利用短期降雨預報進行水庫汛限水位動態控制探析

劉金寶

(龍口市水庫管理中心，山東 龍口 265700)

1 問題的提出

在水文預報水平不高、通訊手段限制的情況下，水庫汛期限制水位在確定和動態控制的過程中并不考慮降水和洪水預報，而僅根據水位進行泄流量確定。所以導致水庫普遍面臨汛期限制水位約束下水庫調洪過程中存在棄水，但洪水過后卻無水可蓄的尷尬局面，并未充分發揮和利用洪水資源。在氣象及洪水預報預測水平不斷提升的情況下，如何充分借助短期降雨預報信息，改變日前水庫傳統的防洪調度觀念及做法，構建實時調控汛期限制水位理念，確保水庫在汛期充分蓄水，利用洪水資源有效緩解區域水資源不足及電力短缺等問題，具有重大的社會效益和經濟價值[1]。

王屋水庫位于山東龍口市，庫容1.231×108m3，屬于大(2)型水庫，水庫大壩為黏土心墻砂殼壩，砂殼土質雜且未經碾壓壓實處理，狀態松散。王屋水庫防洪直接關系到石良鎮和七甲鎮的安全，原規劃的王屋水庫調洪方式并未考慮短期降雨預報，而僅根據24h洪水預報情況進行可能發生洪水標準的判定及泄流量調整。因預見期較短，所以，在這種處理方式下洪水發生前期泄流量少，而后期泄流量偏大，導致庫水位過高，汛期限制水位的設計明顯偏低。結合統計資料，王屋水庫歷年來滿蓄的幾率僅為21.7%。水庫所在流域氣象站自建站以來，其氣象預報業務已經從過去單一常規性天氣圖譜分析發展至目前的短期預報、衛星云圖接收等高精度預報模式，數值預報快速發展，在水庫防洪調度過程中的應用也日益廣泛。為此，文章主要探討如何利用短期降雨預報進行王屋水庫汛期限制水位動態控制問題的分析探討。

2 流域短期降雨預報的可行性分析

2.1 降雨預報精度

考慮到水庫所在流域氣象部門近年來降雨預報技術水平不斷提升的客觀實際以及王屋水庫汛期限制水位動態控制實施期限的設計，進行黃水河流域2018-2020年6-10月未來24h和48h降雨預報數據資料的精度分析。由于黃水河流域較大，降雨歷時長且空間分布不均，所以同時進行了流域不同分區降雨預報精度分析，流域未來24h不同降雨量級(無降雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)實際發生的頻次、頻率統計結表1所示。

表1 黃水河流域未來24h不同降雨量級實際發生的頻次、頻率統計結果

根據流域未來24h不同降雨量級實際發生的頻次、頻率統計結果可知，黃水河流域未來24h無降雨預報的準確率僅為65.1%，而在預報無降雨的情況下，出現小雨的頻率在99%以上，也即當氣象預報無降雨時黃水河流域出現中雨及以上量級降雨的概率不足1%。根據歷史資料，當氣象預報未來24h小雨時，發生中雨及以下量級降雨的頻率至少97%，也就是流域氣象站預報小雨但實際發生大雨及以上量級降雨的可能性很小。因大雨及以上量級降雨分布次數較少，故暫不進行其統計結果分析。

經過分析發現，黃水河流域無降雨和小雨量級下氣象預報結果可以應用于王屋水庫汛期限制水位動態控制，而中雨及以上量級降雨發布次數較少，故其統計分析結果暫不使用。

2.2 降雨量頻率分布規律

為提升王屋水庫汛期限制水位動態控制精度，還必須進行具體量級降雨預報水平下實際發生相應量級降雨頻率的分布規律統計分析。根據表1的分析成果，流域未來24h不同降雨量級實際發生情況統計結果的空報率>漏報率，流域氣象站降雨預報不同量級雨量發生的頻次均呈偏態型分布，采用頻率分析法針對所獲取的黃水河流域2018-2020年6-10月日降雨資料，進行具體量級降雨情況下實際發生相應量級降雨概率的統計分析及統計參數的矩法估計[2]。黃水河流域未來24h無降雨和小雨量級降雨量適線后的發生頻率如表2所示。

表2 黃水河流域未來24h無降雨和小雨量級預報實際降雨量頻率分布情況統計

根據上表統計分析結果不難發現，在預報雨量級為小雨時，發生中雨和大雨的概率分別為8%和0.5%，而發生暴雨的概率僅為0.01%，此種情況下應當抬高汛期限制水位，確保防洪安全的基礎上充分發揮王屋水庫的蓄水效益。在預報雨量級為無降雨的情況下，流域發生中雨及以上量級降雨的概率較小，此種情況下應將王屋水庫汛期限制水位控制在變動范圍的上限位；預報雨量級為小雨時，流域發生大雨及以上量級降雨的概率較小，應將水庫汛期限制水位控制在變動范圍的中上位置。根據流域短期降雨預報精度以及降雨量頻率分布規律，根據放大一個量級的降雨預報量進行水庫汛期限制水位控制切實可行。

3 汛限水位動態控制

3.1 汛限水位控制范圍

當前水庫汛期防洪調度實踐過程中，為確保下游防洪安全降低下泄流量提升庫水位以及為實現興利蓄水發電而提升汛期限制水位的常見做法均會導致水庫防洪風險大大增加，為此，必須進行水庫汛期限制水位控制范圍的合理確定。文章在分析黃水河流域短期降雨預報可行性的基礎上通過預泄能力約束法進行流域內王屋水庫汛期限制水位動態控制范圍的合理預估。王屋水庫預泄能力受到渠首下游允許泄流量、預泄退水流量、預泄時間及流域來水等的約束[3]。水庫渠首下游允許泄流量為45.6m3/s，根據王屋水庫典型洪水退水過程所分析的入庫流量最大值為40m3/s，洪水區間預報誤差20%的情況下來水流量最大值為34m3/s，考慮到行洪安全取40m3/s；結合流域內短期降雨預報成果并將預報信息傳遞時間和預泄決策指令傳達時間等扣除后的有效預見期取24h。綜合分析可知，流域預泄水量應為3.27×108m3，在考慮汛期限制水位庫容的基礎上所對應水位應為73m，并以此為王屋水庫汛期限制水位動態控制的上限。

不考慮降雨預報的水庫汛期限制水位為73m，通過分析近年來流域設計典型洪水發現，在9月上中下旬流域內均會發生60mm及以上的降雨，導致流域下墊面基本處于飽和狀態，同時，9月為后汛期，洪水發生頻次高，退水流量較大，出于水庫運行安全的考慮，應嚴格控制9月水庫的汛期限制水位。綜上分析，王屋水庫汛期限制水位動態控制范圍應為73m-74.68m，9月汛期限制水位仍采用原設計水位。

3.2 汛限水位動態控制方法

文章主要利用流域短期降雨預報增加預見期，并根據水庫汛期限制水位允許控制范圍，結合降雨預報信息及水庫泄流能力等采取預蓄預泄法進行洪水入庫前水庫汛期限制水位降至不考慮降雨預報情況下水庫運行及調洪過程的動態控制。結合流域短期降雨預報結果，若未來24h預計無降雨或小雨量級下，出現中雨及以上量級降雨的可能性非常小，所以應將預見期內汛期限制水位上調至74.68m；當未來24h預計有中雨及以上量級降雨時，應在預見期內提前泄洪并可快速將水位降至不考慮降雨預報的73m；并結合汛期典型洪水過程進行調洪控制，具體見表3。

表3 汛期設計洪水不同起調水位調洪結果統計

根據表中結果可知，借助流域短期降雨預報加強汛期限制水位控制過程中，最大調洪泄量和最高水位與不考慮降雨預報情況相比并未發生較大變化，保壩洪水調洪最高水位略高出不考慮降雨預報的情況，主要原因在于兩種調洪結果具有兩種不同的泄量，所以，汛期限制水位提升并不會造成調洪最高水位高出不考慮降雨預報水位。

4 結 論

通過文章對黃水河流域王屋水庫汛期限制水位的動態控制分析表明，王屋水庫汛期限制水位控制主要是利用流域短期降雨預報信息，在預計發生中雨及以上量級降雨之前實施預泄，并將庫水位迅速降至不考慮降雨預報情況下的汛限水位，此后仍按照不考慮降雨預報情況下的調度原則調洪。如遇預報無降雨或小雨但實際發生中雨及以上量級降雨的漏報情況，水庫并未提前泄洪，則應將汛期限制水位控制在74.68m，如在漏報的情況下加大泄量，則既能確保流域防洪安全，還能保證水庫既有防洪標準，所以汛期限制水位的提升仍然安全。