石泉水库天气预报调度模型研究

刘基兴，吴相伦

（大唐石泉水力发电厂，陕西石泉，725200）

1 天气预报调度模型的背景

石泉水电站位于汉江上游陕西省石泉县城西1 km峡谷出口处，是汉江上游最早建设的一座大Ⅱ型电站，是以发电为主，兼有灌溉、养殖等综合效益的水利工程。坝址控制流域面积23400 km2，水库正常蓄水位410.00 m时，库容4.7亿m（32011年3月实测库容为2.738亿m3），为季调节水库；死水位400.00 m，汛期限制水位405.00 m，设计洪水位410.29 m，校核洪水位415.12 m。拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高65.00 m，坝顶高程416.00 m，防浪墙顶高程416.62 m，坝顶长度353.00 m，坝顶宽16.00 m。工程于1971年开工，1973年12月蓄水，同年年底首台机组发电，1975年工程完工，主厂房为坝后式（1号主厂房），位于左岸，装有3×45 MW的混流式水轮发电机组，设计多年平均发电量6.34亿kW·h。1998年水电站扩机，在左岸坝前建进水口，绕左坝肩开挖引水洞至坝下游尾水，在岸边建发电厂房（2号主厂房），装机容量2×45 MW，2001年11月扩机工程全部投产。电站两厂房共5台机组，总装机容量225 MW。大坝原设计洪水标准为重现期100年设计，重现期500年校核；首次定检后进行补强加固，1991年经原能源部批复，大坝校核洪水标准为重现期1000年。

2013年石泉水库为了最大化利用调节库容，使水库运行达到精细化，避免盲目降水位后耗水率增大造成发电量损失或降水位不及时造成不必要的弃水，实现洪水资源化，探索建立了天气预报调度模型，根据天气预报量级分阶段控制水库水位，分析天气预报与降雨量的关系，建立天气预报与降雨量的量化关系。分析了2000-2012年石泉流域洪水资料，建立了降雨量与洪水总量的关系。利用天气预报对水库进行洪水调度，延长了洪水预报的预见期，提前发电腾库及增加了防洪库容，又产生了发电效益。

2 天气预报分析

根据近3年的陕西省气象台7天滚动天气预报和石泉水库流域历史降雨资料，分析天气预报与降雨的关系，建立天气预报与降雨量的计算模型。

（1）天气预报及降雨资料分析：选用2010-2012年21场洪水1064 d的天气预报和降雨资料，总结出了石泉流域天气预报种类78种。

（2）建立天气预报与降雨量模型。

（3）场降雨量计算：输入陕西省气象台7日滚动天气预报，通过天气预报与降雨量模型，可自动查询石泉流域逐日降雨量（有天气数值的可以直接使用）。

（4）累计7日降雨量，得到一场可能产生洪水的累计降雨量（最大、最小、平均值）。

3 流域产流分析

流域产流是田间持水量（前期影响）和降雨量的共同产物。前期影响大、降雨量少也可能发生洪水，因此分析石泉水库2000-2012年共发生63场洪水。由于历史原因，部分洪水前期影响值无法得到，根据现有的42场洪水建立降雨与洪水总量的关系，详见图1（降雨量+前期影响-径流深的关系图）。经过计算，相关系数达0.7879，说明模型的降雨量与径流深的相关关系较好。

图1 降雨量+前期影响（Pa+P）-径流深（R）相关关系图Fig.1 Relation between rainfall(Pa)+effect of antecedent con⁃dition(P)and runoff depth(R)

4 目标水位的确定

洪水精细化调度的关键是确定目标水位，根据石泉水库洪水特性（图2：库容曲线），结合历年洪水调度资料（表2：历史洪水与降雨量关系表），在安全的前提下按照发电效益最大化原则，制定消落水位。

通过洪水资料分析：

（1）石泉流域降雨量小于25 mm形成的洪水，对水库调度不会产生影响。

（2）当石泉流域降雨量加前期影响小于50 mm，一般洪峰流量小于1000 m3/s，洪水总量小于1.15亿m3，在洪水发生时调整机组运行方式，5台机满发，后期拦蓄水量2000万m3左右，可根据精细化调度要求结合水库运行实况，合理控制消落水位。

图2 库容曲线Fig.2 Curve of reservoir capacity

（3）当石泉流域降雨量加前期影响在50～70 mm，洪峰流量在1000～1500 m3/s，洪水总量在1.15～2.5亿m3，后期拦蓄水量3000万m3左右，主汛期洪前水位控制在402 m，次汛期洪前根据最终回蓄目标水位灵活调整洪前库水位，但最高控制水位不高于408m。

（4）当石泉流域降雨量加前期影响在70～100 mm，洪峰流量在1500～2500 m3/s，洪水总量在2.5～4.5亿m3，拦蓄水量1.15亿m3左右，主汛期洪前将水位降至394 m左右，保持5台机组满发，回蓄水位在405 m左右；次汛期将库水位降至399.00 m运行，保持5台机组满发，回蓄水位在407 m左右。

当石泉流域降雨量加前期影响在100 mm以上时，洪峰流量将大于2500 m3/s，洪水总量4.5亿m3以上，洪前将库水位降至394.00 m运行，保持5台机组满发，后期按照动态水位控制原则进行合理调蓄。次汛期按照410 m回蓄；主汛期根据洪水后期天气预报情况，以洪水间歇期的长短决定后期回蓄水位（洪水间歇期是前一场洪水结束至下一场洪水的发生时间）。

预报洪水间歇期大于5 d时，库水位可超蓄到408 m。

预报洪水间歇期大于4 d时，库水位可超蓄到407 m。

预报洪水间歇期大于3 d时，库水位可超蓄到406 m。

预报洪水间歇期在2 d及以下时，不实施水库水位动态控制运用。

根据2000-2012年63场洪水及降雨预报资料，分析场降雨量与洪水总量、洪峰流量的关系。确定预报降雨量和目标水位控制（见表1）。

表1 预报降雨量和目标水位控制表Table 1 Statistics of rainfall forecast and target water level control

5 建立天气预报调度模型

本调度模型是依据历年每场洪水的天气预报、降雨量、洪水总量及洪峰流量的资料，分析建立具有地域特性的预报调度模型，来指导今后的洪水调度。具体如下：

（1）分析天气预报与流域历史降雨量资料，建立天气预报与天降雨量计算模型，在遇到相同预报情况下，直接计算出相应的降雨量。

（2）分析降雨量与径流总量、洪峰流量的规律，建立了流域的土壤含水量加降雨量与流域径流总量相关关系。

（3）根据历史资料分析不同洪水总量下，水库提前需要的消落深度。

（4）根据水库的消落深度和后期天气预报，制定科学合理的调度方案。

图3 天气预报调度模型流程示意图Fig.3 Flow chart of the regulation model based on weather forecast

具体方案可分为三个部分。

洪前即洪水前期。对于具有调节库容的水库，若能在洪前预留部分库容，既有利于发电，又能满足防洪要求，一举两得。特别是在洪前腾库时，需要腾库多少最有利往往是调度员需要决定的重要步骤。在本模型中，可依据前期7天的天气预报，估算出大概的水量，再结合预报的降水过程，有计划地腾库，力争在主降雨时段来临时，将库水位控制在预定的范围之内。

洪中即洪水实施调节过程。在这个时段，往往因洪峰未知或后期预报不明朗，不敢盲目抬高库水位，造成机组出力受到限制或后期来水不足，蓄不到合理的目标水位，造成了水资源的浪费。

图4 天气预报调度模型操作流程Fig.4 Operation of the regulation model based on weather fore⁃cast

洪后蓄水阶段。由于在洪中为洪后做好了前期准备工作，后期蓄水结合天气预报及目标蓄水位。主汛期按照动态控制运用原则回蓄，次汛期一

般不受汛限水位限制，可回蓄至410 m，但也要考虑后期天气预报情况。

表2 历史洪水与降雨量关系表Table 2 Relation between historical flood and rainfall

（5）洪前根据模型确定的目标水位，结合水库当时实际情况（当时入库流量、机组工况、线路输送情况等）确定机组运行情况，基本分为三种情况。

不腾库情况：根据天气预报，若场降雨量小于25 mm，或者降雨量加前期影响小于50 mm，在洪水发生时调整机组运行方式，5台机满发，可以根据精细化调度的要求结合水库运行实况，合理控制目标水位。

部分腾库情况：根据天气预报，降雨量加前期影响在50～100 mm，洪前将库水位降至394.00～402 m不等，根据腾库不同的库容差和腾库时间，计算总发电量，根据最优原则分配到日。

腾空库容：当石泉流域降雨量加前期影响在100 mm以上时，洪前将库水位降至394.00 m运行，根据腾库的库容差和腾库时间确定发电量，根据实际情况分配到日。

6 模型的延展性及存在问题

模型解决了水库调度中消落的时机及消落深度问题，明确了可调节水库调度策略。随着数值天气预报的尺度、精度的提高，与水文预报的耦合度提高，必将发挥更大的作用，对日调节水库和多年调节水库具有一定的参考作用。

由于模型是建立在天气预报的基础上，受天气预报的准确性和预见期影响，预报的场降雨只能解决水库的调度策略，不能用于洪水调度，洪水调度必须遵循不同水库调度原则。一般的滚动预报有7天，对有梅雨和秋淋的地区需要增加水库消落深度。对日调节水库和多年调节水库，需要通过流域资料分析，制定不同的消落深度及回蓄水位。■