、大洪水和特

12、大洪水的过程线都会有较大的变化。因此,进行防洪预报调度规 划方式的研究,必须加入建库后的资料对水文资料进行复核。包括对汛期日来水量资料的复核、典型洪水 过程线和历史洪水的考证、水库库容曲线的校正等。重点是对原设计洪水进行复核。将建库后洪水资料与工程初步设计采用的洪水资料进行分析比较,从中选出对水库工程和下游防洪区 安全最不利的洪水作为设计洪水。设计洪水的复核有常规和随机模拟两种方法,前者是在实际发生资料基 础上进行频率分析计算,它适用于实测资料系列较长的;随机模拟方法则是在随机模拟的雨洪系列资料基 础上进行频率分析,它适用于实测资料系列较短的。设计洪水的复核采用的是坝址洪水资料,建库前资料 需

13、演算到坝址。洪水总量的选样采用“固定时段独立选取的年最大值法”,洪峰流量的选样采用“年最大 法”。3.4 预 报 调 度 方 式 判 别 条 件 的 选 择 在实时调度中, 判断洪水是否超过某一防洪标准以及执行何种泄 流方式均依据判别条件。对于有下游防洪任务的水库,判别条件的选择对制定合理的防洪调度方式显得更 加重要。原因在于目前的中、长期水文气象预报无法事先判定一次洪水的量级。常规防洪调度方式的判断指标,通常是选择库水位或实际入库流量;防洪预报调度方式的判断指标可 选择净雨量、入库流量、峰前量、峰前蓄水量及水位。这五个指标作为判别条件时预见期依次缩短,准确 性逐级增高。基于这一特点,水库防洪

14、预报调度方式选择前期信息作为判断水库遭遇洪水的量级、改变泄 量的判断指标,必然能达到提前下泄、均匀泄流,需要防洪库容较小的效果。一般将产流预报的“累积净 雨量”或汇流预报的“入库洪峰流量”或短时“晴雨”预报信息等作为遭遇洪水量级及相应泄量的判断指 标 8。4 预报调度方式的应用实例以大连市碧流河水库为例,说明实施预报调度方式的几个关键问题和效果。玉石水库位于碧流河水库上游, 2001年 10月蓄水,在玉石水库可行性研究报告和碧流河水库大 坝安全评价报告都论证过玉石水库发生超标准洪水 (0.01%不会垮坝,玉石水库修建后,对碧流河水库 的入库洪峰有削减作用,将碧流河水库 0.01%的设计洪峰由

15、15100(m3/s削减到 14710(m3/s,对碧流河水库 的防洪有一定作用。本文以玉石水库修建后,碧流河水库以上实际发生降雨的累积净雨量作为水库泄流的 控制条件,经水库各频率洪水调节计算,来确定碧流河水库的防洪调度方式。4.1 碧 流 河 水 库 防 洪 调 度 运 用 的 边 界 条 件 碧流河水库防洪调度运用研究,必须满足水库原设计指 标,并保证大坝安全,故以水库原设计下游防洪要求及原设计的设计洪水位 71.00m 和校核洪水位 72.60m 作 为约束条件,具体如下。(1 20年一遇洪水时,保证下游农田和城镇的安全,小宋家屯站洪水组合流量 不超过 3400m 3/s,且坝前库水位不

16、超过 70.20m 。 (250年一遇洪水时,保证公路和碧流河桥的安全,小宋家2005年 1月 SHUILI XUEBAO 第 1期 屯站洪水组合流量不超过 5500m 3/s。 (3水库 p=0.2%洪水设计水位不超过原设计值 71.00m 。 (4水库 p=0.01%洪水校核水位不超过原设计值 72.60m 。4.2 碧 流 河 水 库 防 洪 调 度 方 式 的 拟 定 本文将累积净雨总量作为判断洪水频率的标准,通过对多方 案的全区各频率洪水的调节计算,拟定水库的防洪调度方式,具体内容见表 1。4.3 碧 流 河 水 库 汛 限 水 位 的 确 定 在上述边界条件和闸门运用方式下,经过拟

17、定多方案试算,选定汛限水位为 68.80m ,洪水调节成果如下:5%频率洪水,下游组合流量 3368m 3/s,坝前库水位 70.20m ,满足水库防洪调度的边界条件要求; 2%频率洪水,下游组合流量 5465m 3/s,满足水库防洪调度的边界条件要求;0.2%频率洪水,设计水位 70.44m ,满足水库防洪调度的边界条件要求; 0.01%频率洪水,设计水位 72.17m , 满足水库防洪调度的边界条件要求。4.4 以 坝 前 库 水 位 控 制 水 库 防 洪 调 度 为了分析以累积净雨总量作为判别条件的防洪调度方式和以 坝前库水位作为判别条件的防洪调度运用的差别,拟定了汛限水位抬高到 68

18、.80m ,以坝前库水位作为判别 条件的水库闸门运用方式,水库闸门开启方式与以净雨控制相同,即拟定防洪限制水位 68.8070.20m , 见表 1。表 1 碧 流 河 水 库 防 洪 调 度 运 用 方 式项目频率 累积净雨总量 /mm 库水位 /m 底孔 溢流坝 5%以下 240以下 2孔全开 4孔 2.5m 开度, 3孔 3.0m 开度 5%以上, 2%以下 240以上, 305以下2孔全开 2孔 2.0m 开度, 4孔 3.0m 开度, 3孔全开 累积净雨总量控制 2%以上 305以上 2孔全开 9孔全开5%以下 68.8070.20 2孔全开 4孔 2.5m 开度, 3孔 3.0m

19、开度5%以上, 2%以下 70.2070.50 2孔全开 2孔 2.0m 开度, 4孔 3.0m 开度, 3孔全开水位控制 2%以上 70.50以上 2孔全开 9孔全开 4.5 分 析 两 种 调 度 方 式 的 差 别 为了分析以累积净雨总量作为判别条件和以坝前库水位作为判别条 件控制水库闸门运用的差别,将两种水库防洪调度的调洪计算成果汇总见表 2。项目 频率 (% 入库洪峰 /(m3/s 最高库水位 /m 相应库容 /106m 3 最大泄量 /(m3/s2 6150 70.01 773 4257 0.2 10147 70.44 7907445 0.1 11246 70.84 8237875

20、 净雨控制 0.01 14710 72.17 9079437 2 6150 70.40 797 4434 0.2 10147 71.05 8368101 0.1 11246 71.42 8598515 水位控制 0.01 14710 72.69 940 9997 由表 2可知,以累积净雨总量作为判别条件,汛限水位可以抬高到 68.80m ,以坝前水位作为判别条件, 汛限水位不能抬高到 68.80m 。因为以累积净雨总量作为控制可以提前在大洪水前期中小洪水时,在有降雨 而汇流未形成之前,将水库中的水预泄出去,而以坝前库水位为控制的防洪调度不能提前泄流,只能是库 水位达到相应的闸门运用水位,水库才

21、能泄流。将以累积净雨总量作为控制的防洪调度和以坝前水位为控 制的防洪调度两种调节计算成果的库水位绘在一张图, 0.2%频率水位比较见图 2, 0.01%频率水位比较见图2005年 1月 SHUILI XUEBAO第 1期 3。可以看到,以累积净雨总量作为控制的防洪调度的库水位始终比以坝前库水位为控制的防洪调度库水 位低。因为以累积净雨总量作为控制可以提前 3.55h 在大洪水前期中小洪水时,在有降雨而汇流未形成 之前,将水库中的水提前泄流出去。2个底孔全开, 2孔 2.0m 开度, 4孔 3.0m 开度, 3孔全开 2个底孔全开, 9孔闸门全开净雨:240mm 水位:70.20m 差值 净雨:

22、305mm 水位:70.50m 差值 频率(% 水位 /m库容/106m 3水位/m库容/106m 3库容/106m 3时间/h水位/m库容/106m 3水位/m库容/106m 3库容/106m 3时间 /h0.2 68.92 710 70.20 784 74 提前4h69.11 720 70.50 803 83 提前 4h0.01 68.80 704 70.20 784 80 提前5h68.83 705 70.50 803 98 提前 4h以累积净雨总量为控制和以坝前水位为控制两种方式调节 0.01%频率洪水的分析见表 3和图 1。在调节 0.01%频率洪水时,以累积净雨总量作为控制的调度中

23、当坝前库水位为 68.80m 时,水库 2个底孔 全开, 2孔 2.0m 开度, 4孔 3.0m 开度, 3孔全开; 而在以坝前库水位为控制的防洪调度中当坝前库水位为 70.20m 时,水库 2个底孔全开, 2孔 2.0m 开度, 4孔 3.0m 开度, 3孔全开。也就是相当于以累积净雨总量为判别条件 可以提前约 5h 腾空库容 8000万 m 3。 以累积净雨总量作为控制的防洪调度中当坝前库水位为 68.83m 时, 水库 2个底孔全开, 9孔全开;而在以坝前库水位为控制的防洪调度中当坝前库水位为 70.50m 时,水库 2个底孔全 开, 9孔全开。也就是相当于以累积净雨总量为判别条件可以提

24、前约 4h 腾空库容约 1亿 m 3,见表 3。 图 2 碧流河水库以净雨控制与以水位控制库水位比较 (0.2%设计洪水 图 3 碧流河水库以净雨控制与以水位控制库水位比较 (0.01%校核洪水 5 结论本文提出的防洪预报调度方式集随机理论与成因理论为一体,是实时洪水预报调度的预泄方法在设计 中的体现,较常规调度设计,更靠近实际应用。但应用这一设计方法必须满足一定条件。假如防洪预报调 度系统、通讯系统、气象预报产品应用系统的精度与稳定性均满足条件,可以应用预报调度规则来指导实 时预报调度,提高洪水资源的利用率。经过实例分析计算,碧流河水库采用以累积净雨总量控制的防洪调度运用方式,水库可以提前泄

25、流, 腾空库容,可以将汛限水位提高 0.7m ,可提高洪水资源可利用量约 4000万 m 3。但以累积净雨总量作为控制 的水库防洪调度,由于没有考虑雨强的影响,产生了 2%频率洪水调洪最高库水位为 70.01m ,比 5%频率洪水 调洪最高库水位 70.20m 低的情况,这也是采用累积净雨量判别水库调度的不足之处,所以今后应进一步研 究预报调度规则的“天气类型指标”确定法。即根据暴雨预报的天气类型选择相应的指标数值域,使设计水 利 学 报 2005 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第1期 与实时调度的思想更贴近。同时应进一步研究考虑降雨预报信息的预报调度方式设计理论与方法，可先考 虑“

26、晴雨”短时预报信息预报调度方式设计，然后研究不同量级降雨预报调度方式设计。 参考文献： 1 胡四一，高波，等.海河流域洪水资源安全利用J.中国水利，2002，(10：105-108. 2 邱瑞田，王本德，周惠成.水库汛期限制水位控制理论与观念的更新探讨J.水科学进展，2004，(1：68-72. 3 曹永强.汛限水位动态控制方法研究及其风险分析D.大连：大连理工大学，2003. 4 大连理工大学,国家防汛抗旱总指挥部办公室.水库防洪预报调度方法及应用M.北京：中国水利水电出版社，1996. 5 大连工学院水利系水工教研室，大伙房水库工程管理局.水库控制运用M.北京：水利出版社，1986. 6 王本德，周惠成.可利用丰满气象台短期降雨预报时效分析J.水利管理技术，1999，(2：35-39. 7 王本德，周惠成，程春田，等.水库预蓄效益与风险控制模型J.水文，2000，(1：14-18. 8 候召成.水库防洪预报调度模糊集与风险分析理论研究与应用D.大连：大连理工大学，2004. Study on key point of reservoir regulation based on flood forecasting and its application CAO Yong-qiang1, YIN Jun-xian