淺談半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法措施

姚德民 李秋爽

摘要：水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度是指根據(jù)洪水預(yù)報(bào)模型、經(jīng)過(guò)審核的水庫(kù)防洪應(yīng)急預(yù)案對(duì)水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水量進(jìn)行調(diào)度，確保水庫(kù)的安全。水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度管轄到水庫(kù)所在區(qū)域的人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此應(yīng)該引起重視。本文以半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單介紹了半城子水庫(kù)情況，并建立了防洪預(yù)報(bào)調(diào)度模型來(lái)更好地預(yù)測(cè)洪水的破壞程度和發(fā)生概率，以便于做好應(yīng)急措施來(lái)將洪水產(chǎn)生的破壞將至最低，最后分析了半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法存在的問(wèn)題及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：半城子水庫(kù);防洪預(yù)報(bào)調(diào)度;防洪預(yù)報(bào)模型

前言

大中型水庫(kù)是防洪減災(zāi)的重要工程，水庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)水資源的時(shí)空調(diào)度，優(yōu)化水資源配置，提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，并降低洪澇災(zāi)害的破壞程度，保護(hù)當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全。洪水預(yù)報(bào)調(diào)度是水庫(kù)防洪搶險(xiǎn)工作的重要內(nèi)容，洪水預(yù)報(bào)直接影響著水庫(kù)防洪搶險(xiǎn)的順利開(kāi)展、水資源利用效率和防洪調(diào)度的質(zhì)量，并且在水庫(kù)攔洪曉峰、滯洪錯(cuò)峰等方面都有著重要作用。本文以半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單介紹了半城子水庫(kù)情況，并建立了防洪預(yù)報(bào)調(diào)度模型來(lái)更好地預(yù)測(cè)洪水的破壞程度和發(fā)生概率。

1.半城子水庫(kù)概況

半城子水庫(kù)位于北京密云縣北部山區(qū)，始建于1975年11月份，竣工預(yù)次年7月份。半城子水庫(kù)總?cè)萘繛?020萬(wàn)m3，其中防洪庫(kù)容為688萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為701萬(wàn)m3，該水庫(kù)的主體結(jié)構(gòu)為：壩體、溢洪道、輸水洞、電站等。水庫(kù)大壩主體結(jié)構(gòu)由瀝青混凝土澆筑而成，壩頂高262.00m，溢洪道采用實(shí)用堰型，堰頂高253.00m，最大泄洪量為703m3/s。半城子水庫(kù)近些年因局部強(qiáng)降水增多，使得庫(kù)區(qū)內(nèi)的水量比上游水量增多，上游大多是小雨。根據(jù)2010-2020年10年的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，半城子水庫(kù)的平均降水量為648.2mm。半城子水庫(kù)的降水主要在6-8月份，這三個(gè)月的降水量占全年降水量的80.1%，冬季降水量較少，從10月份一直到次年5月份半城子水庫(kù)的降水量占全年降水量的19.9%，最大年降水量為849.3mm（2015年），最小年降水量為378.3mm（2018年）。半城子水庫(kù)的蒸發(fā)量由氣溫、季節(jié)而決定，夏季蒸發(fā)量較大，每天的蒸發(fā)量約為14.3mm，冬季蒸發(fā)量最小，該水庫(kù)每年的蒸發(fā)量在1200mm左右。半城子水庫(kù)每年的徑流量約為640萬(wàn)m3。半城子水庫(kù)汛限控制指標(biāo)為：6-8月的水庫(kù)限制水位為255.00m，9月份的限制水位在257.00m。非汛期不設(shè)置控制水位。

2.半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度模型的建立

2.1降雨徑流相關(guān)圖的建立

首先是計(jì)算流域平均降水量。半城子水庫(kù)一共有兩個(gè)雨水收集站，分布均勻，雨水收集站能夠通過(guò)收集到的遇水計(jì)算出該水庫(kù)所在區(qū)域的年平均降雨量。

其次是計(jì)算徑流深。可以查找近些年半城子水庫(kù)的實(shí)際降雨量、凈流量點(diǎn)等數(shù)據(jù)信息繪制降雨徑流相關(guān)圖，然后根據(jù)圖紙計(jì)算徑流深。

再次是計(jì)算前期影響雨量。前期影響雨量主要由土壤含水量決定，土壤含水量與前期降雨量和蒸發(fā)量有關(guān)。因此可以計(jì)算出前期影響雨量的計(jì)算公式：Pat=K（Pat-1+Pt-1+Rt-1）

Pat就是t日的前期影響雨量/mm。Pat-1是t日前一天的前期影響雨量/mm，Pt-1是t日前一天的計(jì)算區(qū)域的平均降雨量/mm，Rt-1是t前一天的計(jì)算區(qū)域的平均降雨量產(chǎn)生的徑流深/mm，K是減速系數(shù)（如表1所示）。

最后計(jì)算洪水總量。洪水總量計(jì)算公式：W=10RFK，其中W是進(jìn)入水庫(kù)的洪水總量/萬(wàn)m3，R是徑流深/mm，F(xiàn)是水庫(kù)集水面積/km2，K是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.2洪水預(yù)報(bào)相關(guān)圖的建立

半城子水庫(kù)預(yù)報(bào)相關(guān)圖一共由四個(gè)象限組成，如圖1所示。

第一象限：此象限的縱坐標(biāo)是庫(kù)容V，橫坐標(biāo)是溢洪道泄流量qM，根據(jù)庫(kù)容V和控制水位H的關(guān)系繪制V-H關(guān)系線(xiàn)。

第二象限：此象限的縱坐標(biāo)是庫(kù)容V，橫坐標(biāo)是洪水總量W，當(dāng)水流量上漲時(shí)的庫(kù)容量V起為參數(shù)繪制W-V-V起的關(guān)系線(xiàn)。

第三象限：此象限的縱坐標(biāo)是降水量和前期影響雨量之和P+Pa，橫坐標(biāo)是洪水總量W，以此繪制降雨徑流相關(guān)圖。

第四象限：此象限的縱坐標(biāo)是降水量和前期影響雨量的和P+Pa，橫坐標(biāo)是入庫(kù)洪峰流量QM，并以有效降雨時(shí)間t為參數(shù)繪制降雨歷時(shí)相關(guān)圖。

2.3洪水預(yù)報(bào)相關(guān)圖的使用

洪水預(yù)報(bào)相關(guān)圖主要分為三種應(yīng)用情景。第一種是起漲水位與溢洪道底部持平。根據(jù)第三象限可以得出洪水總量W，然后將洪水進(jìn)入水庫(kù)時(shí)的容積設(shè)置為A點(diǎn)，第四象限可以查出入庫(kù)洪峰流量為Qm，此時(shí)的洪峰流量線(xiàn)與橫軸相交與B點(diǎn)，將A和B兩個(gè)點(diǎn)相連，其延長(zhǎng)線(xiàn)與第一象限的泄水量曲線(xiàn)相較于C點(diǎn)，并在此處做平行于橫軸的平行線(xiàn)，得到此時(shí)水庫(kù)泄洪水庫(kù)最大庫(kù)容，并在C點(diǎn)向下做垂直于橫軸的直線(xiàn)，與橫軸交點(diǎn)就是溢洪道最大泄水量qm。

第二種情況是起漲水位比溢洪道底部低。根據(jù)第三象限可以找出洪水總量W，如果W≤V攔，可以在第三象限查到洪水入庫(kù)時(shí)的水庫(kù)容積V，此時(shí)就是最大庫(kù)容，因?yàn)檫€沒(méi)有進(jìn)行泄洪措施，所以此時(shí)沒(méi)有下泄流量。如果W>V攔，則可以利用入庫(kù)洪峰流量來(lái)優(yōu)化泄洪流量，并得出洪水進(jìn)入水庫(kù)后的庫(kù)容V和溢洪道最大泄水量qm。

第三種情況是起漲水位高于溢洪道底部，且水庫(kù)正在溢洪。首先，利用降水量和前期影響雨量的和P+Pa找到入庫(kù)洪峰流量QM。然后從第二象限以V起為起點(diǎn)繪制與坐標(biāo)原點(diǎn)平行的新坐標(biāo)軸，從第二象限查找P+Pa的洪水總量W，再利用入庫(kù)洪峰流量QM和下泄流量Q起來(lái)計(jì)算△W。最后在新坐標(biāo)上確定A、B和C，再利用C從做平行線(xiàn)與第一象限的縱軸連接，得到最大泄洪庫(kù)容，再由C向下做垂直線(xiàn)與第一象限橫軸相交，得出溢洪道最大泄洪量。

3.半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)防洪調(diào)度存在的問(wèn)題

3.1通訊測(cè)報(bào)手段落后

半城子水庫(kù)存在通信設(shè)備老化測(cè)報(bào)手段落后等問(wèn)題，水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度部門(mén)目前只能通過(guò)電話(huà)和電臺(tái)收發(fā)信號(hào)，因?yàn)榘氤亲铀畮?kù)位于深山老林中，尚沒(méi)有覆蓋無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致該水庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差，與外界的聯(lián)系比較困難。如果暴雨天氣通訊信號(hào)會(huì)受到天氣影響出現(xiàn)連接不上外界信號(hào)或者有噪音等問(wèn)題，嚴(yán)重影響水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度部門(mén)的正常工作。加上半城子水庫(kù)的預(yù)報(bào)模型只是簡(jiǎn)易模型，屬于比較落后的預(yù)報(bào)模型，每到汛期，通訊線(xiàn)路就會(huì)被暴雨天氣影響，產(chǎn)生滯后感，往往通信延遲幾個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響預(yù)報(bào)模型對(duì)洪水的預(yù)報(bào)效率和質(zhì)量。

3.2計(jì)算工具落后

目前半城子水庫(kù)還在用原始的簡(jiǎn)單預(yù)報(bào)模型、查圖等原始方法預(yù)報(bào)洪水，這種落后的計(jì)算預(yù)報(bào)方法預(yù)見(jiàn)期短，難以預(yù)見(jiàn)較長(zhǎng)遠(yuǎn)的暴雨和洪澇災(zāi)害，預(yù)見(jiàn)期短就難以做好相應(yīng)的防洪措施，就會(huì)擴(kuò)大洪水對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)的破壞性。目前很多大水庫(kù)一經(jīng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)預(yù)報(bào)洪水，但半城子水庫(kù)缺乏計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)這些軟硬件設(shè)施，預(yù)報(bào)洪水的模型比較粗糙簡(jiǎn)單，預(yù)報(bào)結(jié)果主觀臆斷性強(qiáng)，預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度較低。

3.3對(duì)水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析不到位

防洪預(yù)報(bào)調(diào)度是一個(gè)多目標(biāo)多階段多風(fēng)險(xiǎn)的決策過(guò)程。不僅需要考慮水庫(kù)上下游的徑流量、降雨量等因素，還要考慮防洪與興利之間的矛盾。在半城子水庫(kù)防洪的不同階段，管理人員會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)，并采取不同的策略。因?yàn)榉篮轭A(yù)報(bào)調(diào)度涉及到降雨、水流量等自然因素和庫(kù)容、泄洪能力等工程因素，這些影響防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的因素復(fù)雜多變，難以把控，容易在防洪預(yù)報(bào)調(diào)度上收集信息不到位不全面，做出錯(cuò)誤的預(yù)報(bào)和調(diào)度指令，從而影響防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的準(zhǔn)確性和效率性。例如半城子水庫(kù)在風(fēng)險(xiǎn)分析上只考慮單目標(biāo)和單因素，忽略了綜合因素，從而對(duì)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析不到位，產(chǎn)生錯(cuò)誤的預(yù)報(bào)和調(diào)度指令。

4.半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)防洪調(diào)度建議

4.1完善水庫(kù)通信設(shè)備

要在半城子水庫(kù)建立通信基站，確保預(yù)報(bào)調(diào)度部門(mén)的通暢的聯(lián)系。更新水庫(kù)的通信設(shè)備，增加網(wǎng)絡(luò)通信，提高通信效率和質(zhì)量，減少外界對(duì)通信設(shè)備的干擾。并組建由郵電、部隊(duì)、公安、電力和氣象部門(mén)組成的聯(lián)合通信網(wǎng)絡(luò)，一旦發(fā)生洪水災(zāi)害，各部門(mén)及時(shí)溝通聯(lián)絡(luò)，一起搶險(xiǎn)救災(zāi)，提高工作效率。

4.2利用現(xiàn)代科技準(zhǔn)確預(yù)報(bào)洪水

利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力和大數(shù)據(jù)的各種算法和模型來(lái)建立更為高級(jí)智能化的洪水預(yù)報(bào)模型，將監(jiān)測(cè)到的降雨量、水位線(xiàn)、庫(kù)容等數(shù)據(jù)信息輸入到模型中去，就會(huì)自動(dòng)生成洪水發(fā)生概率、發(fā)生位置和破壞力等數(shù)據(jù)，并且能夠延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，以便于讓各部門(mén)做好應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害的各項(xiàng)措施，避免突發(fā)事件發(fā)生時(shí)調(diào)度紊亂，影響抗洪救災(zāi)的效率和質(zhì)量。

4.3加強(qiáng)水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)分析

半城子水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析要綜合考慮各類(lèi)影響因素對(duì)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的影響，將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。同時(shí)要綜合利用定性分析法和定量分析法。定性分析法主要有調(diào)查分析法和德?tīng)柗品?，通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)判斷風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和破壞程度。定量分析法主要是利用數(shù)學(xué)工具來(lái)分析風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率和破壞程度，例如概率統(tǒng)計(jì)法和隨機(jī)模擬法等。綜合利用這些方法才能將水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

結(jié)論

水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度關(guān)系到水庫(kù)所在地區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此各部門(mén)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的重視程度，加強(qiáng)通信設(shè)備、計(jì)算設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，利用現(xiàn)代科技提高洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和效率性，并綜合考慮各類(lèi)影響防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的因素，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，確保防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的順利進(jìn)行。

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