精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)在桃林口水庫防洪中應(yīng)用

高金燕，史 輝，梁 博

（河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島066400）

1 基本情況

桃林口水庫位于灤河主要支流青龍河上，是一座集城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼防洪和水力發(fā)電等綜合功能的大型水利樞紐工程，擔(dān)負著秦皇島市城市生活、工業(yè)、港口用水和灤河中下游地區(qū)農(nóng)田的灌溉任務(wù)。壩址至河源長210km，壩址以上控制流域面積5060km2，占灤河流域面積的20.4%，多年平均降雨量500～700mm，多年平均徑流量9.60億m3，總庫容8.59億m3，以多年調(diào)節(jié)方式運行。流域地處燕山山脈東段，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量年內(nèi)及年際變化較大，徑流年內(nèi)集中，年際變化懸殊。形成暴雨的天氣系統(tǒng)主要為西風(fēng)槽和切變兩種，暴雨一般發(fā)生在每年的7月下旬至8月上旬，降雨量占全年的80%，是形成大洪水的主要原因，由于暴雨歷時短、強度大及地面坡陡流急，一次洪水過程多表現(xiàn)為峰高量大，陡漲陡落的形式。

根據(jù)水庫下游防洪需要，2013年對水庫調(diào)度運用方式進行了調(diào)整，由不承擔(dān)防洪任務(wù)調(diào)整為承擔(dān)20年一遇及其以下標(biāo)準(zhǔn)洪水的防洪任務(wù)，主汛期將汛限水位143.4m調(diào)整為138.5m控制運用，防洪庫容2.04億m3，調(diào)洪庫容2.40億m3。

2 精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)

為了進步延長洪水預(yù)見期，為優(yōu)化水庫調(diào)度創(chuàng)造條件，桃林口水庫引入了針對上游流域的精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)。精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)，利用中尺度WRF模式及快速循環(huán)同化技術(shù)，在對比試驗的基礎(chǔ)上，選取了適合本地的積云過程、微物理過程和輻射過程的方案組合，以美國NECP（美國國家環(huán)境預(yù)報中心）的GFS全球預(yù)報資料作為背景場，提供預(yù)報時段0～48h的天氣形勢及多種物理量的精細預(yù)報。近些年來，隨著水庫水情信息采集站點設(shè)備的更新，精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)充分利用了水情遙測信息，并在此基礎(chǔ)上分析開發(fā)，采用先進的地圖發(fā)布平臺、XML技術(shù)、Flex開發(fā)技術(shù)和GIS圖表化表達技術(shù)，實現(xiàn)了實時水情信息與空間數(shù)據(jù)一體化存儲，并通過水情站與預(yù)警區(qū)域的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了水雨情信息的地理網(wǎng)格化區(qū)域預(yù)警，有效提高了水庫應(yīng)對暴雨洪水的能力，提高了洪水的預(yù)見期。

3 精細化系統(tǒng)的組成與功能

桃林口水庫精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)是在GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，系統(tǒng)由實時雨量數(shù)據(jù)提取、雨量預(yù)報數(shù)據(jù)傳輸、 面雨量水量計算和WEBGIS平臺顯示4部分組成。

3.1 實時雨量數(shù)據(jù)

用于提取各數(shù)據(jù)源的實時雨量，包括遙測雨量、氣象雨量等，將各數(shù)據(jù)源雨量進行插補，以最大限度地增加觀測密度。雨量預(yù)報數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將降雨預(yù)報數(shù)據(jù)（0～48h數(shù)值預(yù)報）從氣象部門傳輸?shù)剿畮旃芾砭值姆?wù)器中。

3.2 面雨量水量計算系統(tǒng)

能夠計算水庫流域整個地區(qū)或任意區(qū)域的實時面雨量和預(yù)報面雨量，并提供預(yù)警報警功能，當(dāng)某區(qū)域的實際降雨或預(yù)報降雨超過一定閾值，或者未來0～48h預(yù)測降雨超過一定閾值，均進行閃爍報警。

3.3 實時降雨預(yù)報

數(shù)據(jù)分為等值線圖、等值面圖、降水熱圖、面雨量分析列表4種表現(xiàn)方式，并對降水熱圖以動畫方式演示，體現(xiàn)降水過程的動態(tài)變化。

3.4 WEBGIS平臺顯示系統(tǒng)

用于在網(wǎng)頁上展示桃林口水庫流域電子地圖，并提供各種地圖操作和計算操作。整個網(wǎng)頁系統(tǒng)采用一個整體架構(gòu)模式，全部內(nèi)容放置在菜單面板上，每打開一個網(wǎng)頁，均會以標(biāo)簽的方式顯示在構(gòu)架之中，各個頁面可以進行快速切換。

4 系統(tǒng)運用

4.1 2018年“安比”“摩羯”臺風(fēng)暴雨洪水概況

2018年第10號臺風(fēng)“安比”和14號臺風(fēng)“摩羯”，以其異常罕見的路徑襲擊江浙滬地區(qū)之后，一路北上抵達山東，進而影響北方地區(qū)。受臺風(fēng)“安比”“摩羯”及北部高氣壓影響，桃林口水庫所在青龍河流域先后發(fā)生了2018年“7·24”“8·13”兩場強降雨，累計平均降雨量200.2mm，最大降雨量站龍王廟，降雨量338mm。對應(yīng)兩場強降雨，桃林口水庫相繼出現(xiàn)2018年1號洪水、2號洪水。降雨過程及特征如表1。

表1 臺風(fēng)降雨特征

4.2 2018年降水預(yù)報與實際降水對比分析

2018年7月22日，臺風(fēng)“安比”在上海市崇明島登陸后，根據(jù)氣象部門預(yù)報，河北省將出現(xiàn)一次大范圍強降水過程，中東部降水量可達暴雨到大暴雨，局地可能超過200mm。

2018年7月22日18：00，河北省防指啟動了防汛Ⅳ級應(yīng)急響應(yīng)，水庫利用衛(wèi)星云圖、雷達等多種網(wǎng)絡(luò)氣象信息手段，密切跟蹤臺風(fēng)路徑，研判降雨發(fā)展和落雨區(qū)域。2018年7月23日16：00，臺風(fēng)“安比”位于山東沂水縣境內(nèi)，中心氣壓990hPa，風(fēng)力8級，移速移向20km/h，北北西，水庫及時啟用精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)，預(yù)報顯示7月23日20：00至25日20：00，水庫流域普面降暴雨到大暴雨，預(yù)報流域平均降雨量136.5mm，預(yù)報結(jié)果如圖1（a），水庫流域降雨實際監(jiān)測平均降雨量133.4mm，監(jiān)測結(jié)果如圖1（b），對比看出，預(yù)報和實際在降雨量和降雨分布上接近，流域平均降雨量預(yù)報誤差為2.30%。

圖1 “7·23”預(yù)報降雨量與實際降雨量

2018年8月12日，臺風(fēng)“摩羯”在浙江溫嶺沿岸登陸后，根據(jù)氣象部門預(yù)報，8月13日到15日，承德南部、唐山、秦皇島和石家莊、滄州以南地區(qū)有大雨到暴雨，局地有大暴雨。13日16：00，臺風(fēng)“摩羯”位于安徽省壽縣境內(nèi)，中心氣壓995hPa，風(fēng)力8級，移速移向30km/h，北西，水庫運用精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)，預(yù)報顯示8月13日20：00至15日20：00，流域普面降大到暴雨，南部邊緣及起河支流有大暴雨，平均降雨量達100～150mm，預(yù)報結(jié)果如圖2（a），預(yù)報流域平均降雨量70.6mm，監(jiān)測結(jié)果如圖2（b），實際監(jiān)測流域平均降雨量62.8mm，對比看出，預(yù)報和實際在降雨量和降雨分布上較接近，流域平均降雨量預(yù)報誤差為12.8%。

圖2 “8·13”預(yù)報降雨量與實際降雨量

4.3 為水庫科學(xué)調(diào)度提供重要依據(jù)

“安比”強降雨導(dǎo)致桃林口水庫與下游分水樞紐區(qū)間來水?dāng)y帶泥沙，致使分水樞紐水體濁度較大，對城市供水產(chǎn)生影響，7月26日18：00，根據(jù)預(yù)報后期降雨情況，水庫緊急啟動一臺機組發(fā)電，流量29m3/s，提前預(yù)泄，起到對城市引水進行清水置換處理、提前騰出庫容、 為洪水消峰創(chuàng)造條件及增加發(fā)電效益等綜合作用。而后，根據(jù)“摩羯”殘余環(huán)流的發(fā)展變化，水庫分別于8月14日14：00、8月15日11：30將泄水流量加大到180，260m3/s；8月20日11：00將泄水流量減少到130m3/s，8月21日11：00庫水位穩(wěn)定在137.60m，入庫流量與出庫流量保持平衡，水庫關(guān)閉泄洪閘門，轉(zhuǎn)入正常供水調(diào)度。

本次洪水調(diào)度調(diào)洪最高蓄水位138.26m，距控制目標(biāo)水位138.50m低24cm，最大限度地發(fā)揮了水庫消峰攔洪的作用，1號洪水全部攔蓄庫內(nèi)，削峰100%；2號洪水入庫洪峰流量455m3/s削減至104.5m3/s，削峰77.03%。

精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)報，為水庫科學(xué)研判提供了有利條件，贏得了寶貴的時間，確保了水庫上、下游人民群眾的生命安全，將洪水災(zāi)害損失降至最低。

4.4 為水庫洪水災(zāi)害預(yù)警提供技術(shù)支持

（1）桃林口水庫精細化降雨預(yù)報系統(tǒng)不僅可作為獨立系統(tǒng)使用，還可為洪水預(yù)報系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的雨量輸入值，為水庫攔蓄與下泄提供及時準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

（2）通過防汛調(diào)度中的實際應(yīng)用，逐步完善本流域小尺度降雨數(shù)值預(yù)報的實用系統(tǒng)，對流域內(nèi)不同單位面積的降雨進行分布式的預(yù)報及監(jiān)測，從而滿足分布式水文模型建模應(yīng)用的數(shù)據(jù)要求。

5 結(jié)語

根據(jù)洪水預(yù)報結(jié)果，結(jié)合水庫蓄水、來水情況、退水預(yù)測及供水水質(zhì)等因素，提出下泄水量的調(diào)度建議，為河北省防指科學(xué)調(diào)度指揮提供科學(xué)依據(jù)。