利用短期降雨预报进行水库汛限水位动态控制探析

刘金宝

(龙口市水库管理中心，山东 龙口 265700)

1 问题的提出

在水文预报水平不高、通讯手段限制的情况下，水库汛期限制水位在确定和动态控制的过程中并不考虑降水和洪水预报，而仅根据水位进行泄流量确定。所以导致水库普遍面临汛期限制水位约束下水库调洪过程中存在弃水，但洪水过后却无水可蓄的尴尬局面，并未充分发挥和利用洪水资源。在气象及洪水预报预测水平不断提升的情况下，如何充分借助短期降雨预报信息，改变日前水库传统的防洪调度观念及做法，构建实时调控汛期限制水位理念，确保水库在汛期充分蓄水，利用洪水资源有效缓解区域水资源不足及电力短缺等问题，具有重大的社会效益和经济价值[1]。

王屋水库位于山东龙口市，库容1.231×108m3，属于大(2)型水库，水库大坝为黏土心墙砂壳坝，砂壳土质杂且未经碾压压实处理，状态松散。王屋水库防洪直接关系到石良镇和七甲镇的安全，原规划的王屋水库调洪方式并未考虑短期降雨预报，而仅根据24h洪水预报情况进行可能发生洪水标准的判定及泄流量调整。因预见期较短，所以，在这种处理方式下洪水发生前期泄流量少，而后期泄流量偏大，导致库水位过高，汛期限制水位的设计明显偏低。结合统计资料，王屋水库历年来满蓄的几率仅为21.7%。水库所在流域气象站自建站以来，其气象预报业务已经从过去单一常规性天气图谱分析发展至目前的短期预报、卫星云图接收等高精度预报模式，数值预报快速发展，在水库防洪调度过程中的应用也日益广泛。为此，文章主要探讨如何利用短期降雨预报进行王屋水库汛期限制水位动态控制问题的分析探讨。

2 流域短期降雨预报的可行性分析

2.1 降雨预报精度

考虑到水库所在流域气象部门近年来降雨预报技术水平不断提升的客观实际以及王屋水库汛期限制水位动态控制实施期限的设计，进行黄水河流域2018-2020年6-10月未来24h和48h降雨预报数据资料的精度分析。由于黄水河流域较大，降雨历时长且空间分布不均，所以同时进行了流域不同分区降雨预报精度分析，流域未来24h不同降雨量级(无降雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)实际发生的频次、频率统计结表1所示。

表1 黄水河流域未来24h不同降雨量级实际发生的频次、频率统计结果

根据流域未来24h不同降雨量级实际发生的频次、频率统计结果可知，黄水河流域未来24h无降雨预报的准确率仅为65.1%，而在预报无降雨的情况下，出现小雨的频率在99%以上，也即当气象预报无降雨时黄水河流域出现中雨及以上量级降雨的概率不足1%。根据历史资料，当气象预报未来24h小雨时，发生中雨及以下量级降雨的频率至少97%，也就是流域气象站预报小雨但实际发生大雨及以上量级降雨的可能性很小。因大雨及以上量级降雨分布次数较少，故暂不进行其统计结果分析。

经过分析发现，黄水河流域无降雨和小雨量级下气象预报结果可以应用于王屋水库汛期限制水位动态控制，而中雨及以上量级降雨发布次数较少，故其统计分析结果暂不使用。

2.2 降雨量频率分布规律

为提升王屋水库汛期限制水位动态控制精度，还必须进行具体量级降雨预报水平下实际发生相应量级降雨频率的分布规律统计分析。根据表1的分析成果，流域未来24h不同降雨量级实际发生情况统计结果的空报率>漏报率，流域气象站降雨预报不同量级雨量发生的频次均呈偏态型分布，采用频率分析法针对所获取的黄水河流域2018-2020年6-10月日降雨资料，进行具体量级降雨情况下实际发生相应量级降雨概率的统计分析及统计参数的矩法估计[2]。黄水河流域未来24h无降雨和小雨量级降雨量适线后的发生频率如表2所示。

表2 黄水河流域未来24h无降雨和小雨量级预报实际降雨量频率分布情况统计

根据上表统计分析结果不难发现，在预报雨量级为小雨时，发生中雨和大雨的概率分别为8%和0.5%，而发生暴雨的概率仅为0.01%，此种情况下应当抬高汛期限制水位，确保防洪安全的基础上充分发挥王屋水库的蓄水效益。在预报雨量级为无降雨的情况下，流域发生中雨及以上量级降雨的概率较小，此种情况下应将王屋水库汛期限制水位控制在变动范围的上限位；预报雨量级为小雨时，流域发生大雨及以上量级降雨的概率较小，应将水库汛期限制水位控制在变动范围的中上位置。根据流域短期降雨预报精度以及降雨量频率分布规律，根据放大一个量级的降雨预报量进行水库汛期限制水位控制切实可行。

3 汛限水位动态控制

3.1 汛限水位控制范围

当前水库汛期防洪调度实践过程中，为确保下游防洪安全降低下泄流量提升库水位以及为实现兴利蓄水发电而提升汛期限制水位的常见做法均会导致水库防洪风险大大增加，为此，必须进行水库汛期限制水位控制范围的合理确定。文章在分析黄水河流域短期降雨预报可行性的基础上通过预泄能力约束法进行流域内王屋水库汛期限制水位动态控制范围的合理预估。王屋水库预泄能力受到渠首下游允许泄流量、预泄退水流量、预泄时间及流域来水等的约束[3]。水库渠首下游允许泄流量为45.6m3/s，根据王屋水库典型洪水退水过程所分析的入库流量最大值为40m3/s，洪水区间预报误差20%的情况下来水流量最大值为34m3/s，考虑到行洪安全取40m3/s；结合流域内短期降雨预报成果并将预报信息传递时间和预泄决策指令传达时间等扣除后的有效预见期取24h。综合分析可知，流域预泄水量应为3.27×108m3，在考虑汛期限制水位库容的基础上所对应水位应为73m，并以此为王屋水库汛期限制水位动态控制的上限。

不考虑降雨预报的水库汛期限制水位为73m，通过分析近年来流域设计典型洪水发现，在9月上中下旬流域内均会发生60mm及以上的降雨，导致流域下垫面基本处于饱和状态，同时，9月为后汛期，洪水发生频次高，退水流量较大，出于水库运行安全的考虑，应严格控制9月水库的汛期限制水位。综上分析，王屋水库汛期限制水位动态控制范围应为73m-74.68m，9月汛期限制水位仍采用原设计水位。

3.2 汛限水位动态控制方法

文章主要利用流域短期降雨预报增加预见期，并根据水库汛期限制水位允许控制范围，结合降雨预报信息及水库泄流能力等采取预蓄预泄法进行洪水入库前水库汛期限制水位降至不考虑降雨预报情况下水库运行及调洪过程的动态控制。结合流域短期降雨预报结果，若未来24h预计无降雨或小雨量级下，出现中雨及以上量级降雨的可能性非常小，所以应将预见期内汛期限制水位上调至74.68m；当未来24h预计有中雨及以上量级降雨时，应在预见期内提前泄洪并可快速将水位降至不考虑降雨预报的73m；并结合汛期典型洪水过程进行调洪控制，具体见表3。

表3 汛期设计洪水不同起调水位调洪结果统计

根据表中结果可知，借助流域短期降雨预报加强汛期限制水位控制过程中，最大调洪泄量和最高水位与不考虑降雨预报情况相比并未发生较大变化，保坝洪水调洪最高水位略高出不考虑降雨预报的情况，主要原因在于两种调洪结果具有两种不同的泄量，所以，汛期限制水位提升并不会造成调洪最高水位高出不考虑降雨预报水位。

4 结 论

通过文章对黄水河流域王屋水库汛期限制水位的动态控制分析表明，王屋水库汛期限制水位控制主要是利用流域短期降雨预报信息，在预计发生中雨及以上量级降雨之前实施预泄，并将库水位迅速降至不考虑降雨预报情况下的汛限水位，此后仍按照不考虑降雨预报情况下的调度原则调洪。如遇预报无降雨或小雨但实际发生中雨及以上量级降雨的漏报情况，水库并未提前泄洪，则应将汛期限制水位控制在74.68m，如在漏报的情况下加大泄量，则既能确保流域防洪安全，还能保证水库既有防洪标准，所以汛期限制水位的提升仍然安全。