水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第36卷 第1期
收稿日期:2004201216
基金项目:水利部、国家防总重大科技资助项目(水利部[2002]341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。
文章编号:055929350(2005)0120051205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
(11清华大学水利水电工程系,北京 100084;21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。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:T V69711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,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,—
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图1 碧流河水库(0101%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。
311 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S L25022000》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]。
312 短期降雨预报信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—
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5雨预报信息。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]。
313 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,建库前资料需演算到坝址。洪水总量的选样采用“固定时段选取的年最大值法”,洪峰流量的选样采用“年最大法”。
314 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(0101%)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0101%的设计洪峰由15100(m3Πs)削减到14710(m3Πs),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。
411 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71100m和校核洪水位72160m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3400m3Πs,且坝前库水位不超过70120m。(2)50年一遇洪水时,保证公路和碧流河桥的安全,小宋家屯站洪水组合流量不超过5500m3Πs。(3)水库p=012%洪水设计水位不超过原设计值71100m。(4)水库p=0101%洪水校核水位不超过原设计值72160m。
412 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。
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5413 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,经过拟定多方案试算,选定汛限水位为68180m,洪水调节成果如下:5%频率洪水,下游组合流量3368m3Πs,坝前库水位70120m,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5465m3Πs,满足水库防洪调度的边界条件要求;012%频率洪水,设计水位70144m,满足水库防洪调度的边界条件要求;0101%频率洪水,设计水位72117m,满足水库防洪调度的边界条件要求。
414 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68180m,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,即拟定防洪水位68180～70120m,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Πmm库水位Πm底孔溢流坝
累积净雨总量控制
水位控制
5%以下240以下2孔全开4孔215m开度,3孔310m开度
5%以上,2%以下240以上,305以下2孔全开2孔210m开度,4孔310m开度,3孔全开2%以上305以上2孔全开9孔全开
5%以下68180～701202孔全开4孔215m开度,3孔310m开度
5%以上,2%以下70120～701502孔全开2孔210m开度,4孔310m开度,3孔全开2%以上70150以上2孔全开9孔全开
415 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。
表2 碧流河水库洪水调节计算成果对比(汛限水位68180m)
项目频率(%)入库洪峰Π(m3Πs)最高库水位Πm相应库容Π106m3最大泄量Π(m3Πs)
净雨控制水位控制26150701017734257 01210147701447907445 01111246701848237875 010114710721179079437 26150701407974434 01210147711058368101 01111246711428598515 010114710721699409997
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68180m,以坝前水位作为判别条件,汛限水位不能抬高到68180m。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,012%频率水位比较见图2, 0101%频率水位比较见图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315～5h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。
表3 碧流河水库洪水调节成果比较分析(汛限水位68180m)
频率(%)
2个底孔全开,2孔210m开度,4孔310m开度,3孔全开2个底孔全开,9孔闸门全开
净雨:240mm水位:70120m差值净雨:305mm水位:70150m差值
水位
Πm
库容
Π106m3
水位
Πm
库容
Π106m3
库容
Π106m3
时间
Πh
水位
Πm
库容
Π106m3
水位
Πm
库容
Π106m3
库容
Π106m3
时间
Πh
012681927107012078474提前4h691117207015080383提前4h 0101681807047012078480提前5h681837057015080398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0101%频率洪水的分析见表3和图1。在调节0101%频率洪水时,以累积净雨总量作为控制的调度中当坝前库水位为68180m时,水库2—
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个底孔全开,2孔210m 开度,4孔310m 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70120m 时,水库2个底孔全开,2孔210m 开度,4孔310m 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68183m 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70150m 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
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
(012%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(0101%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,水库可以提前泄流,腾空库容,可以将汛限水位提高017m ,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70101m ,比5%频率洪水调洪最高库水位70120m 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“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。
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N onlinear stochastic w ater environmental risk model
X U Min,ZE NG G uang2ming,H UANG G uo2he,HE Li
(Hunan Univer sity,Changsha 410082,China)
Abstract:On the basis of Shastry’s nonlinear water quality m odel,the concept of stochastic force is introduced to establish the stochastic differential equation for water environment.The probability density distribution function is deduced by numerically s olving the multi2dimension stochastic partial differential equation.The relationship between the risk and duration of pollution exceeding standard is established accordingly.The calculation of case study shows that the stochastic variation intensity affects the risk, and the reductions of BOD5or initial concentration of DO result in remarkable reduction of risk.The explicit scheme and im plicit scheme are applied to s olve the nonlinear stochastic differential equation respectively.The result shows that the difference of risk variation tendency calculated by different scheme is not significant.
K ey w ords:Shastry m odel;nonlinear;stochastic vibration;water environment risk
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Study on key point of reservoir regulation based on
flood forecasting and its application
C AO Y ong2qiang1,YI N Jun2xian2,H U He2ping1
(11Tsinghua Univer sity,Beijing 100084,China;21China Institute o f Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100044,China)
Abstract:The approach to realize the real time regulation of reserv oirs according to the flood forecasting on the basis of hydrological and meteorological forecasting is proposed.The significant and procedure of this new regulation principle as well as the basic requirements are investigated.The application of this method to the regulation of Biliu River Reserv oir shows that by adopting the principle of controlling the accumulated net rainfall v olume,the utilizable water res ources increases by40×106m3.The target of coordinating the requirement of flood control with prom otion of water res ource utilization rate is realized.
K ey w ords:reserv oir;dispatch;flood forecasting;net rainfall;limited level of reserv oir in flood seas on
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