基于降雨预报的太平水库汛限水位动态控制

张志燕

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

基于降雨预报的太平水库汛限水位动态控制

张志燕

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

太平水库调度方式单一，未能考虑短期降雨预报，导致汛期蓄不满水，汛后又无水可蓄的局面。在分析太平水库流域降雨预报精度分析的基础上，研究了降雨预报的可行性，确定出水库汛限水位动态控制的上下限，并对降雨预报的漏报进行了风险分析。结果表明，无雨及小雨预报是可利用的，在汛限水位动态控制域121.2～123.5m内，水库可以动态控制，且降雨预报发生漏报时，其风险率小于原设计校核标准风险率。

降雨预报；汛限水位；动态控制；风险分析；太平水库

1 引言

太平水库是一座以防洪为主，兼顾农业灌溉的小（一）型水库，位于吕梁市临县城庄镇太平村村口，湫水河中游太平沟沟口，控制流域面积40km2，水库总库容536万m3。目前水库主要存在两个问题，一是水库泥沙淤积量较大，蓄水量严重不足；二是水库汛限水位较低，且调度方式相对简单，基本上以坝前库水位为判定条件进行分级下泄，没有将短期降雨预报信息考虑在内。而山西省降雨基本集中在6—9月，这样就会导致水库汛期弃水，汛期过后水库蓄不满水，进而影响下一年度用水。近几年，随着降雨预报精度的提高，越来越多的水库将降雨预报信息应用到汛限水位的动态控制中。因此，有必要对太平水库流域降雨预报进行精度分析，并研究其可利用性，在保证水库及上下游防洪安全的前提下，使水库在汛期多蓄水，这对于太平水库具有较大的经济价值和实际意义。

2 流域降雨预报精度分析

2.1 未来24h降雨预报精度分析

为了与太平水库的汛期保持一致，本次选用吕梁市临县气象站2003—2007年4个月（6—9月）的未来24h降雨预报资料和相应的太平水库流域日降雨量资料（共计610d），利用统计学方法，根据降雨等级，分析临县气象站未来24h不同等级降雨预报的准确率、漏报率、空报率。

各级降雨预报准确率、漏报率和空报率的计算公式分别为：

式中：m——发布预报次数；

n——实际降雨值落在预报等级值域内的次数；

u——发布预报中漏报的次数。

根据式（1）、式（2）和式（3）进行分析计算，结果见表1。经表1分析结果表明：无雨预报的准确率为74.5%，且预报无雨时，发生中雨及以上量级降雨的概率仅为6.9%。表明无雨预报可以利用；小雨预报的准确率仅有25.5%，但当预报小雨时，发生无雨及小雨的概率为84.6%。因此小雨预报的成果也可利用。

2.2 各级降雨预报可能发生降雨的概率分布

2.2.1 配线法确定统计参数

表1 临县气象站24h降雨预报精度分析成果

由于中雨及以上量级的样本较小，仅对无雨和小雨进行配线，依据太平水库流域未来24h无雨和小雨预报所对应的实际流域平均降雨量资料，应用矩法公式计算统计参数x和Cv，取Cs/Cv=2并进行配线。

2.2.2 误差频率分析

由上述配线可知，无雨预报时，发生小雨以上的概率仅6.79%，且漏报发生0.1%频率的降雨量95.1mm小于水库下游10年一遇防洪标准所能抗御的降雨量124.1mm。小雨预报时，发生中雨以上的概率仅为5.39%，且漏报发生0.1%频率的降雨量119.2mm也小于水库下游10年一遇防洪标准所能抗御的降雨量124.1mm。结果表明，无雨及小雨预报在汛限水位动态控制中是可以利用的。

3 水库汛限水位动态控制方法

水库的前汛期为过渡期，主汛期的主要任务是防洪，后汛期则是兼顾防洪与兴利，因此，主要针对太平水库的后汛期进行汛限水位动态控制。

3.1 汛限水位下限值确定

为了保证防洪安全，将原汛限水位121.2m作为汛限水位动态控制的下限值。

3.2 汛限水位上限值确定

本次计算分别采用顺推法和预泄能力约束法来计算汛限水位的上限值。顺推法从原汛限水位起，设定若干个起调水位，在各起调水位下，分别对水库的设计洪水和校核洪水进行调洪演算，在调洪最高水位不超过水库设计洪水位和校核洪水位的约束下，确定后汛期的汛限水位。对于太平水库，从121.2m开始起调，确定后汛期汛限水位为123.5m，与正常蓄水位相同。

预泄能力约束法：首先确定降雨预报的有效预见期，然后根据水库的泄流能力，求出有效预见期内的最大泄水量。水库在原汛限水位所对应的库容上增加最大泄水量，这时，对应的水位即为水库汛限水位的上限值。对于太平水库，可利用的有效时间为24h时，扣除信息传递、决策以及闸门启闭时间等，从安全角度考虑，取有效预见期为8h。太平水库的下游安全泄量为80m3/s，求得预泄水量为230.4万m3，在原汛限水位121.2m所对应的库容1.19万m3上增加230.4万m3的库容，即231.59万m3。根据太平水库的水位—库容曲线得到其对应的水位为127.8m。但实际上水库的正常蓄水位为123.5m，因此，将预泄能力约束法确定的汛限水位的上限值定为123.5m。

综合以上两种方法，通过计算确定汛限水位的上限值为123.5m。

3.3 汛限水位动态控制方法及调度原则

根据上述分析，将预蓄预泄法运用于太平水库后汛期的调度原则是：当未来24h降雨预报为无雨或小雨时水库水位可保持在汛限水位动态控制的上限值123.5m；当未来24h降雨预报为中雨及以上量级的降雨时，应在有效预见期内，控制泄量不超过下游安全泄量80m3/s，迅速将水库水位降至汛限水位的下限值121.2m。

根据上述调度原则，以后汛期2%设计洪水和0.33%校核洪水为例，123.5m起调常规调度与预蓄预泄调度的调洪结果见表2。

表2 后汛期常规调度和预蓄预泄调度对比的调洪结果表

由表2可知，考虑短期降雨预报信息的调度方式，其调洪的最高水位稍有降低，最大泄量也略小于常规调度的最大泄量。因此，基于短期降雨预报信息对水库汛限水位进行动态控制是安全、可行的。

4 水库汛限水位动态控制的风险分析

若未来24h有中雨或中雨以上量级的降雨，而实际发生漏报，即预报未来24h有“无雨”或“小雨”，此时汛限水位不预泄仍保持在123.5m，而实际发生了中雨或中雨以上量级的降雨，因此，可能会对大坝正常运行构成一定威胁。

太平水库汛限水位动态控制的风险为未来24h预报“无雨”或“小雨”，而实际发生降雨在中雨及其量级以上的漏报条件下所能防御的洪水的频率。可利用下式计算，即：

式中：PZT（ZLd，Zm0）——假定降雨预报发生漏报条件下，发生原设计的校核标准洪水的频率；

PZ（ZL0，Zm0）——原设计标准的风险率（原设计标准下可抗御的洪水频率）；

PZ（ZLd，Zm0）——选定动态控制汛限水位ZLd值，依据现行设计理论计算的可抗御洪水的频率，PZ（ZL）= PWk{Zm（WPk，ZL）=ZA}=PZ（ZLd，Zm0）；

PP（X＞0）——无雨预报漏报的累计频率；

Zm0——调洪过程中允许达到的最高蓄水位。

当预报未来24h发生“无雨”或“小雨”，保持汛限水位在123.5m，对不同重现期的设计洪水在预报调度方式下进行调洪，调洪最高水位见表3。

表3 预蓄预泄方式下调洪结果

式（4）中：ZLd＝123.5m，Zm0＝127.9m，极限风险控制指标定为校核洪水位127.9m，利用调洪研究成果（表3）对其绘图内插，求得PZ（ZLd，Zm0）＝0.037%。

由表3可知：未来24h预报“无雨”而实际可能发生中雨及其量级以上的降雨的最大频率为6.80%，即PP（X＞10）＝6.80%；未来24h预报“小雨”而实际可能发生中雨及其量级的降雨的最大频率为13.51%，即PP（X＞10）＝13.51%。

根据式（4）及以上分析结果可知太平水库考虑降雨预报时汛限水位实时控制的风险：当未来24h预报“无雨”时，汛限水位实时控制的风险率为：PZ无雨T（ZLd，Zm0）=PP（X＞25.0）×PZ（ZLd，Zm0）＝6.80%×0.037%＝0.0025%。

当未来24h预报“小雨”时，汛限水位实时控制的风险率为：PZ小雨T（ZLd，Zm0）=PP（X＞25.0）×PZ（ZLd，Zm0）＝13.51%×0.037%＝0.0050%。

结果表明：若按照水库原设计校核水位127.9m为约束条件，汛限水位控制的上限为123.5m，当未来24h预报“无雨”时，汛限水位动态控制的风险率为0.0025%，当未来24h预报“小雨”时，汛限水位动态控制的风险率为0.0050%，其风险率均小于原设计校核标准的风险率0.33%。

5 结论

通过对太平水库流域24h降雨预报精度分析，证明基于未来24h无雨及小雨预报的汛限水位动态控制是可行的，经分析计算，得出汛限水位动态控制的范围是121.2～123.5m，据此提出了水库的调度原则，并分析在该调度原则下，降雨预报发生漏报的风险率，结果表明，“无雨”及“小雨”预报的风险率均小于原设计校核标准的风险率，这对于山西省其他中小型水库汛限水位动态控制具有一定的参考价值及实际意义。

TV697 ［

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张志燕（1978-），女，2005年毕业于太原理工大学土木工程专业，工程师。

2016-02-19；

2016-03-23