水库汛期水位动态控制方法及水库汛期水位动态控制设备

摘要

本发明提供了一种水库汛期水位动态控制方法及水库汛期水位动态控制设备，涉及水库汛期管理技术领域，本发明提供的水库汛期水位动态控制方法包括以下步骤：获取水库所在地若干年限内的台风数据、天气预报和降雨径流预报；依据台风数据确定台风可利用预报预见期；依据天气预报确定天气预报可利用预见期和预报降雨等级；依据降雨径流预报确定降雨径流预报可利用预见期；对台风可利用预报预见期、天气预报可利用预见期、预报降雨等级和降雨径流预报可利用预见期进行耦合分析；依据耦合分析结果对水库汛期水位进行动态调控。水库汛期水位动态控制方法及设备充分利用了沿海地区的气象要素，提高了沿海地区水库洪水预见期，且可增加水库综合利用效益。

说明书

技术领域

本发明涉及水库汛期管理技术领域，尤其是涉及一种水库汛期水位动态控制方法及水库汛期水位动态控制设备。

背景技术

为提高洪水资源利用率与水库的蓄满率，有效发挥已建水库工程的综合利用效益，水利部提出优化水利工程调度运用方式，稳步实施水库汛限水位动态控制，完善优化洪水预报，提高预报精度，延长预见期，合理利用雨洪资源。目前水库汛期水位动态控制采用方法多是基于水库降雨径流预报进行汛期水库动态控制，对于沿海地区而言，由于独特地形导致河流源短流急，降雨的天气成因多为台风，降雨径流预报预见期短，难以满足水库汛期水位动态控制要求，主要体现在以下方面：

(1)沿海独流入海河流源短、流急、流域面积小，且河床比降大，以实测降雨产生开始进行作业预报，降雨径流预报预见期多在4h-8h，考虑到调度指令下达、上下游通知、水库水闸启闭等时间，短期降雨径流预报难以满足汛期水位动态控制要求。

(2)天气预报可适当延长预见期，从产生降雨天气系统开始进行作业预报，考虑精度要求，多采用24h天气预报，因台风天气系统形成暴雨所造成的洪水陡涨陡落，水库汛期水库动态控制上限水位有限，且仅采用单一天气预报可利用预报信息不全面，水库综合利用效益发挥不显著。

(3)沿海地区受台风影响较大，由于现有技术缺乏利用台风信息进行水库汛期水位动态控制的方法，故而导致临海区域承担防洪任务的水库汛期水位较低，造成水库综合利用率降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水库汛期水位动态控制方法及水库汛期水位动态控制设备，以缓解现有技术中沿海地区汛期水库难以充分发挥综合利用效益的技术问题。

第一方面，本发明提供的水库汛期水位动态控制方法，包括以下步骤：

获取水库所在地若干年限内的台风数据、天气预报和降雨径流预报；

依据若干年限内的台风数据确定台风可利用预报预见期；

依据天气预报确定天气预报可利用预见期和预报降雨等级；

依据降雨径流预报确定降雨径流预报可利用预见期；

对所述台风可利用预报预见期、所述天气预报可利用预见期、所述预报降雨等级和所述降雨径流预报可利用预见期进行耦合分析；

依据耦合分析结果对水库汛期水位进行动态调控。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，水库汛期水位动态控制方法还包括：对汛期进行分期处理；

所述依据耦合分析结果对水库汛期水位进行动态调控的步骤包括：

分别设定各汛期分期时段的水位上限和下限水位；

依据耦合分析结果分别对各汛期时段的水位进行动态调节。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述对汛期进行分期处理的步骤包括：按气象成因差异对汛期进行时段划分；和/或，以汛期量化气象条件的突变时刻作为时段划分点。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述依据若干年限内的台风数据确定台风可利用预报预见期的步骤包括：

计算台风生成至水库产生洪峰的最小时间间隔；

比较获得与最小时间间隔最接近的台风预报时段；

比较选取该台风预报时段和最小时间间隔中的最大值，并将其作为第一备选台风可利用预见期。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述依据台风数据确定台风可利用预报预见期的步骤还包括：将面临台风产生至预报登陆时间、台风预报确定雨量等级的时间、降雨径流预报预见期之和作为第二备选台风可利用预见期；

根据面临台风预报进行实时修正面临台风产生至预报登陆时间、台风预报确定雨量等级的时间、降雨径流预报预见期，并更新所述第二备选台风可利用预见期。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述依据台风数据确定台风可利用预报预见期的步骤还包括：比较选取第一备选台风可利用预见期和第二备选台风可利用预见期中的最小值，并将其作为修正的后台风可利用预报预见期。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述依据天气预报确定天气预报可利用预见期和预报降雨等级的步骤包括：比较台风期间各时段天气预报与实际降雨的关系；选取预报准确率大于预设精度的各时段中的最大值作为天气预报可利用的预见期，并确定对应的预报降雨等级。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述依据降雨径流预报确定降雨径流预报可利用预见期的步骤包括：根据若干年限内降雨径流预报计算降雨径流预报的平均径流预见期。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述对所述台风可利用预报预见期、所述天气预报可利用预见期、所述预报降雨等级和所述降雨径流预报可利用预见期进行耦合分析的步骤包括：计算防汛信息传递及闸门操作的迟滞总时长；若所述平均径流预见期与所述迟滞总时长的差值小于等于预设宽限时段，则在汛期水位的调控过程中忽略降雨径流预报可利用预见期。

第二方面，本发明提供的水库汛期水位动态控制设备用于执行上述水库汛期水位动态控制方法，或者，水库汛期水位动态控制设备用于存储执行水库汛期水位动态控制方法的计算机程序。

本发明实施例带来了以下有益效果：通过获取水库所在地若干年限内的台风数据、天气预报和降雨径流预报，依据若干年限内的台风数据确定台风可利用预报预见期，依据天气预报确定天气预报可利用预见期和预报降雨等级，依据降雨径流预报确定降雨径流预报可利用预见期，对所述台风可利用预报预见期、所述天气预报可利用预见期、所述预报降雨等级和所述降雨径流预报可利用预见期进行耦合分析，依据耦合分析结果对水库汛期水位进行动态调控，全面充分利用了沿海地区的气象要素，提高了沿海地区水库洪水预见期，且可增加水库综合利用效益。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水库汛期水位动态控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的水库汛期水位动态控制方法中依据若干年限内的台风数据确定台风可利用预报预见期的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的大隆水库在举例年份最大洪峰流量散布图；

图4为本发明实施例提供的大隆水库1972年至2016年台风路径示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的水库汛期水位动态控制方法，包括以下步骤：获取水库所在地若干年限内的台风数据、天气预报和降雨径流预报；依据若干年限内的台风数据确定台风可利用预报预见期；依据天气预报确定天气预报可利用预见期和预报降雨等级；依据降雨径流预报确定降雨径流预报可利用预见期；对台风可利用预报预见期、天气预报可利用预见期、预报降雨等级和降雨径流预报可利用预见期进行耦合分析；依据耦合分析结果对水库汛期水位进行动态调控。

在海南某大型水库的汛期水位动态控制时，可收集水库所在流域区域45年的实测台风、水文站(雨量站)降雨、洪水资料绘制历史已发生的台风路径图。以2年一遇以上洪水作为较大洪水，根据长系列台风、降雨、洪水资料，统计台风生成中心位置，分析台风生成至水库产生洪峰时间间隔等特征指标：

式中：T

采用本实施方提供的水库汛期水位动态控制方法，研究分析台风、暴雨、洪水的规律，从偏于工程安全角度，初步选定台风预报预见期，并通过近年来台风预报成果对选定的预见期进行复核。提出采用台风、天气预报、降雨径流耦合预报方法，全面充分利用各种预报方法，提高了沿海地区水库洪水预见期。

在本发明实施例中，水库汛期水位动态控制方法还包括：对汛期进行分期处理；依据耦合分析结果对水库汛期水位进行动态调控的步骤包括：分别设定各汛期时段的水位上限和下限水位；依据耦合分析结果分别对各汛期时段的水位进行动态调节。

具体的，对汛期进行分期处理的步骤包括：按气象成因差异对汛期进行时段划分；和/或，以汛期量化气象条件的突变时刻作为时段划分点。

水库洪水分期可分为一期(汛期)、二期(主汛期、前汛期或后汛期)或三期(前汛期、主汛期和后汛期)，为了便于水库的调度操作，汛期分期不宜超过3期。根据水库所在流域汛期洪水洪峰、洪量分期的变化规律，通过气象成因法、数理统计法等方法，结合水库调度影响，综合分析后确定洪水分期。

气象成因分析法：通过对汛期不同时期影响流域降雨的动力条件和水汽供应条件的气象因素进行分析，根据流域洪水汛期的变化规律，以不同气象成因作为汛期分期的划分点。

数理统计法：利用长系列雨量、洪水实测资料，计算年最大洪水出现几率、汛期各月雨量占全年的比例等统计指标，点绘洪峰散布图，以统计指标和散布图突变点以汛期划分点。

如图3和图4所示，例如对海南某大型水库汛期进行分期处理时，采用气象成因分析法的过程如下：水库汛期为6月-10月，对水库1972年-2016年共45年的台风、降雨、洪水资料进行分析，从暴雨形成的成因上分析，水库汛期所有洪水均由台风引起，6月-9月南海台风略多，盛夏台风产生于高能环境场中，加上赤道辐合带的季节性北抬以及西南季风等热带天气系统的活跃，有利于盛夏台风系统与其它热带天气系统的共同作用，加上山区地形的影响，导致水库所在流域暴雨雨强大，影响范围较广，影响时间长；10月以西北太平洋台风为主，晚秋台风暴雨产生于低能环境场中，若与北方弱冷空气共同影响也可使暴雨量级增加，但降雨的雨强相对较弱，影响范围也相对较小。因此，6-9月、10月存在气象成因的洪水分期特征。

对该水库采用数理统计法进行分期的过程如下：根据45年长系列资料统计分析，汛期6、7、8、9、10月年最大洪水出现几率分别为6.7、22.2、22.2、22.2、17.8％,各月降雨量占全年比例分别为13.8、16.3、18.8、18.9、12.9％，同时点绘水库年、月最大洪峰流量散布图，进而可以看出，7-9月雨量洪水量级明显较大，6月和10月基本相当。由数理统计法分析，7～9月为主汛期，6月和10月可划分前汛期和后汛期。

另外，还可以综合数理统计法和气象成因分析法，以上述水库分期为例，从水库调度便捷性考虑，分期越多水库调度越复杂，风险更大，6月作为前汛期对水库汛末蓄水无太大影响，而10月份作为后汛期有利于水库汛末蓄水，影响水库综合利用效益发挥。在数理统计法的基础上，结合成因角度分析，6-9月以南海台风影响为主，10月为西北太平洋台风影响为主。因此，经成因分析、数理统计分析及对水库调度影响综合分析，确定大隆水库汛期分2期，即主汛期为6-9月，后汛期为10月。

如图1和图2所示，依据若干年限内的台风数据确定台风可利用预报预见期的步骤包括：计算台风生成至水库产生洪峰的最小时间间隔；比较获得与最小时间间隔最接近的台风预报时段；比较选取该台风预报时段和最小时间间隔中的最大值，并将其作为第一备选台风可利用预见期。需要说明的是，为保证调度安全性和资料代表性，台风可利用预见分期所采用的台风和洪水分析资料应在30年以上。

在实际运用中，将面临台风产生至预报登陆时间、台风预报确定雨量等级的时间、降雨径流预报预见期之和作为第二备选台风可利用预见期；与此同时，根据面临台风预报进行实时修正面临台风产生至预报登陆时间、台风预报确定雨量等级的时间、降雨径流预报预见期，并更新第二备选台风可利用预见期。

比较选取第一备选台风可利用预见期和第二备选台风可利用预见期中的最小值，并将其作为修正的后台风可利用预报预见期。

具体的，通过实际台风、降雨、洪水规律分析研究，并从水库调度安全考虑，以历史已发生实测最小时间间隔，即台风生成至水库产生洪峰最小之间间隔为台风预报预见期，考虑到作业预报时间间隔，综合选定的台风预报可利用预见期T

首选寻找分析台风生成至水库产生洪峰的最小时间间隔T

除确定水库调度预见期外，仍需确定调度的启动条件，本实施方式为充分利用台风预报信息，将台风期间降雨等级预报作为调度判别条件。因台风预报精度逐年提高，近年来资料更具代表性，建议选取近10-20年台风预报和实际台风资料，分析选定台风预见期间雨量等级(无雨或零星小雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨)，一般正确率在80％以上雨量等级认为满足精度要求，可视工程安全裕度、水库动态控制安全、可靠性等角度综合选定台风预报雨量等级。海南该水库台风期间发生大暴雨的雨量等级满足精度要求，从安全角度考虑，降低一个等级，即采用台风期间暴雨以上等级作为水库动态控制启动条件。

一般通过长系列已发生资料选定的台风预报可以利用预见期T

T

T′

其中，T

例如，通过近10年来实际台风、雨洪资料分析，台风生成至水库产生较大洪水时间最短为2016年“电母”台风，将该场台风用于检验台风可利用预报期选取的有效性。当时面临台风预报生成至登陆时间49h，台风预报为暴雨时间为24h，降雨径流预报时间6h，则T

进一步的，依据天气预报确定天气预报可利用预见期和预报降雨等级的步骤包括：比较台风期间各时段天气预报与实际降雨的关系；选取预报准确率大于预设精度的各时段中的最大值作为天气预报可利用的预见期，并确定对应的预报降雨等级。

例如：收集气象部门发布的24h、48h、72h的已发生长系列天气预报资料，与实测降雨对比分析，评价天气预报的精度。重点分析台风期间的不同时段天气预报与实际降雨情况差异，以精度较高(正确率在80％以上)的时段天气预报为依据，选定天气预报可利用预见期和预报降雨等级，确定水库天气预报可利用预见期24h。

进一步的，依据降雨径流预报确定降雨径流预报可利用预见期的步骤包括：根据若干年限内径流预报计算降雨径流预报的平均径流预见期。

在本实施方式中，降雨径流预报采用三水源新安江模型或其它经验证满足精度要求的水文预报模型，分析水库坝址以上流域实测雨峰出现时间与入库洪峰时间，选定降雨径流预报可利用的预见期。

进一步的，对台风可利用预报预见期、天气预报可利用预见期、预报降雨等级和降雨径流预报可利用预见期进行耦合分析的步骤包括：计算防汛信息传递及闸门操作的迟滞总时长；若平均径流预见期与迟滞总时长的差值小于等于预设宽限时段，则在汛期水位的调控过程中忽略降雨径流预报可利用预见期。

在对本实施方式举例的水库通过台风、天气、降雨径流耦合预报分析时，因流域集水面积较小，河流流程短、河床坡度陡，由降雨形成洪水时间较短，平均预见期仅为6h，通过建立新安江水文预报模型分析，考虑到调度指令下达、闸门启闭时间、上下游通知等时间约6h，防洪决策风险大。从偏安全角度出发，暂不考虑降雨洪水预报调度的方案，为调度留有安全余度。台风预见期为48h，并发生暴雨以上天气系统，为进一步保证水库调度安全，确定为48h内发生台风或发生暴雨以上降雨，则水库进入预泄降低水位运行状态，若24h天气预报为暴雨以上天气系统，则水库应继续预泄至设计汛期下限水位，然后按照原设计防洪调度运行方式进行调度。

水库汛期水位进行动态调控方式具体如下：

综合分析水库基本工程特性、大坝安全状况、泄洪设施运行状况、水库管理管理、水情自动测报，及上游库区、下游防洪保护对象等实施汛期水位动态控制外部条件，确定海南某大型水库防洪判定条件为预泄阶段下游防洪控制断面的安全流量采用警戒水位对应的流量1550m

(1)主汛期大隆水库汛期水位动态控制调度方案：

当预报水库库区无暴雨以上级别降雨或48h内无台风影响，水库水位可保持在61.90m；当预报48h后有台风影响，水库考虑下游警戒水位对应流量1550m

洪水退水段，若预报未来48h无台风影响且无暴雨以上量级降雨，此时若面临时刻水位高于61.90m，水库继续泄流至61.90m，并维持水位在61.90m；若面临时刻水位低于61.90m，进行回蓄；若预报未来48h有台风影响或有暴雨以上量级降雨，仍按预报预泄调度方案，控制水位降至汛期水位动态控制域的下限58.45m。

(2)后汛期大隆水库汛期水位动态控制调度方案：

当预报水库库区无暴雨以上级别降雨或48h内无台风影响，水库水位可保持在69.50m；当预报48h后有台风影响，大隆水库可暂时不进行预泄，待24h后结合最新降雨预报情况，若预报24h后仍有台风影响或有暴雨及以上量级的降雨，则未来24h内考虑下游警戒水位对应流量，控制下泄流量变率，按水库泄流能力进行预泄，将水位预泄至后汛期下限水位66.95m。

洪水退水段，若预报未来48h无台风生成且无暴雨以上量级降雨，此时若面临时刻水位高于69.50m，水库继续泄流至69.50m，并维持水位在69.50m；若面临时刻水位低于69.50m，进行回蓄；若预报未来48h有台风影响或有暴雨以上量级降雨，按涨水段预泄调度方法调度，控制水位降至汛期水位动态控制域的下限66.95m。

采用本实施方式提供的水库汛期水位动态控制方法后，与原设计固定汛限水位调度方案相比，目标水库的预见期最长可达48h，水库主汛期汛限水位在58.45m-61.90m、后汛期在66.95m-69.5m动态控制，水库最高水位保持不变，最大出库流量与方案基本相当，未增大水库库区及下游保护对象的防洪风险。通过汛期水位动态控制，汛后水位相较原设计方案增加，提升了水库汛后水库的蓄水量，有利于后期水库供水发电，增大了水库的兴利效益。海南某大型水库实施汛期水位动态控制后，在相同保证率水平下，多年平均生活工业供水量增加2385万m

本发明实施例提供的水库汛期水位动态控制设备用于执行水库汛期水位动态控制方法，或者，水库汛期水位动态控制设备用于存储执行水库汛期水位动态控制方法的计算机程序。水库汛期水位动态控制设备具备上述汛期水位动态控制方法的技术效果，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。