梯级电站群优化调度天气预报利用研究

李福威，王本德

（1.国电电力和禹水电开发公司，辽宁 桓仁 117201；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

梯级电站群优化调度天气预报利用研究

李福威1，王本德2

（1.国电电力和禹水电开发公司，辽宁 桓仁 117201；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

浑江流域梯级电站群，多年来通过分析利用流域洪水预报、天气预报等综合信息，合理预蓄预泄，在确保防洪安全的前提下，提高电站的综合利用效益。在洪水预报模型基本满足要求的情况下，综合信息的利用关键在于短期天气预报信息可利用。对于浑江梯级电站，短期降雨预报主要在于依据信息可以提前预泄，在洪水退水期也可以及时拦蓄洪尾。

浑江梯级；桓仁水库；综合信息；降雨频率

1 流域概况

浑江为鸭绿江右岸最大支流，发源于长白山系龙岗山脉的老岭南麓，自北向南流经吉林、辽宁两省，在辽宁的宽甸县浑江口村汇入鸭绿江。浑江全长 432km，流域面积为 15000km2。

该流域属于温带季风型大陆性气候，多年平均降雨量为 876mm，汛期 6—9 月降雨量占全年总雨量的 70%以上，特大暴雨主要集中在 7，8 月份。降雨成因主要为气团交绥和气压系统影响所致，形成暴雨天气系统计有锋面、气旋、切变线及台风四种。

浑江流域至上而下建有桓仁、西江、凤鸣、回龙、太平哨、金哨、双岭等电站，其中只有位于龙头的桓仁电站具有不完全年调节能力，其余均为日调节。

2 现代梯级水库优化调度发展趋势

随着现代水文气象观测和水情测报技术的不断提高的，水电站优化调度，已从传统的不计预报的优化调度（即径流描述为确定性或随机性），或从仅考虑短期洪水预报的实时优化调度（不考虑降水预报信息），发展为考虑实时雨洪信息、长中短期天气预报、洪水短期预报信息等综合信息的预报优化调度，这是水库优化调度研究及应用的热点，也是发展趋势。依据这些信息，水库防洪与发电都增加了一定的预见期，可能及时预泄和预蓄，是提高水库防洪安全与增加水电资源利用率的安全经济有效措施。

对浑江流域梯级水电站系统而言，应用长、中、短期水文气象预报信息等综合信息，可逐步提高应用水文气象预报信息精度，又可增长预见期，依据的综合信息预见期愈长，对水库的调度越有利。实施水库预报优化调度，既可以利用洪峰过后拦蓄洪水尾部，抬高库水位，增加不蓄电能量；又可以利用水文气象预报信息提前预泄，增发库蓄电能；也可在下次洪水起涨前将库水位降到汛限水位下限，进而提高防洪安全度。水库预报优化调度在增加发电量的同时，必须满足的约束条件是，预报失误后不能给上下游防洪带来风险。

浑江梯级电站有不同于其他电站的实际情况，设计上存在先天不足，下游回龙山电站机组全出力运行时出库流量小于上游桓仁电站流量。只要桓仁满发，回龙山电站必将出现弃水。因此来水预见期愈长，电站调整运行方式越及时，效益越显著。

3 梯级电站群可利用的综合信息

目前水库调度的难题在于径流预测，如何做好未来径流描述，需要提高来水的预见期。预见期越长，对来水的预报、预测准确率越高，那么梯级电站调整运行方式越从容，提高效益越明显。

3.1 浑江梯级电站群调度依据的综合信息

浑江梯级水电站调度方式选择依据的综合信息主要指：

1）面临时刻 t所处汛期的阶段、设计约束的最高蓄水位及实际库水位 Zt。

2）由实测 1～3d 降雨预报形成的 4～7d 洪水总量、峰与过程信息，其中降雨开始至入库洪峰流量出现的时间，在 30～66h 之间，平均为 41h；主降雨与入库洪峰流量之间的间隔为 12～48h 之间，平均为 24h。第 1～2d 涨水和第 3～7d 的退水量。

3）面临时段退水流量（6h）4000～480m3/s，未来 7 ～10d 退水过程。

4） 通 化 市 气 象 台 预 报未 来 24h （A24）、48h（A48）、72h（A72）降雨 量级 信 息 。

5）桓仁水库流域连续性暴雨的间隔规律与 10 d预见期。

6）流域蒸散发的消退规律。

7）桓仁、回龙、太平哨水库泄流能力；调度专家及决策者汛限水位控制的经验等。

浑江流域电站建有完善的水情测报系统，畅通率、可用度满足实用要求。桓仁水库洪水预报产流预报检验合格率为 85．7%，按《水文情报预报规范》规定，净雨预报检验精度为甲级。汇流预报检验中，洪峰流量预报检验合格率为 94．9%，峰现时间预报检验合格率为 89．7%，汇流预报检验项目合格率的算术平均值为 92．3%；汇流预报检验的确定性系数的算术平均值 DC 为 0．85，汇流预报检验精度也为甲级。

短期洪水预报方案可在实际洪水调度中应用。洪水预报的预见期是雨水汇集到集水断面的集流时间决定的，有效预见期有限。

因此文中重点研究天气信息的可利用性。

4 短期天气预报信息可利用性分析

浑江桓仁水库以上流域面积 80%以上位于吉林省通化市境内。桓仁电站管理部门和通化气象台签订有气象服务合同。下面以通化气象台发布的1999—2005 年共 6 年汛期未来 24h 降水预报资料（共 854d）为样本，用统计学的方法计算未来 24h降水预报的确率、漏报率、空报率等特征指标值。

4．1 降雨预报频率统计

依据通化市气象站 854d 资料，统计桓仁流域未来 24h五个等级降雨预报的实际发生量级的分布，确率、漏报率、空报率，其结果列入表 1。由表 1可知：

1）通化市气象台五个预报量级对应的实际降雨量级经验频率分布属于偏态型，除无雨量级预报以外，空报率大于漏报率，即有“预报偏大”的倾向，这不能排斥预报员的心理因素影响，从防洪安全角度，6—9 月防汛期间预报偏大是可以理解。

表 1 通化市气象台未来 24h各级降雨预报精度分析表

2）未来 24h 无雨的预报样本 352 次，无雨预报的确率为 95．2%，漏报率为 4．8%，无雨预报发生中雨以上的频率仅为 0．9%，无雨预报结果可利用。

3）未来 24h 小雨的预报样本 402 次，小雨预报的确率为 27．4%，空报率为 54．2%，漏报率为18．4%，即发生小雨及以下量级的概率较大，为81．6%，小雨预报结果也可利用。

4）就目前提供的资料看，中雨以上量级的发布次数为 100 次，其统计分析结果仅供参考。

从气象部门的降雨预报水平看，预报无雨（或小雨），漏报可能发生大暴雨（100．1～200mm）的频率极小。另外，1954—2004 年近 50 年间实际大到暴雨日，发生流域日降水量超过 100mm 的只有两次，一次是 1995 年 7 月 29 日 101．3mm，一次是1960 年 8 月 03 日 101．8mm，而桓仁水库可抗御能力较大。因此利用通化市气象台对桓仁流域未来 24h降雨预报的信息是安全可行的。

因大雨以上量级预报次数较少，所以暂不单独作频率分析。表 2 列出 1999—2005 年大到暴雨预报与降雨量实况比较情况，正确次数 10 次占 71．4%。

4．2 未来 24h 无雨和小雨预报实际降水量的频率分布规律

桓仁流域未来 24h，无雨和小雨预报的实际发生降水量的 P-III 型统计参数及频率分布见表2和表 3。

表 2 桓仁流域未来 24h无雨和小雨预报实际降水量分布的统计参数表

表 3 桓仁流域未来24h无雨和小雨预报实际降水量频率分布表

从上面分析可以看到，无雨预报，发生漏报，万年一遇频率为 40．3mm 每秒，小雨预报发生万年一遇频率为 85．7mm。这只是从理论计算得出结果，从实际预报结果看，在近年实际预报中，24 h 预报无雨，最大出现降雨不超过 10mm，而且多为局部性阵雨，这在浑江流域 10400km2范围内是可能出现的对流行天气，而且有些流域不在通化气象台预报范围之内。通过上述分析，可以得出结论：通化气象台 24h 天气预报信息可以利用。

5 实际应用情况检验

下面以 2005 年一场洪水为例，探讨短期天气预报信息的具体应用，说明其应用综合信息过程及其效益。

5．12005 年 8 月 17 日洪水实时信息分析

1）预报信息。17 日早 10∶00 通化市气象台预报未来 24h 浑江流域有暴雨；14∶00 再次预报晚间有暴雨，降雨量大于 60mm。

2）实际降雨信息。17 日 20∶00 时受副高后部切变影响浑江流域开始降雨，24h 桓仁水库流域平均降雨量 59．3mm（19 个雨量站算术平均，通化单站降雨 80mm）。说明通化市气象台的降雨量预报准确。

3）水情。由于流域在 8 月 12 日发生一次超过90mm 的暴雨过程，17 日处于上次洪水的退水阶段。当时入库流量 750m3/s，库水位 301．08m；实际 6h 洪峰 2670m3/s，发生在 8 月 19 日 14 时。最高水位 22 日 20 时，水位 302．19m；最大泄流量1680m3/s。

4）面临时刻 8 月 20 日 20 时，库水位为 301．19 m，入库流量 911m3/s。已经进入后汛一期。

5）当日通化市气象台发布降雨预报信息：未来120h 没有降雨发生，尤其是 24h、48h 内均为晴好天气。

5．2 原规划设计调度方案

不考虑降雨预报，水库继续开启高孔泄洪，保持后汛一期水位不变，同时机组进行满发，机组加闸门泄量等于此时入库流量，到 22 日 8 时，此时入库流量 480m3/s，等于机组满发流量，水位为 301m。

5．3 考虑综合信息的实际调度方案

由于考虑未来降雨预报信息，在 8 月 20 日 8 时将高孔闸门关闭，当时水位 301．99m，入库流量大于出库流量，水位在 22 日 14 时上涨到 302．19m。

在桓仁水库闸门关闭后，桓仁水库保持大发到 8 月 27 日，水库水位 301．17m，运行方式调整为回龙山电站满发，桓仁水库进行补偿调节。回龙山电站保持满发到8月末。

5．4 增加效益计算

对于 8月 17日的降雨，由于处于后汛一期，在 22 日 14 时水库水位 302．19m 关闭闸门。这次过程桓仁水库比后汛一期控制水位 301m 多蓄水1．08 亿 m3，由于在桓仁水库关闭闸门后桓仁机组一直处于满发状态，回龙电站处于弃水阶段，因此桓仁水库多蓄水量只能应用于桓仁、太平哨两电站发电，其间桓仁电站多发电为：1479 万 kW·h，太平哨站为 939 万 kW·h，按当时上网电价 0．337元计算，增加电站管理部门效益 814．8 万元。

6 初步结论

从上面分析可见，如能充分利用短期天气预报信息，则可增加 24h 预见期。桓仁水库泄洪能力较大，下游安全泄量为 4000m3/s。如提前 24h预泄，按比较保险 3000m3/s下泄（通过近年泄洪情况，河道多次经受 5000m3/s泄流量考研，没有出现任何问题），24h 可泄洪 2．59 亿 m3，桓仁水库在正常高水位到闸门顶，有 3.1 亿 m3防洪库容可以利用，也就是说可多蓄水 2.59 亿 m3/s，在下次降雨来临前，通过发电方式消落水库水位，回到正常汛限水位之内。

今后的研究中，还应进一步分析中长期天气预报统计规律分析，以便更长期准确的预测来水，及时调整机组运行方式，合理预蓄预泄，获得更大效益。

［1］王本德，周惠成，王国利等.水库汛限水位动态控制理论与方法及其应用［M］. 中国水利水电出版社.2006.

［2］李福威，丁文昌.浑江桓仁水库径流特性分析［J］.东北水利水电，2001（6）：29-30.

［3］袁晶喧，李福威.桓仁水库汛限水位动态控制关键技术研究［J］.水力发电，2008，（1）：22-24.

［4］桓仁水库汛限水位动态控制研究报告［Z］.大连理工大学，桓仁发电厂，2005.

［5］程春田，王本德.短期气象降雨预报在水库防洪调度中的可行性分析，大自然探索，1994（4）.

［6］张利平，夏军.短期定量降水预报研究进展［J］.武水电力大学学报，2002（2）.

［7］王本德，朱永英，张改红，周惠成.应用中央气象台 24h降雨预报的可行性分析［J］.水文，2005（6）.

TV697.1+21

A

1002－0624（2014）02－0047－03

2013-11-08