基于預報調(diào)度一體化計算的水庫納雨能力分析

王漢東，黃瑤，王 燕，唐海華，羅 斌

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.海河水利委員會 引灤工程管理局，河北 遷西 064309； 3.長江水利委員會 互聯(lián)網(wǎng)+智慧水利重點實驗室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

洪水預見期短、調(diào)度響應時間少是大多數(shù)水庫在防洪調(diào)度過程中面臨的主要問題，通過水庫納雨能力分析可以有效延長洪水預見期，增加水庫防洪調(diào)度響應時間，對于提升水庫安全度汛能力、確保水庫防洪調(diào)度安全具有重要意義。水庫納雨能力的計算方法可以分為兩類：① 靜態(tài)計算，即利用水庫特征數(shù)據(jù)和流域水文數(shù)據(jù)資料，直接計算出各個給定水位條件下的水庫納雨能力[1-4]，不考慮入庫出庫流量的動態(tài)變化，對公式中的參數(shù)也進行了簡化處理，參數(shù)取值容易確定，計算簡便快捷，最大的不足就是計算精度不高；② 結(jié)合水庫預報調(diào)度模型，通過入庫出庫流量過程進行水庫納雨能力計算[5-9]。這類計算方法由于考慮的因素比較多，計算過程相對復雜，計算精度得以提高，能有效支撐水庫防洪調(diào)度，但是往往僅針對設(shè)計洪水或特定場次的降雨進行典型分析，對任意一場降雨的模擬仿真能力還比較欠缺。

水庫納雨能力與流域降雨情況、水庫調(diào)度方式等因素密切相關(guān)，隨時間動態(tài)變化。現(xiàn)有文獻中的水庫納雨能力分析方法大多無法針對任意一場降水過程進行計算，預警預報的針對性不強。預報降雨量是一種延長洪水預見期的有效方法[10]，隨著氣象預報技術(shù)的快速發(fā)展，面向公眾的數(shù)值氣象降雨預報精度有了大幅提高，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報、水情預報、水庫防洪調(diào)度結(jié)合起來，提出一種基于預報調(diào)度一體化計算的水庫納雨能力動態(tài)分析方法，并以灤河流域潘家口水庫為例進行應用分析。

1 納雨能力計算方法

1.1 計算公式

水庫納雨能力計算的核心公式為

(1)

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

ΔW=Vs-Vc+Δt×Qout

(2)

式中：Vs為水庫水位為目標水位Zs時對應庫容；Vc為水庫水位為當前水位Zc時對應庫容；Qout為出庫流量；Δt為水庫水位從當前水位Zc變化到目標水位Zs所需的時間(時段長)。

水庫納雨能力計算的關(guān)鍵是求ΔW。由式(2) 可知，Vs，Vc可以通過查詢水庫水位-庫容曲線求得，根據(jù)水庫調(diào)度過程可得到出庫流量Qout，而水庫調(diào)度過程與預報的水庫入庫流量密切相關(guān)。因此，結(jié)合水庫預報調(diào)度模型計算，可以求出ΔW，實現(xiàn)水庫納雨能力動態(tài)分析。

1.2 納雨能力計算過程

本文提出一種基于水庫預報調(diào)度模型一體化計算的水庫納雨能力分析方法，通過接入氣象預報降雨數(shù)據(jù)延長洪水預見期。水庫納雨能力分析流程見圖1(W1，W2，…，Wn為水庫庫容凈增加量)，計算過程如下。

(1) 構(gòu)建水情預報模型，以流域雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象預報降雨數(shù)據(jù)作為模型輸入，進行水情預報。

(2) 采用馬斯京根模型進行河道洪水演進計算，根據(jù)水情預報結(jié)果計算水庫入庫流量過程Qin。

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

(4) 根據(jù)水庫當前水位、目標水位以及步驟(3)計算得到的出庫流量過程，利用式(2)計算水庫動態(tài)剩余庫容ΔW，再利用式(1)求得水庫的納雨能力。

圖1 水庫納雨能力分析流程示意

2 水庫預報調(diào)度一體化計算

入庫流量預報及庫容動態(tài)變化是納雨能力分析的關(guān)鍵，水庫預報調(diào)度一體化計算通過耦合水情預報和水庫調(diào)度模型，實現(xiàn)洪水預報和水庫防洪調(diào)度業(yè)務流程化處理和數(shù)據(jù)共享[13]，預報調(diào)度一體化計算結(jié)果為納雨能力分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 預報調(diào)度業(yè)務流程

通過前端智能感知系統(tǒng)獲取雨量、水位及流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，為有效延長洪水預見期，引入了外部預報降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)流域水文特征信息，從水情預報模型庫中選擇合適的洪水預報模型進行計算，并根據(jù)預報結(jié)果進行防洪形勢分析和防洪預警，在防洪調(diào)度預案生成、模擬與推演環(huán)節(jié)，通過預報調(diào)度模型耦合與數(shù)據(jù)共享，自動接入預報結(jié)果，避免模型之間的人工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與拼接。預報調(diào)度整體業(yè)務流程邏輯示意見圖2。

圖2 預報調(diào)度總體業(yè)務邏輯示意

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算邏輯和模型參數(shù)分離，提高模型通用性。對水利防洪對象、模型算法和方案參數(shù)，按對象庫、規(guī)則庫和節(jié)點庫進行分解和管理，并封裝成組件，形成流程節(jié)點[14]。流程節(jié)點組件分解示意見圖3[14]。

圖3 流程節(jié)點組件分解示意

在模型組件化的基礎(chǔ)上，通過流程化技術(shù)，根據(jù)業(yè)務需要快速搭建或調(diào)整業(yè)務流程，實現(xiàn)組裝式搭建，大大提高業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)整效率。將預報調(diào)度計算變成一系列專業(yè)應用業(yè)務流，讓預報調(diào)度業(yè)務應用通過流程配置的方式，自動實現(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，同時也能讓業(yè)務流程結(jié)構(gòu)更加直觀和清晰?；诹鞒坦?jié)點組件的業(yè)務流程搭建示意見圖4。

圖4 基于流程節(jié)點組件的業(yè)務流程搭建示意

3 實例分析

本文在水庫預報調(diào)度一體化應用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展納雨能力分析模塊，直接連接水情預報的入庫流量過程數(shù)據(jù)，以及水庫調(diào)度的出庫流量過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水庫納雨能力實時自動計算。選擇灤河流域潘家口水庫進行實例分析。

3.1 潘家口水庫概況

潘家口水庫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，水庫地跨唐山、承德兩市，是一座綜合性大型水利樞紐，主要任務為調(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。潘家口水庫總庫容29.3億m3。水庫壩址以上流域面積33 700 km2，年徑流量24.5億m3。灤河流域主要水系及水庫分布[15]見圖5。

圖5 灤河流域主要水系及水庫分布

3.2 氣象預報降雨數(shù)據(jù)接入

雨量數(shù)據(jù)是洪水預報模型的重要輸入數(shù)據(jù)。為了延長洪水預見期，接入外部氣象降雨預報數(shù)據(jù)，將雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象降雨預報數(shù)據(jù)合并一起作為洪水預報模型的輸入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過調(diào)用公開的數(shù)據(jù)接口，定時提取中央氣象臺發(fā)布的預報降雨數(shù)據(jù)并進行格式轉(zhuǎn)換，將預報降雨網(wǎng)格數(shù)據(jù)與水情預報流域子單元相疊加，通過解析計算獲得預報流域子單元的雨量預報數(shù)據(jù)。預報區(qū)間氣象預報降雨數(shù)據(jù)解析見圖6。

圖6 預報區(qū)間氣象預報降雨數(shù)據(jù)解析

3.3 入庫流量計算

洪水預報計算分為區(qū)間預報和河道洪水演進，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)測數(shù)據(jù)和氣象預報降雨數(shù)據(jù)作為模型輸入，三道河子至潘家口水庫河段的河道洪水演進模型采用馬斯京根演算模型，系統(tǒng)計算結(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 出庫流量計算

基于潘家口水庫調(diào)度規(guī)程構(gòu)建水庫調(diào)度模型，以入庫流量過程計算結(jié)果作為模型輸入，計算得到水庫出庫流量過程。系統(tǒng)通過標準化業(yè)務和數(shù)據(jù)流程建設(shè)實施，提供通用的業(yè)務處理流程，實現(xiàn)基于水庫調(diào)度規(guī)則、水位控制、泄流控制等的多目標調(diào)度功能。在調(diào)度過程中，支持灤河流域按照水利拓撲關(guān)系，實現(xiàn)拓撲自創(chuàng)建、模型自識別、數(shù)據(jù)自銜接、調(diào)度演進一體化計算。

3.5 納雨能力分析

水庫納雨能力分析模塊是在預報調(diào)度功能模塊的基礎(chǔ)上擴展而來，自動接入水庫預報調(diào)度的入庫流量過程、出庫流量過程數(shù)據(jù)。因此，只需設(shè)定水庫納雨能力分析上限水位、當前水庫水位等信息即可進行計算，并最終得到水庫納雨能力分析結(jié)果。選取2020年7月14日11∶00至2020年7月17日08∶00的一場降雨，通過系統(tǒng)的水庫納雨能力分析模塊計算得到潘家口水庫的納雨能力分析結(jié)果，見圖8及表1。

圖8 納雨能力計算結(jié)果

表1 潘家口水庫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，隨著水庫調(diào)度執(zhí)行及降雨量的變化，不同時段水庫的納雨能力不同。水庫納雨能力表現(xiàn)出隨時間動態(tài)變化的特性，可以更加精確地用于水庫防洪形勢分析以及水庫防洪調(diào)度預警。

2020年7月1日至8月15日的主汛期，潘家口水庫的汛限水位為216 m[16]。本文依據(jù)汛限水位、水庫壩前水位，結(jié)合納雨能力分析結(jié)果，將防洪調(diào)度預警狀態(tài)分為三級：當水庫壩前水位為216～218 m，對應納雨能力為93～170 mm時，為三級預警；當水庫壩前水位為218～220 m，對應納雨能力為70～105 mm時，為二級預警；當水庫壩前水位超過220 m，對應納雨能力小于70 mm時，為一級預警。通過計算得到預警狀態(tài)和對應的時間，及時推送給工作人員，并通過聲音、文字、顏色、符號等形式在GIS場景中展示。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合水庫預報調(diào)度一體化計算模型構(gòu)建納雨能力分析模塊，能針對任意一場降雨進行納雨能力分析，實現(xiàn)了水庫納雨能力自動計算。由于預報調(diào)度一體化計算模型綜合考慮包括水庫、流域水文特性、流域下墊面等多種因素，納雨能力計算結(jié)果更精細，體現(xiàn)出隨時間的動態(tài)波動變化。此外，通過接入氣象降雨預報數(shù)據(jù)，有效延長了洪水預見期，增加了水庫調(diào)度的響應時間，提高了水庫防洪調(diào)度的主動性，可為水庫防洪形勢分析、防洪預警、調(diào)度決策提供重要支撐。