張志燕

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

基于降雨預(yù)報的太平水庫汛限水位動態(tài)控制

張志燕

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

太平水庫調(diào)度方式單一，未能考慮短期降雨預(yù)報，導致汛期蓄不滿水，汛后又無水可蓄的局面。在分析太平水庫流域降雨預(yù)報精度分析的基礎(chǔ)上，研究了降雨預(yù)報的可行性，確定出水庫汛限水位動態(tài)控制的上下限，并對降雨預(yù)報的漏報進行了風險分析。結(jié)果表明，無雨及小雨預(yù)報是可利用的，在汛限水位動態(tài)控制域121.2～123.5m內(nèi)，水庫可以動態(tài)控制，且降雨預(yù)報發(fā)生漏報時，其風險率小于原設(shè)計校核標準風險率。

降雨預(yù)報；汛限水位；動態(tài)控制；風險分析；太平水庫

1 引言

太平水庫是一座以防洪為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉的?。ㄒ唬┬退畮欤挥趨瘟菏信R縣城莊鎮(zhèn)太平村村口，湫水河中游太平溝溝口，控制流域面積40km2，水庫總庫容536萬m3。目前水庫主要存在兩個問題，一是水庫泥沙淤積量較大，蓄水量嚴重不足；二是水庫汛限水位較低，且調(diào)度方式相對簡單，基本上以壩前庫水位為判定條件進行分級下泄，沒有將短期降雨預(yù)報信息考慮在內(nèi)。而山西省降雨基本集中在6—9月，這樣就會導致水庫汛期棄水，汛期過后水庫蓄不滿水，進而影響下一年度用水。近幾年，隨著降雨預(yù)報精度的提高，越來越多的水庫將降雨預(yù)報信息應(yīng)用到汛限水位的動態(tài)控制中。因此，有必要對太平水庫流域降雨預(yù)報進行精度分析，并研究其可利用性，在保證水庫及上下游防洪安全的前提下，使水庫在汛期多蓄水，這對于太平水庫具有較大的經(jīng)濟價值和實際意義。

2 流域降雨預(yù)報精度分析

2.1 未來24h降雨預(yù)報精度分析

為了與太平水庫的汛期保持一致，本次選用呂梁市臨縣氣象站2003—2007年4個月（6—9月）的未來24h降雨預(yù)報資料和相應(yīng)的太平水庫流域日降雨量資料（共計610d），利用統(tǒng)計學方法，根據(jù)降雨等級，分析臨縣氣象站未來24h不同等級降雨預(yù)報的準確率、漏報率、空報率。

各級降雨預(yù)報準確率、漏報率和空報率的計算公式分別為：

式中：m——發(fā)布預(yù)報次數(shù)；

n——實際降雨值落在預(yù)報等級值域內(nèi)的次數(shù)；

u——發(fā)布預(yù)報中漏報的次數(shù)。

根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）進行分析計算，結(jié)果見表1。經(jīng)表1分析結(jié)果表明：無雨預(yù)報的準確率為74.5%，且預(yù)報無雨時，發(fā)生中雨及以上量級降雨的概率僅為6.9%。表明無雨預(yù)報可以利用；小雨預(yù)報的準確率僅有25.5%，但當預(yù)報小雨時，發(fā)生無雨及小雨的概率為84.6%。因此小雨預(yù)報的成果也可利用。

2.2 各級降雨預(yù)報可能發(fā)生降雨的概率分布

2.2.1 配線法確定統(tǒng)計參數(shù)

表1 臨縣氣象站24h降雨預(yù)報精度分析成果

由于中雨及以上量級的樣本較小，僅對無雨和小雨進行配線，依據(jù)太平水庫流域未來24h無雨和小雨預(yù)報所對應(yīng)的實際流域平均降雨量資料，應(yīng)用矩法公式計算統(tǒng)計參數(shù)x和Cv，取Cs/Cv=2并進行配線。

2.2.2 誤差頻率分析

由上述配線可知，無雨預(yù)報時，發(fā)生小雨以上的概率僅6.79%，且漏報發(fā)生0.1%頻率的降雨量95.1mm小于水庫下游10年一遇防洪標準所能抗御的降雨量124.1mm。小雨預(yù)報時，發(fā)生中雨以上的概率僅為5.39%，且漏報發(fā)生0.1%頻率的降雨量119.2mm也小于水庫下游10年一遇防洪標準所能抗御的降雨量124.1mm。結(jié)果表明，無雨及小雨預(yù)報在汛限水位動態(tài)控制中是可以利用的。

3 水庫汛限水位動態(tài)控制方法

水庫的前汛期為過渡期，主汛期的主要任務(wù)是防洪，后汛期則是兼顧防洪與興利，因此，主要針對太平水庫的后汛期進行汛限水位動態(tài)控制。

3.1 汛限水位下限值確定

為了保證防洪安全，將原汛限水位121.2m作為汛限水位動態(tài)控制的下限值。

3.2 汛限水位上限值確定

本次計算分別采用順推法和預(yù)泄能力約束法來計算汛限水位的上限值。順推法從原汛限水位起，設(shè)定若干個起調(diào)水位，在各起調(diào)水位下，分別對水庫的設(shè)計洪水和校核洪水進行調(diào)洪演算，在調(diào)洪最高水位不超過水庫設(shè)計洪水位和校核洪水位的約束下，確定后汛期的汛限水位。對于太平水庫，從121.2m開始起調(diào)，確定后汛期汛限水位為123.5m，與正常蓄水位相同。

預(yù)泄能力約束法：首先確定降雨預(yù)報的有效預(yù)見期，然后根據(jù)水庫的泄流能力，求出有效預(yù)見期內(nèi)的最大泄水量。水庫在原汛限水位所對應(yīng)的庫容上增加最大泄水量，這時，對應(yīng)的水位即為水庫汛限水位的上限值。對于太平水庫，可利用的有效時間為24h時，扣除信息傳遞、決策以及閘門啟閉時間等，從安全角度考慮，取有效預(yù)見期為8h。太平水庫的下游安全泄量為80m3/s，求得預(yù)泄水量為230.4萬m3，在原汛限水位121.2m所對應(yīng)的庫容1.19萬m3上增加230.4萬m3的庫容，即231.59萬m3。根據(jù)太平水庫的水位—庫容曲線得到其對應(yīng)的水位為127.8m。但實際上水庫的正常蓄水位為123.5m，因此，將預(yù)泄能力約束法確定的汛限水位的上限值定為123.5m。

綜合以上兩種方法，通過計算確定汛限水位的上限值為123.5m。

3.3 汛限水位動態(tài)控制方法及調(diào)度原則

根據(jù)上述分析，將預(yù)蓄預(yù)泄法運用于太平水庫后汛期的調(diào)度原則是：當未來24h降雨預(yù)報為無雨或小雨時水庫水位可保持在汛限水位動態(tài)控制的上限值123.5m；當未來24h降雨預(yù)報為中雨及以上量級的降雨時，應(yīng)在有效預(yù)見期內(nèi)，控制泄量不超過下游安全泄量80m3/s，迅速將水庫水位降至汛限水位的下限值121.2m。

根據(jù)上述調(diào)度原則，以后汛期2%設(shè)計洪水和0.33%校核洪水為例，123.5m起調(diào)常規(guī)調(diào)度與預(yù)蓄預(yù)泄調(diào)度的調(diào)洪結(jié)果見表2。

表2 后汛期常規(guī)調(diào)度和預(yù)蓄預(yù)泄調(diào)度對比的調(diào)洪結(jié)果表

由表2可知，考慮短期降雨預(yù)報信息的調(diào)度方式，其調(diào)洪的最高水位稍有降低，最大泄量也略小于常規(guī)調(diào)度的最大泄量。因此，基于短期降雨預(yù)報信息對水庫汛限水位進行動態(tài)控制是安全、可行的。

4 水庫汛限水位動態(tài)控制的風險分析

若未來24h有中雨或中雨以上量級的降雨，而實際發(fā)生漏報，即預(yù)報未來24h有“無雨”或“小雨”，此時汛限水位不預(yù)泄仍保持在123.5m，而實際發(fā)生了中雨或中雨以上量級的降雨，因此，可能會對大壩正常運行構(gòu)成一定威脅。

太平水庫汛限水位動態(tài)控制的風險為未來24h預(yù)報“無雨”或“小雨”，而實際發(fā)生降雨在中雨及其量級以上的漏報條件下所能防御的洪水的頻率?？衫孟率接嬎?，即：

式中：PZT（ZLd，Zm0）——假定降雨預(yù)報發(fā)生漏報條件下，發(fā)生原設(shè)計的校核標準洪水的頻率；

PZ（ZL0，Zm0）——原設(shè)計標準的風險率（原設(shè)計標準下可抗御的洪水頻率）；

PZ（ZLd，Zm0）——選定動態(tài)控制汛限水位ZLd值，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計理論計算的可抗御洪水的頻率，PZ（ZL）= PWk{Zm（WPk，ZL）=ZA}=PZ（ZLd，Zm0）；

PP（X＞0）——無雨預(yù)報漏報的累計頻率；

Zm0——調(diào)洪過程中允許達到的最高蓄水位。

當預(yù)報未來24h發(fā)生“無雨”或“小雨”，保持汛限水位在123.5m，對不同重現(xiàn)期的設(shè)計洪水在預(yù)報調(diào)度方式下進行調(diào)洪，調(diào)洪最高水位見表3。

表3 預(yù)蓄預(yù)泄方式下調(diào)洪結(jié)果

式（4）中：ZLd＝123.5m，Zm0＝127.9m，極限風險控制指標定為校核洪水位127.9m，利用調(diào)洪研究成果（表3）對其繪圖內(nèi)插，求得PZ（ZLd，Zm0）＝0.037%。

由表3可知：未來24h預(yù)報“無雨”而實際可能發(fā)生中雨及其量級以上的降雨的最大頻率為6.80%，即PP（X＞10）＝6.80%；未來24h預(yù)報“小雨”而實際可能發(fā)生中雨及其量級的降雨的最大頻率為13.51%，即PP（X＞10）＝13.51%。

根據(jù)式（4）及以上分析結(jié)果可知太平水庫考慮降雨預(yù)報時汛限水位實時控制的風險：當未來24h預(yù)報“無雨”時，汛限水位實時控制的風險率為：PZ無雨T（ZLd，Zm0）=PP（X＞25.0）×PZ（ZLd，Zm0）＝6.80%×0.037%＝0.0025%。

當未來24h預(yù)報“小雨”時，汛限水位實時控制的風險率為：PZ小雨T（ZLd，Zm0）=PP（X＞25.0）×PZ（ZLd，Zm0）＝13.51%×0.037%＝0.0050%。

結(jié)果表明：若按照水庫原設(shè)計校核水位127.9m為約束條件，汛限水位控制的上限為123.5m，當未來24h預(yù)報“無雨”時，汛限水位動態(tài)控制的風險率為0.0025%，當未來24h預(yù)報“小雨”時，汛限水位動態(tài)控制的風險率為0.0050%，其風險率均小于原設(shè)計校核標準的風險率0.33%。

5 結(jié)論

通過對太平水庫流域24h降雨預(yù)報精度分析，證明基于未來24h無雨及小雨預(yù)報的汛限水位動態(tài)控制是可行的，經(jīng)分析計算，得出汛限水位動態(tài)控制的范圍是121.2～123.5m，據(jù)此提出了水庫的調(diào)度原則，并分析在該調(diào)度原則下，降雨預(yù)報發(fā)生漏報的風險率，結(jié)果表明，“無雨”及“小雨”預(yù)報的風險率均小于原設(shè)計校核標準的風險率，這對于山西省其他中小型水庫汛限水位動態(tài)控制具有一定的參考價值及實際意義。

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張志燕（1978-），女，2005年畢業(yè)于太原理工大學土木工程專業(yè)，工程師。

2016-02-19；

2016-03-23