精細化降雨預報系統在桃林口水庫防洪中應用

高金燕，史 輝，梁 博

（河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島066400）

1 基本情況

桃林口水庫位于灤河主要支流青龍河上，是一座集城市供水、農業灌溉為主，兼防洪和水力發電等綜合功能的大型水利樞紐工程，擔負著秦皇島市城市生活、工業、港口用水和灤河中下游地區農田的灌溉任務。壩址至河源長210km，壩址以上控制流域面積5060km2，占灤河流域面積的20.4%，多年平均降雨量500～700mm，多年平均徑流量9.60億m3，總庫容8.59億m3，以多年調節方式運行。流域地處燕山山脈東段，屬東亞季風氣候區，降雨量年內及年際變化較大，徑流年內集中，年際變化懸殊。形成暴雨的天氣系統主要為西風槽和切變兩種，暴雨一般發生在每年的7月下旬至8月上旬，降雨量占全年的80%，是形成大洪水的主要原因，由于暴雨歷時短、強度大及地面坡陡流急，一次洪水過程多表現為峰高量大，陡漲陡落的形式。

根據水庫下游防洪需要，2013年對水庫調度運用方式進行了調整，由不承擔防洪任務調整為承擔20年一遇及其以下標準洪水的防洪任務，主汛期將汛限水位143.4m調整為138.5m控制運用，防洪庫容2.04億m3，調洪庫容2.40億m3。

2 精細化降雨預報系統

為了進步延長洪水預見期，為優化水庫調度創造條件，桃林口水庫引入了針對上游流域的精細化降雨預報系統。精細化降雨預報系統，利用中尺度WRF模式及快速循環同化技術，在對比試驗的基礎上，選取了適合本地的積云過程、微物理過程和輻射過程的方案組合，以美國NECP（美國國家環境預報中心）的GFS全球預報資料作為背景場，提供預報時段0～48h的天氣形勢及多種物理量的精細預報。近些年來，隨著水庫水情信息采集站點設備的更新，精細化降雨預報系統充分利用了水情遙測信息，并在此基礎上分析開發，采用先進的地圖發布平臺、XML技術、Flex開發技術和GIS圖表化表達技術，實現了實時水情信息與空間數據一體化存儲，并通過水情站與預警區域的關聯，實現了水雨情信息的地理網格化區域預警，有效提高了水庫應對暴雨洪水的能力，提高了洪水的預見期。

3 精細化系統的組成與功能

桃林口水庫精細化降雨預報系統是在GIS系統的基礎上開發的，系統由實時雨量數據提取、雨量預報數據傳輸、 面雨量水量計算和WEBGIS平臺顯示4部分組成。

3.1 實時雨量數據

用于提取各數據源的實時雨量，包括遙測雨量、氣象雨量等，將各數據源雨量進行插補，以最大限度地增加觀測密度。雨量預報數據傳輸系統，將降雨預報數據（0～48h數值預報）從氣象部門傳輸到水庫管理局的服務器中。

3.2 面雨量水量計算系統

能夠計算水庫流域整個地區或任意區域的實時面雨量和預報面雨量，并提供預警報警功能，當某區域的實際降雨或預報降雨超過一定閾值，或者未來0～48h預測降雨超過一定閾值，均進行閃爍報警。

3.3 實時降雨預報

數據分為等值線圖、等值面圖、降水熱圖、面雨量分析列表4種表現方式，并對降水熱圖以動畫方式演示，體現降水過程的動態變化。

3.4 WEBGIS平臺顯示系統

用于在網頁上展示桃林口水庫流域電子地圖，并提供各種地圖操作和計算操作。整個網頁系統采用一個整體架構模式，全部內容放置在菜單面板上，每打開一個網頁，均會以標簽的方式顯示在構架之中，各個頁面可以進行快速切換。

4 系統運用

4.1 2018年“安比”“摩羯”臺風暴雨洪水概況

2018年第10號臺風“安比”和14號臺風“摩羯”，以其異常罕見的路徑襲擊江浙滬地區之后，一路北上抵達山東，進而影響北方地區。受臺風“安比”“摩羯”及北部高氣壓影響，桃林口水庫所在青龍河流域先后發生了2018年“7·24”“8·13”兩場強降雨，累計平均降雨量200.2mm，最大降雨量站龍王廟，降雨量338mm。對應兩場強降雨，桃林口水庫相繼出現2018年1號洪水、2號洪水。降雨過程及特征如表1。

表1 臺風降雨特征

4.2 2018年降水預報與實際降水對比分析

2018年7月22日，臺風“安比”在上海市崇明島登陸后，根據氣象部門預報，河北省將出現一次大范圍強降水過程，中東部降水量可達暴雨到大暴雨，局地可能超過200mm。

2018年7月22日18：00，河北省防指啟動了防汛Ⅳ級應急響應，水庫利用衛星云圖、雷達等多種網絡氣象信息手段，密切跟蹤臺風路徑，研判降雨發展和落雨區域。2018年7月23日16：00，臺風“安比”位于山東沂水縣境內，中心氣壓990hPa，風力8級，移速移向20km/h，北北西，水庫及時啟用精細化降雨預報系統，預報顯示7月23日20：00至25日20：00，水庫流域普面降暴雨到大暴雨，預報流域平均降雨量136.5mm，預報結果如圖1（a），水庫流域降雨實際監測平均降雨量133.4mm，監測結果如圖1（b），對比看出，預報和實際在降雨量和降雨分布上接近，流域平均降雨量預報誤差為2.30%。

圖1 “7·23”預報降雨量與實際降雨量

2018年8月12日，臺風“摩羯”在浙江溫嶺沿岸登陸后，根據氣象部門預報，8月13日到15日，承德南部、唐山、秦皇島和石家莊、滄州以南地區有大雨到暴雨，局地有大暴雨。13日16：00，臺風“摩羯”位于安徽省壽縣境內，中心氣壓995hPa，風力8級，移速移向30km/h，北西，水庫運用精細化降雨預報系統，預報顯示8月13日20：00至15日20：00，流域普面降大到暴雨，南部邊緣及起河支流有大暴雨，平均降雨量達100～150mm，預報結果如圖2（a），預報流域平均降雨量70.6mm，監測結果如圖2（b），實際監測流域平均降雨量62.8mm，對比看出，預報和實際在降雨量和降雨分布上較接近，流域平均降雨量預報誤差為12.8%。

圖2 “8·13”預報降雨量與實際降雨量

4.3 為水庫科學調度提供重要依據

“安比”強降雨導致桃林口水庫與下游分水樞紐區間來水攜帶泥沙，致使分水樞紐水體濁度較大，對城市供水產生影響，7月26日18：00，根據預報后期降雨情況，水庫緊急啟動一臺機組發電，流量29m3/s，提前預泄，起到對城市引水進行清水置換處理、提前騰出庫容、 為洪水消峰創造條件及增加發電效益等綜合作用。而后，根據“摩羯”殘余環流的發展變化，水庫分別于8月14日14：00、8月15日11：30將泄水流量加大到180，260m3/s；8月20日11：00將泄水流量減少到130m3/s，8月21日11：00庫水位穩定在137.60m，入庫流量與出庫流量保持平衡，水庫關閉泄洪閘門，轉入正常供水調度。

本次洪水調度調洪最高蓄水位138.26m，距控制目標水位138.50m低24cm，最大限度地發揮了水庫消峰攔洪的作用，1號洪水全部攔蓄庫內，削峰100%；2號洪水入庫洪峰流量455m3/s削減至104.5m3/s，削峰77.03%。

精準的預測預報，為水庫科學研判提供了有利條件，贏得了寶貴的時間，確保了水庫上、下游人民群眾的生命安全，將洪水災害損失降至最低。

4.4 為水庫洪水災害預警提供技術支持

（1）桃林口水庫精細化降雨預報系統不僅可作為獨立系統使用，還可為洪水預報系統提供準確的雨量輸入值，為水庫攔蓄與下泄提供及時準確的科學依據。

（2）通過防汛調度中的實際應用，逐步完善本流域小尺度降雨數值預報的實用系統，對流域內不同單位面積的降雨進行分布式的預報及監測，從而滿足分布式水文模型建模應用的數據要求。

5 結語

根據洪水預報結果，結合水庫蓄水、來水情況、退水預測及供水水質等因素，提出下泄水量的調度建議，為河北省防指科學調度指揮提供科學依據。