梯級(jí)電站群優(yōu)化調(diào)度天氣預(yù)報(bào)利用研究

李福威，王本德

（1.國電電力和禹水電開發(fā)公司，遼寧 桓仁 117201；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

梯級(jí)電站群優(yōu)化調(diào)度天氣預(yù)報(bào)利用研究

李福威1，王本德2

（1.國電電力和禹水電開發(fā)公司，遼寧 桓仁 117201；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

渾江流域梯級(jí)電站群，多年來通過分析利用流域洪水預(yù)報(bào)、天氣預(yù)報(bào)等綜合信息，合理預(yù)蓄預(yù)泄，在確保防洪安全的前提下，提高電站的綜合利用效益。在洪水預(yù)報(bào)模型基本滿足要求的情況下，綜合信息的利用關(guān)鍵在于短期天氣預(yù)報(bào)信息可利用。對(duì)于渾江梯級(jí)電站，短期降雨預(yù)報(bào)主要在于依據(jù)信息可以提前預(yù)泄，在洪水退水期也可以及時(shí)攔蓄洪尾。

渾江梯級(jí)；桓仁水庫；綜合信息；降雨頻率

1 流域概況

渾江為鴨綠江右岸最大支流，發(fā)源于長白山系龍崗山脈的老嶺南麓，自北向南流經(jīng)吉林、遼寧兩省，在遼寧的寬甸縣渾江口村匯入鴨綠江。渾江全長 432km，流域面積為 15000km2。

該流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，多年平均降雨量為 876mm，汛期 6—9 月降雨量占全年總雨量的 70%以上，特大暴雨主要集中在 7，8 月份。降雨成因主要為氣團(tuán)交綏和氣壓系統(tǒng)影響所致，形成暴雨天氣系統(tǒng)計(jì)有鋒面、氣旋、切變線及臺(tái)風(fēng)四種。

渾江流域至上而下建有桓仁、西江、鳳鳴、回龍、太平哨、金哨、雙嶺等電站，其中只有位于龍頭的桓仁電站具有不完全年調(diào)節(jié)能力，其余均為日調(diào)節(jié)。

2 現(xiàn)代梯級(jí)水庫優(yōu)化調(diào)度發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代水文氣象觀測(cè)和水情測(cè)報(bào)技術(shù)的不斷提高的，水電站優(yōu)化調(diào)度，已從傳統(tǒng)的不計(jì)預(yù)報(bào)的優(yōu)化調(diào)度（即徑流描述為確定性或隨機(jī)性），或從僅考慮短期洪水預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度（不考慮降水預(yù)報(bào)信息），發(fā)展為考慮實(shí)時(shí)雨洪信息、長中短期天氣預(yù)報(bào)、洪水短期預(yù)報(bào)信息等綜合信息的預(yù)報(bào)優(yōu)化調(diào)度，這是水庫優(yōu)化調(diào)度研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)，也是發(fā)展趨勢(shì)。依據(jù)這些信息，水庫防洪與發(fā)電都增加了一定的預(yù)見期，可能及時(shí)預(yù)泄和預(yù)蓄，是提高水庫防洪安全與增加水電資源利用率的安全經(jīng)濟(jì)有效措施。

對(duì)渾江流域梯級(jí)水電站系統(tǒng)而言，應(yīng)用長、中、短期水文氣象預(yù)報(bào)信息等綜合信息，可逐步提高應(yīng)用水文氣象預(yù)報(bào)信息精度，又可增長預(yù)見期，依據(jù)的綜合信息預(yù)見期愈長，對(duì)水庫的調(diào)度越有利。實(shí)施水庫預(yù)報(bào)優(yōu)化調(diào)度，既可以利用洪峰過后攔蓄洪水尾部，抬高庫水位，增加不蓄電能量；又可以利用水文氣象預(yù)報(bào)信息提前預(yù)泄，增發(fā)庫蓄電能；也可在下次洪水起漲前將庫水位降到汛限水位下限，進(jìn)而提高防洪安全度。水庫預(yù)報(bào)優(yōu)化調(diào)度在增加發(fā)電量的同時(shí)，必須滿足的約束條件是，預(yù)報(bào)失誤后不能給上下游防洪帶來風(fēng)險(xiǎn)。

渾江梯級(jí)電站有不同于其他電站的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)上存在先天不足，下游回龍山電站機(jī)組全出力運(yùn)行時(shí)出庫流量小于上游桓仁電站流量。只要桓仁滿發(fā)，回龍山電站必將出現(xiàn)棄水。因此來水預(yù)見期愈長，電站調(diào)整運(yùn)行方式越及時(shí)，效益越顯著。

3 梯級(jí)電站群可利用的綜合信息

目前水庫調(diào)度的難題在于徑流預(yù)測(cè)，如何做好未來徑流描述，需要提高來水的預(yù)見期。預(yù)見期越長，對(duì)來水的預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率越高，那么梯級(jí)電站調(diào)整運(yùn)行方式越從容，提高效益越明顯。

3.1 渾江梯級(jí)電站群調(diào)度依據(jù)的綜合信息

渾江梯級(jí)水電站調(diào)度方式選擇依據(jù)的綜合信息主要指：

1）面臨時(shí)刻 t所處汛期的階段、設(shè)計(jì)約束的最高蓄水位及實(shí)際庫水位 Zt。

2）由實(shí)測(cè) 1～3d 降雨預(yù)報(bào)形成的 4～7d 洪水總量、峰與過程信息，其中降雨開始至入庫洪峰流量出現(xiàn)的時(shí)間，在 30～66h 之間，平均為 41h；主降雨與入庫洪峰流量之間的間隔為 12～48h 之間，平均為 24h。第 1～2d 漲水和第 3～7d 的退水量。

3）面臨時(shí)段退水流量（6h）4000～480m3/s，未來 7 ～10d 退水過程。

4） 通 化 市 氣 象 臺(tái) 預(yù) 報(bào)未 來 24h （A24）、48h（A48）、72h（A72）降雨 量級(jí) 信 息 。

5）桓仁水庫流域連續(xù)性暴雨的間隔規(guī)律與 10 d預(yù)見期。

6）流域蒸散發(fā)的消退規(guī)律。

7）桓仁、回龍、太平哨水庫泄流能力；調(diào)度專家及決策者汛限水位控制的經(jīng)驗(yàn)等。

渾江流域電站建有完善的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，暢通率、可用度滿足實(shí)用要求?；溉仕畮旌樗A(yù)報(bào)產(chǎn)流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)合格率為 85．7%，按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》規(guī)定，凈雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)精度為甲級(jí)。匯流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中，洪峰流量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)合格率為 94．9%，峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)檢驗(yàn)合格率為 89．7%，匯流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)項(xiàng)目合格率的算術(shù)平均值為 92．3%；匯流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)的確定性系數(shù)的算術(shù)平均值 DC 為 0．85，匯流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)精度也為甲級(jí)。

短期洪水預(yù)報(bào)方案可在實(shí)際洪水調(diào)度中應(yīng)用。洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期是雨水匯集到集水?dāng)嗝娴募鲿r(shí)間決定的，有效預(yù)見期有限。

因此文中重點(diǎn)研究天氣信息的可利用性。

4 短期天氣預(yù)報(bào)信息可利用性分析

渾江桓仁水庫以上流域面積 80%以上位于吉林省通化市境內(nèi)。桓仁電站管理部門和通化氣象臺(tái)簽訂有氣象服務(wù)合同。下面以通化氣象臺(tái)發(fā)布的1999—2005 年共 6 年汛期未來 24h 降水預(yù)報(bào)資料（共 854d）為樣本，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算未來 24h降水預(yù)報(bào)的確率、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率等特征指標(biāo)值。

4．1 降雨預(yù)報(bào)頻率統(tǒng)計(jì)

依據(jù)通化市氣象站 854d 資料，統(tǒng)計(jì)桓仁流域未來 24h五個(gè)等級(jí)降雨預(yù)報(bào)的實(shí)際發(fā)生量級(jí)的分布，確率、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率，其結(jié)果列入表 1。由表 1可知：

1）通化市氣象臺(tái)五個(gè)預(yù)報(bào)量級(jí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨量級(jí)經(jīng)驗(yàn)頻率分布屬于偏態(tài)型，除無雨量級(jí)預(yù)報(bào)以外，空?qǐng)?bào)率大于漏報(bào)率，即有“預(yù)報(bào)偏大”的傾向，這不能排斥預(yù)報(bào)員的心理因素影響，從防洪安全角度，6—9 月防汛期間預(yù)報(bào)偏大是可以理解。

表 1 通化市氣象臺(tái)未來 24h各級(jí)降雨預(yù)報(bào)精度分析表

2）未來 24h 無雨的預(yù)報(bào)樣本 352 次，無雨預(yù)報(bào)的確率為 95．2%，漏報(bào)率為 4．8%，無雨預(yù)報(bào)發(fā)生中雨以上的頻率僅為 0．9%，無雨預(yù)報(bào)結(jié)果可利用。

3）未來 24h 小雨的預(yù)報(bào)樣本 402 次，小雨預(yù)報(bào)的確率為 27．4%，空?qǐng)?bào)率為 54．2%，漏報(bào)率為18．4%，即發(fā)生小雨及以下量級(jí)的概率較大，為81．6%，小雨預(yù)報(bào)結(jié)果也可利用。

4）就目前提供的資料看，中雨以上量級(jí)的發(fā)布次數(shù)為 100 次，其統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果僅供參考。

從氣象部門的降雨預(yù)報(bào)水平看，預(yù)報(bào)無雨（或小雨），漏報(bào)可能發(fā)生大暴雨（100．1～200mm）的頻率極小。另外，1954—2004 年近 50 年間實(shí)際大到暴雨日，發(fā)生流域日降水量超過 100mm 的只有兩次，一次是 1995 年 7 月 29 日 101．3mm，一次是1960 年 8 月 03 日 101．8mm，而桓仁水庫可抗御能力較大。因此利用通化市氣象臺(tái)對(duì)桓仁流域未來 24h降雨預(yù)報(bào)的信息是安全可行的。

因大雨以上量級(jí)預(yù)報(bào)次數(shù)較少，所以暫不單獨(dú)作頻率分析。表 2 列出 1999—2005 年大到暴雨預(yù)報(bào)與降雨量實(shí)況比較情況，正確次數(shù) 10 次占 71．4%。

4．2 未來 24h 無雨和小雨預(yù)報(bào)實(shí)際降水量的頻率分布規(guī)律

桓仁流域未來 24h，無雨和小雨預(yù)報(bào)的實(shí)際發(fā)生降水量的 P-III 型統(tǒng)計(jì)參數(shù)及頻率分布見表2和表 3。

表 2 桓仁流域未來 24h無雨和小雨預(yù)報(bào)實(shí)際降水量分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)表

表 3 桓仁流域未來24h無雨和小雨預(yù)報(bào)實(shí)際降水量頻率分布表

從上面分析可以看到，無雨預(yù)報(bào)，發(fā)生漏報(bào)，萬年一遇頻率為 40．3mm 每秒，小雨預(yù)報(bào)發(fā)生萬年一遇頻率為 85．7mm。這只是從理論計(jì)算得出結(jié)果，從實(shí)際預(yù)報(bào)結(jié)果看，在近年實(shí)際預(yù)報(bào)中，24 h 預(yù)報(bào)無雨，最大出現(xiàn)降雨不超過 10mm，而且多為局部性陣雨，這在渾江流域 10400km2范圍內(nèi)是可能出現(xiàn)的對(duì)流行天氣，而且有些流域不在通化氣象臺(tái)預(yù)報(bào)范圍之內(nèi)。通過上述分析，可以得出結(jié)論：通化氣象臺(tái) 24h 天氣預(yù)報(bào)信息可以利用。

5 實(shí)際應(yīng)用情況檢驗(yàn)

下面以 2005 年一場(chǎng)洪水為例，探討短期天氣預(yù)報(bào)信息的具體應(yīng)用，說明其應(yīng)用綜合信息過程及其效益。

5．12005 年 8 月 17 日洪水實(shí)時(shí)信息分析

1）預(yù)報(bào)信息。17 日早 10∶00 通化市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)未來 24h 渾江流域有暴雨；14∶00 再次預(yù)報(bào)晚間有暴雨，降雨量大于 60mm。

2）實(shí)際降雨信息。17 日 20∶00 時(shí)受副高后部切變影響渾江流域開始降雨，24h 桓仁水庫流域平均降雨量 59．3mm（19 個(gè)雨量站算術(shù)平均，通化單站降雨 80mm）。說明通化市氣象臺(tái)的降雨量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。

3）水情。由于流域在 8 月 12 日發(fā)生一次超過90mm 的暴雨過程，17 日處于上次洪水的退水階段。當(dāng)時(shí)入庫流量 750m3/s，庫水位 301．08m；實(shí)際 6h 洪峰 2670m3/s，發(fā)生在 8 月 19 日 14 時(shí)。最高水位 22 日 20 時(shí)，水位 302．19m；最大泄流量1680m3/s。

4）面臨時(shí)刻 8 月 20 日 20 時(shí)，庫水位為 301．19 m，入庫流量 911m3/s。已經(jīng)進(jìn)入后汛一期。

5）當(dāng)日通化市氣象臺(tái)發(fā)布降雨預(yù)報(bào)信息：未來120h 沒有降雨發(fā)生，尤其是 24h、48h 內(nèi)均為晴好天氣。

5．2 原規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)度方案

不考慮降雨預(yù)報(bào)，水庫繼續(xù)開啟高孔泄洪，保持后汛一期水位不變，同時(shí)機(jī)組進(jìn)行滿發(fā)，機(jī)組加閘門泄量等于此時(shí)入庫流量，到 22 日 8 時(shí)，此時(shí)入庫流量 480m3/s，等于機(jī)組滿發(fā)流量，水位為 301m。

5．3 考慮綜合信息的實(shí)際調(diào)度方案

由于考慮未來降雨預(yù)報(bào)信息，在 8 月 20 日 8 時(shí)將高孔閘門關(guān)閉，當(dāng)時(shí)水位 301．99m，入庫流量大于出庫流量，水位在 22 日 14 時(shí)上漲到 302．19m。

在桓仁水庫閘門關(guān)閉后，桓仁水庫保持大發(fā)到 8 月 27 日，水庫水位 301．17m，運(yùn)行方式調(diào)整為回龍山電站滿發(fā)，桓仁水庫進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)?；佚埳诫娬颈３譂M發(fā)到8月末。

5．4 增加效益計(jì)算

對(duì)于 8月 17日的降雨，由于處于后汛一期，在 22 日 14 時(shí)水庫水位 302．19m 關(guān)閉閘門。這次過程桓仁水庫比后汛一期控制水位 301m 多蓄水1．08 億 m3，由于在桓仁水庫關(guān)閉閘門后桓仁機(jī)組一直處于滿發(fā)狀態(tài)，回龍電站處于棄水階段，因此桓仁水庫多蓄水量只能應(yīng)用于桓仁、太平哨兩電站發(fā)電，其間桓仁電站多發(fā)電為：1479 萬 kW·h，太平哨站為 939 萬 kW·h，按當(dāng)時(shí)上網(wǎng)電價(jià) 0．337元計(jì)算，增加電站管理部門效益 814．8 萬元。

6 初步結(jié)論

從上面分析可見，如能充分利用短期天氣預(yù)報(bào)信息，則可增加 24h 預(yù)見期。桓仁水庫泄洪能力較大，下游安全泄量為 4000m3/s。如提前 24h預(yù)泄，按比較保險(xiǎn) 3000m3/s下泄（通過近年泄洪情況，河道多次經(jīng)受 5000m3/s泄流量考研，沒有出現(xiàn)任何問題），24h 可泄洪 2．59 億 m3，桓仁水庫在正常高水位到閘門頂，有 3.1 億 m3防洪庫容可以利用，也就是說可多蓄水 2.59 億 m3/s，在下次降雨來臨前，通過發(fā)電方式消落水庫水位，回到正常汛限水位之內(nèi)。

今后的研究中，還應(yīng)進(jìn)一步分析中長期天氣預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析，以便更長期準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)來水，及時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式，合理預(yù)蓄預(yù)泄，獲得更大效益。

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