短期降雨预报在白石水库汛限水位动态控制中的应用顾妍平陈雪王士武（浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）摘要：以白石水库流域降雨预报精度分析为基础，根据水库汛期限制水位控制新理念，研究了利用短期降雨预报信息进行白石水库汛限水位动态控制的方法。
同时分析了降雨发生漏报时大坝所能抗御洪水标准的变化，简化计算了抬高汛限水位增加的效益。
结果表明，抬高白石水库汛限水位在不增加水库及上下游防护对象风险的前提下，可以提高洪水资源利用率，为水库带来一定的经济效益。
关键词：汛限水位，动态控制，降雨预报，白石水库引言白石水库位于白石溪上，白石溪发源于浙江省乐清市与永嘉县交界的郭公山，溪床自然落差大。
主流河长20km，流域总面积为50km2，下游为乐柳平原。
白石水库上游有一座钟前水库，集雨面积38.7 km2，总库容2027万m3。
白石水库主河道长13.7km，集雨面积48.5km2（钟、白区间集雨面积9.8 km2），总库容1197万m3，下游有一座白石电站，总装机750kw。
白石水库是一座以灌溉、供水为主，兼顾防洪、发电的综合利用的中型水库。
白石水库原规划设计的洪水调度方式不考虑降雨预报，调节计算不同标准设计洪水时，以水位作为判断洪水发生的标准和改变泄流的指标，形成“前期泄流偏少、后期泄流偏大、库水位偏高”的调洪结果。
近几年，随着数值预报技术的快速发展，降雨预报精度已有了很大提高，并陆续被应用于水库防洪调度中。
王本德教授等[14]对中央气象台、辽宁省碧流河水库、河南省白龟山水库未来24 h降雨作业预报分析表明，目前无雨和小雨预报信息的准确率较高，结果可应用于水库汛限水位动态控制。
周惠成等[12]研究了利用短期降雨预报信息，动态控制丹江口水库汛限水位的方法。
白石水库所在的乐清市气象站预报多年，降雨预报水平已有很大提高，若能利用降雨预报信息增长预见期，实施水库汛限水位动态控制，则白石水库的防洪和兴利效益将更加明显。
1 降雨预报精度分析1.1 流域未来24小时降雨预报精度分析为客观反映气象部门近些年的降雨预报理论与技术发展水平，并与白石水库汛限水位动态控制实施期一致，考虑到南方大暴雨较多，将降雨分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨等六级进行统计，按照文献[2]分析方法，对流域2002年至2004年（4～10月）未来24h降雨预报资料，及相应的流域平均日降雨量资料(共642天)进行精度分析。
分析结果见表1。
从表1中可以得出：（1）流域未来无雨预报准确率仅为64.8％，但当预报无雨时，发生不超过小雨的频率高达99.1%以上，即当预报无雨时流域发生中雨及以上量级降雨的频率很低，不到0.9%。
（2）当预报小雨时，流域发生小雨和无雨的频率已高达91.3%，而流域发生不超过中雨的频率在100%以上，即从历史资料统计看，当预报小雨时发生大雨及以上量级降雨的频率为0。
（3）从统计分析结果来看，无雨和小雨预报精度在水库汛限水位动态控制中是可以应用的，中雨及以上量级降雨的发布次数小雨100，暂时不用其统计分析结果。
表1 流域平均未来24h各级降雨预报等级实际发生频次、准确率、漏报率、空报率1.2 不同量级降雨预报的实际降雨分布规律为使汛限水位动态控制建立在安全可靠的基础上，还需进一步分析某一量级降雨预报条件下实际可能发生各级降雨量的频率分布规律，给决策者提供“外延”信息。
由表1统计成果可以看出，以准确率为中心，空报率>漏报率，三个气象台降雨预报的实际各级降雨发生频次分布属偏态型。
某一量级降雨预报条件下实际发生降雨量的概率分布规律，采用文献[14]频率分析法计算，统计参数采用矩法估计。
流域平均未来24h无雨和小雨预报实际降雨量分布的统计参数和频率分布列于表2和表3。
由频率分析成果可以看出：（1）当流域平均预报小雨时，发生中雨的概率约为8%，发生大雨的概率约为0.5%，发生暴雨的概率仅为0.01%，从而可得到发生大雨及以上量级的降雨可能性很小的信息，这时可适当抬高水库汛限水位，在保证防洪安全的前提下增加水库的蓄水效益。
（2）由分析结果可知，预报“无雨”时，流域发生中雨及以上量级的降雨可能性很小，此时可控制水库汛限水位在动态控制范围的上限。
预报“小雨”时，流域发生大雨及以上量级的降雨可能性很小，这时可控制水库汛限水位在动态控制范围的中偏上位置。
综上所述，就目前白石水库流域降雨预报精度来看，未来24h无雨和小雨预报的精度较高，可在水库汛限水位动态控制中应用。
从安全角度考虑，中雨及以上量级降雨预报可暂不采用。
表2 未来24h无雨和小雨预报实际降雨量分布的统计参数统计参数N X C V Cs/C V 无雨216 0.53 3.4 2.0小雨275 3.6 1.4 2.2表3 未来24h各级降雨预报实际降雨量频率分布表发生频率(%) 0.05 0.1 1 2 5 10 50 75 95 预报无雨(mm) 22.8 19.2 9.0 6.3 3.3 1.5 0 0 0 预报小雨(mm) 45.5 40.2 24.2 19.6 13.7 9.5 1.6 0.6 0.42 汛限水位动态控制方法2.1 汛限水位动态控制范围的确定目前在水库汛期防洪实时调度中，既存在为保证下游防洪安全而减少下泄流量实时抬高库水位现象，又存在为增加兴利蓄水而急于抬高汛限水位现象，两者都可能增加了水库防洪风险，因此有必要安全经济地确定一个汛限水位动态控制范围。
本文结合文献[12]丹江口水库汛限水位动态控制方法，研究采用预泄能力约束法来确定白石水库汛限水位动态控制的范围。
白石水库的预泄能力，第一受下游河道安全泄量350 m3/s约束；第二受预泄时的入库（退水）流量约束，为50 m3/s；第三受城市供水、灌溉和发电的日平均流量约束，为5 m3/s；第四受预泄时间约束，根据短期降雨预报的成果，可利用短期降雨预报的有效预见期24h，扣除预报信息传递时间和预泄决策调令传达及实施时间，为安全计取12h。
基于上述条件预泄水量至少有1318万m3[(350+5-50)m3/s×43200s] ，在原台汛期汛限水位31m对应的库容基础上增加1318万m3，此时对应的水位已超过坝顶高程，这意味着，根据预泄能力约束法，水库有相当大的动态控制空间。
但水库汛限水位动态控制上限还受正常蓄水位和上游防洪约束。
取正常蓄水位33.86m作为水库汛限水位以预泄能力为基础的极限允许动态控制范围上限。
白石水库原设计已采用分期汛限水位，梅汛期的汛限水位为33.86m，为安全起见，梅汛期汛限水位不再上浮，保持原来的汛限水位33.86m不变。
2.2 汛限水位动态控制方法本次研究的汛限水位动态控制方法，是利用降雨预报的预见期，在汛限水位允许控制的上下范围内，主要采用预蓄预泄法，根据实时降雨预报信息、水库面临时刻水情，水库的泄流能力及约束条件，在洪水入库前使水库的汛限水位降落至原设计的汛限水位值。
由于梅汛期汛限水位保持原设计汛限水位不变，因此，以下汛限水位动态控制方法均指台汛期汛限水位动态控制方法。
从降雨预报精度分析结果可以看出，当预报未来24h无雨或小雨时，发生中雨以上量级降雨的概率很小，因此在有效预见期内，可以将汛限水位上浮至33.86m；当预报未来24h 有中雨或中雨以上量级降雨时，从安全角度出发，在有效预见期内，水库开始提前预泄，尽快将汛限水位降至原设计的汛限水位31.0m。
根据上述考虑降雨预报的汛限水位动态控制方法的调度原则，对台汛期校核洪水和设计洪水，汛限水位从33.86m开始起调，为了与原设计的调洪结果进行比较，将水库不进行汛限水位动态控制的结果与抬高汛限水位后的调洪结果一并列于表4。
表4 台汛期洪水不同起调水位的调洪结果从表4中可以看出，利用短期降雨预报进行预蓄预泄，将汛限水位抬高到33.86m后，调洪的最大泄量和最高水位基本上没有变化，与原设计的调洪结果基本一致。
因此，利用降雨预报进行预蓄预泄抬高汛限水位是安全、合理的。
3 汛限水位动态控制的风险与效益分析3.1 风险分析白石水库汛限水位动态控制后，对决策者而言，最关心的是如果无雨或小雨预报发生漏报，水库没有提前预泄，汛限水位仍保持在33.86m，水库是否能抗御原设计标准的洪水，是否能保证上下游防洪安全，即大坝所能抗御洪水的标准是否发生了变化。
因此需要对白石水库汛限水位动态控制的风险进行分析。
白石水库的汛限水位动态控制是利用降雨预报信息，在未来发生中雨及以上量级降雨之前进行预泄，将水库水位迅速降落至原汛限水位，之后仍按照原调度原则进行调洪。
如果降雨发生漏报，即预报无雨或小雨而发生中雨及以上量级降雨，水库未能提前预泄，汛限水位仍保持在33.86m，此时若按照原调度规则调洪，大坝的防洪标准肯定会降低。
但是如果在发生漏报后，适当加大泄量，既能保证下游的防洪安全，又可以保证大坝的防洪标准不发生变化，则抬高汛限水位仍是安全的。
因此对五十年（高于下游防洪标准）和保坝（校核）两种频率的洪水，假定在发生中雨及以上量级降雨时，水位仍保持在33.86m，在不超过下游安全泄量的前提下适当加大泄量进行调洪，五十年一遇洪水的调洪最高水位为35.74m，保坝洪水的调洪最高水位为36.5m，均不超过原设计标准。
因此，如果无雨或小雨发生漏报，及时加大泄量，仍可保证大坝的防洪标准不发生变化。
3.2效益分析白石水库现在以供水为主要任务，水库汛限水位动态控制方案的效益大小，关键在于供水量增加多少。
钟前水库采用月入库径流资料进行兴利调节计算，钟前水库的弃水加上钟、白区间来水量作为白石水库的月入库径流量。
由于资料所限，两座水库的灌溉用水量、蒸发和渗漏损失忽略不计。
采用兴利长系列调节时历法（丛1964年10月16日至2000年10月15日），以汛期末库满为初始条件，起调水位为正常蓄水位，计算白石汛限水位动态控制后减少的弃水量。
分析计算结果可知：1964.10.16~2000.10.1537年间，台汛期（7.15~10.15）共有94个月产生弃水量，对水库进行汛限水位动态控制后比原调度方式的增加供水量53万m3/月，考虑一定的损耗损失及水量有效系数0.9，其月平均效益为157万元，可见，对水库进行汛限水位动态控制效益明显。
4初步结论通过对白石水库汛限水位的研究，初步可以得出以下结论：（1）通过对白石气象站2002-2004年预报产品的分析，结果表明未来24h的降雨预报精度比较高，是可利用的。
（2）利用短期降雨预报，台汛期汛限水位可动态控制的范围为（31.0，33.86），梅汛期汛限水位保持原汛限水位33.86m不变。
（3）汛限水位动态控制后，对水库及其上下游防护对象均不增加风险，大坝所能抗御洪水的标准也未发生变化，仍可保持设计标准的水位及上、下游防洪安全。