石泉水庫天氣預(yù)報調(diào)度模型研究

劉基興，吳相倫

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉，725200）

1 天氣預(yù)報調(diào)度模型的背景

石泉水電站位于漢江上游陜西省石泉縣城西1 km峽谷出口處，是漢江上游最早建設(shè)的一座大Ⅱ型電站，是以發(fā)電為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的水利工程。壩址控制流域面積23400 km2，水庫正常蓄水位410.00 m時，庫容4.7億m（32011年3月實測庫容為2.738億m3），為季調(diào)節(jié)水庫；死水位400.00 m，汛期限制水位405.00 m，設(shè)計洪水位410.29 m，校核洪水位415.12 m。攔河壩為混凝土重力壩，最大壩高65.00 m，壩頂高程416.00 m，防浪墻頂高程416.62 m，壩頂長度353.00 m，壩頂寬16.00 m。工程于1971年開工，1973年12月蓄水，同年年底首臺機組發(fā)電，1975年工程完工，主廠房為壩后式（1號主廠房），位于左岸，裝有3×45 MW的混流式水輪發(fā)電機組，設(shè)計多年平均發(fā)電量6.34億kW·h。1998年水電站擴機，在左岸壩前建進水口，繞左壩肩開挖引水洞至壩下游尾水，在岸邊建發(fā)電廠房（2號主廠房），裝機容量2×45 MW，2001年11月擴機工程全部投產(chǎn)。電站兩廠房共5臺機組，總裝機容量225 MW。大壩原設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期100年設(shè)計，重現(xiàn)期500年校核；首次定檢后進行補強加固，1991年經(jīng)原能源部批復(fù)，大壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期1000年。

2013年石泉水庫為了最大化利用調(diào)節(jié)庫容，使水庫運行達到精細(xì)化，避免盲目降水位后耗水率增大造成發(fā)電量損失或降水位不及時造成不必要的棄水，實現(xiàn)洪水資源化，探索建立了天氣預(yù)報調(diào)度模型，根據(jù)天氣預(yù)報量級分階段控制水庫水位，分析天氣預(yù)報與降雨量的關(guān)系，建立天氣預(yù)報與降雨量的量化關(guān)系。分析了2000-2012年石泉流域洪水資料，建立了降雨量與洪水總量的關(guān)系。利用天氣預(yù)報對水庫進行洪水調(diào)度，延長了洪水預(yù)報的預(yù)見期，提前發(fā)電騰庫及增加了防洪庫容，又產(chǎn)生了發(fā)電效益。

2 天氣預(yù)報分析

根據(jù)近3年的陜西省氣象臺7天滾動天氣預(yù)報和石泉水庫流域歷史降雨資料，分析天氣預(yù)報與降雨的關(guān)系，建立天氣預(yù)報與降雨量的計算模型。

（1）天氣預(yù)報及降雨資料分析：選用2010-2012年21場洪水1064 d的天氣預(yù)報和降雨資料，總結(jié)出了石泉流域天氣預(yù)報種類78種。

（2）建立天氣預(yù)報與降雨量模型。

（3）場降雨量計算：輸入陜西省氣象臺7日滾動天氣預(yù)報，通過天氣預(yù)報與降雨量模型，可自動查詢石泉流域逐日降雨量（有天氣數(shù)值的可以直接使用）。

（4）累計7日降雨量，得到一場可能產(chǎn)生洪水的累計降雨量（最大、最小、平均值）。

3 流域產(chǎn)流分析

流域產(chǎn)流是田間持水量（前期影響）和降雨量的共同產(chǎn)物。前期影響大、降雨量少也可能發(fā)生洪水，因此分析石泉水庫2000-2012年共發(fā)生63場洪水。由于歷史原因，部分洪水前期影響值無法得到，根據(jù)現(xiàn)有的42場洪水建立降雨與洪水總量的關(guān)系，詳見圖1（降雨量+前期影響-徑流深的關(guān)系圖）。經(jīng)過計算，相關(guān)系數(shù)達0.7879，說明模型的降雨量與徑流深的相關(guān)關(guān)系較好。

圖1 降雨量+前期影響（Pa+P）-徑流深（R）相關(guān)關(guān)系圖Fig.1 Relation between rainfall(Pa)+effect of antecedent con?dition(P)and runoff depth(R)

4 目標(biāo)水位的確定

洪水精細(xì)化調(diào)度的關(guān)鍵是確定目標(biāo)水位，根據(jù)石泉水庫洪水特性（圖2：庫容曲線），結(jié)合歷年洪水調(diào)度資料（表2：歷史洪水與降雨量關(guān)系表），在安全的前提下按照發(fā)電效益最大化原則，制定消落水位。

通過洪水資料分析：

（1）石泉流域降雨量小于25 mm形成的洪水，對水庫調(diào)度不會產(chǎn)生影響。

（2）當(dāng)石泉流域降雨量加前期影響小于50 mm，一般洪峰流量小于1000 m3/s，洪水總量小于1.15億m3，在洪水發(fā)生時調(diào)整機組運行方式，5臺機滿發(fā)，后期攔蓄水量2000萬m3左右，可根據(jù)精細(xì)化調(diào)度要求結(jié)合水庫運行實況，合理控制消落水位。

圖2 庫容曲線Fig.2 Curve of reservoir capacity

（3）當(dāng)石泉流域降雨量加前期影響在50～70 mm，洪峰流量在1000～1500 m3/s，洪水總量在1.15～2.5億m3，后期攔蓄水量3000萬m3左右，主汛期洪前水位控制在402 m，次汛期洪前根據(jù)最終回蓄目標(biāo)水位靈活調(diào)整洪前庫水位，但最高控制水位不高于408m。

（4）當(dāng)石泉流域降雨量加前期影響在70～100 mm，洪峰流量在1500～2500 m3/s，洪水總量在2.5～4.5億m3，攔蓄水量1.15億m3左右，主汛期洪前將水位降至394 m左右，保持5臺機組滿發(fā)，回蓄水位在405 m左右；次汛期將庫水位降至399.00 m運行，保持5臺機組滿發(fā)，回蓄水位在407 m左右。

當(dāng)石泉流域降雨量加前期影響在100 mm以上時，洪峰流量將大于2500 m3/s，洪水總量4.5億m3以上，洪前將庫水位降至394.00 m運行，保持5臺機組滿發(fā)，后期按照動態(tài)水位控制原則進行合理調(diào)蓄。次汛期按照410 m回蓄；主汛期根據(jù)洪水后期天氣預(yù)報情況，以洪水間歇期的長短決定后期回蓄水位（洪水間歇期是前一場洪水結(jié)束至下一場洪水的發(fā)生時間）。

預(yù)報洪水間歇期大于5 d時，庫水位可超蓄到408 m。

預(yù)報洪水間歇期大于4 d時，庫水位可超蓄到407 m。

預(yù)報洪水間歇期大于3 d時，庫水位可超蓄到406 m。

預(yù)報洪水間歇期在2 d及以下時，不實施水庫水位動態(tài)控制運用。

根據(jù)2000-2012年63場洪水及降雨預(yù)報資料，分析場降雨量與洪水總量、洪峰流量的關(guān)系。確定預(yù)報降雨量和目標(biāo)水位控制（見表1）。

表1 預(yù)報降雨量和目標(biāo)水位控制表Table 1 Statistics of rainfall forecast and target water level control

5 建立天氣預(yù)報調(diào)度模型

本調(diào)度模型是依據(jù)歷年每場洪水的天氣預(yù)報、降雨量、洪水總量及洪峰流量的資料，分析建立具有地域特性的預(yù)報調(diào)度模型，來指導(dǎo)今后的洪水調(diào)度。具體如下：

（1）分析天氣預(yù)報與流域歷史降雨量資料，建立天氣預(yù)報與天降雨量計算模型，在遇到相同預(yù)報情況下，直接計算出相應(yīng)的降雨量。

（2）分析降雨量與徑流總量、洪峰流量的規(guī)律，建立了流域的土壤含水量加降雨量與流域徑流總量相關(guān)關(guān)系。

（3）根據(jù)歷史資料分析不同洪水總量下，水庫提前需要的消落深度。

（4）根據(jù)水庫的消落深度和后期天氣預(yù)報，制定科學(xué)合理的調(diào)度方案。

圖3 天氣預(yù)報調(diào)度模型流程示意圖Fig.3 Flow chart of the regulation model based on weather forecast

具體方案可分為三個部分。

洪前即洪水前期。對于具有調(diào)節(jié)庫容的水庫，若能在洪前預(yù)留部分庫容，既有利于發(fā)電，又能滿足防洪要求，一舉兩得。特別是在洪前騰庫時，需要騰庫多少最有利往往是調(diào)度員需要決定的重要步驟。在本模型中，可依據(jù)前期7天的天氣預(yù)報，估算出大概的水量，再結(jié)合預(yù)報的降水過程，有計劃地騰庫，力爭在主降雨時段來臨時，將庫水位控制在預(yù)定的范圍之內(nèi)。

洪中即洪水實施調(diào)節(jié)過程。在這個時段，往往因洪峰未知或后期預(yù)報不明朗，不敢盲目抬高庫水位，造成機組出力受到限制或后期來水不足，蓄不到合理的目標(biāo)水位，造成了水資源的浪費。

圖4 天氣預(yù)報調(diào)度模型操作流程Fig.4 Operation of the regulation model based on weather fore?cast

洪后蓄水階段。由于在洪中為洪后做好了前期準(zhǔn)備工作，后期蓄水結(jié)合天氣預(yù)報及目標(biāo)蓄水位。主汛期按照動態(tài)控制運用原則回蓄，次汛期一

般不受汛限水位限制，可回蓄至410 m，但也要考慮后期天氣預(yù)報情況。

表2 歷史洪水與降雨量關(guān)系表Table 2 Relation between historical flood and rainfall

（5）洪前根據(jù)模型確定的目標(biāo)水位，結(jié)合水庫當(dāng)時實際情況（當(dāng)時入庫流量、機組工況、線路輸送情況等）確定機組運行情況，基本分為三種情況。

不騰庫情況：根據(jù)天氣預(yù)報，若場降雨量小于25 mm，或者降雨量加前期影響小于50 mm，在洪水發(fā)生時調(diào)整機組運行方式，5臺機滿發(fā)，可以根據(jù)精細(xì)化調(diào)度的要求結(jié)合水庫運行實況，合理控制目標(biāo)水位。

部分騰庫情況：根據(jù)天氣預(yù)報，降雨量加前期影響在50～100 mm，洪前將庫水位降至394.00～402 m不等，根據(jù)騰庫不同的庫容差和騰庫時間，計算總發(fā)電量，根據(jù)最優(yōu)原則分配到日。

騰空庫容：當(dāng)石泉流域降雨量加前期影響在100 mm以上時，洪前將庫水位降至394.00 m運行，根據(jù)騰庫的庫容差和騰庫時間確定發(fā)電量，根據(jù)實際情況分配到日。

6 模型的延展性及存在問題

模型解決了水庫調(diào)度中消落的時機及消落深度問題，明確了可調(diào)節(jié)水庫調(diào)度策略。隨著數(shù)值天氣預(yù)報的尺度、精度的提高，與水文預(yù)報的耦合度提高，必將發(fā)揮更大的作用，對日調(diào)節(jié)水庫和多年調(diào)節(jié)水庫具有一定的參考作用。

由于模型是建立在天氣預(yù)報的基礎(chǔ)上，受天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性和預(yù)見期影響，預(yù)報的場降雨只能解決水庫的調(diào)度策略，不能用于洪水調(diào)度，洪水調(diào)度必須遵循不同水庫調(diào)度原則。一般的滾動預(yù)報有7天，對有梅雨和秋淋的地區(qū)需要增加水庫消落深度。對日調(diào)節(jié)水庫和多年調(diào)節(jié)水庫，需要通過流域資料分析，制定不同的消落深度及回蓄水位?！?/p>