大中型水库动态抗暴雨能力研究与应用

2024-01-08阙家骏王轶凡李志阳

水利信息化 2023年6期

郑宁，阙家骏，王轶凡，李志阳

（宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江宁波 315033）

0 引言

我国水库众多，在防洪调度和水资源调配中承担重要任务，水库的防汛预报能力尤为重要。2021 年10月12 日水利部相关会议指出，要按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生流域，加快构建具有预报、预警、预演、预案（以下简称“四预”）功能的智慧水利体系[1]。

关于水库抗暴雨能力的研究，金云杰[2]、国洪琴[3]、张立明[4]等基于不同的起调水位，采用径流系数，反推不同起调水位下能容纳的蓄水量作为水库抗暴雨能力；车云竹[5]和侯爱中[6]35-36都明确解释了抗暴雨能力，并采用试算法反推了中小型水库抗暴雨能力；谢水石[7]基于不同起调水位，利用新安江模型计算入库流量，并在团结水库进行应用，效果较好。基于中小型水库抗暴雨能力预报预警关键技术研究项目[8]技术，郑宁[9]结合中小型水库入库预报模型和降雨典型雨型设计，进行了中小型水库抗暴雨能力预报方法的研究。白丹[10]以溧水方便水库为例，进行了水库抗暴雨能力研究；吴志勇等[11]引入概率降雨情景，考虑流域不同情况降雨的可能性及对产汇流的影响，进行了中小型水库抗暴雨能力概率预报的研究应用。

目前已有的抗暴雨能力研究多针对中小型水库，而大中型与中小型水库在调度出流控制方面存在显著差异。基于已有的研究成果，结合主流信息技术，以周公宅水库为例，进行大中型水库动态抗暴雨能力研究，进一步提升水库工程防汛防台水平，强化“四预”中的预报预警能力。

1 大中型水库动态抗暴雨能力研究

1.1 总体架构

大中型水库动态抗暴雨能力研究 5 层结构体系如图 1 所示，采用数字化手段，基于数据的采集传输、存储，通过搭建水库动态抗暴雨能力智能分析模型和应用框架，为业务系统提供数据支撑，并为外部防洪“四预”、水库群防洪调度、省市县等多级防洪共享模型提供服务和数据。

图1 大中型水库动态抗暴雨能力总体框架

1.2 模型计算流程

抗暴雨能力的计算涉及下垫面、水库调度、降雨过程等在内的多方面影响因素，而由于水文过程的非线性特征，这些因素互相影响和制约，无法直接通过逆运算得出抗暴雨能力，需要采用试算的方法反推[6]36。大中型水库动态抗暴雨能力智能分析模型计算流程如图 2 所示。

图2 大中型水库动态抗暴雨能力智能分析模型计算流程

1）假设降雨生成。假设n个降雨量Pi（i=1，2，…，n），通常设为 25，50，100，200，300，400，500 mm……，根据当前水位进行分析处理，若处于低水位，则加密小雨量场次，若处于高水位，则加密大雨量场次，并开放人工干预设置。

2）降雨时程分配。获取数据库的典型历史雨型过程、历史台风和预报降雨等数据，若预报降雨是台风雨，则使用与之最相似的历史台风降雨过程进行历史台风相似分析[12]，若无台风，则使用用户设置的雨型。根据雨型将步骤 1）的n场假设降雨Pi进行时程分配（72或24 h）。

3）水库入流计算。将获取的前期降雨、模型参数及其他数据，输入水库入库预报模型进行水库入流计算，得到n个入流过程Q1i（i=1，2，…，n）。采用集总式新安江模型进行周公宅水库入流计算[13]。

4）水库调度计算模式智能分析。大中型水库调度通常包括规则、指令、补偿等模式[14]。根据水库的当前水位、调度规则、当前出流及调度指令数据，分析水库当前所处状态，智能选择调度计算模式，并开放人工干预设置。调度计算模式智能分析方法如图 3 所示。

5）水库调度计算。根据步骤 4）的调度计算模式调用水库调度模型，计算n场出库流量过程Q2i（i=1，2，…，n）。对于某一水库，水位上涨到与出库平衡的时候最危险，此时水位最高，水库净增蓄水量最大，也可看出水库能否抵御降雨，即水库的抗暴雨能力。根据步骤 3）的Q1i和Q2i可得出n个最大净增蓄水量Wi（i=1，2，…，n）。

6）P-W曲线绘制。根据步骤 1）和 5）的结果点绘（Pi，Wi）即可得到P-W曲线，并对曲线进行异常分析，无误后存入数据库。

7）抗暴雨能力分析。获取水库的控制水位及水位-库容曲线数据，得到当前水位与控制水位的库容差，查询P-W曲线即可得出当前状态下水库的抗暴雨能力。也可根据预报降雨总量查P-W曲线得出水库最大净增蓄水量。

8）动态执行。当前实时水位发生变化或下垫面状态改变时，重复步骤 1）～7），实时刷新水库抗暴雨能力分析成果，实现抗暴雨能力的动态计算，并即时存入数据库。

1.3 业务应用功能

通过数据汇聚和智能分析模型的建立，结合不同的应用场景、表现载体，构建大中型水库动态抗暴雨能力分析系统，业务应用功能框架如图 4 所示。另外大中型水库动态抗暴雨能力分析可与降雨预报、来水预报、水库调度、预警管理、下游淹没分析、预演分析、预案管理等结合形成“四预”功能体系，也可用于水库群防洪及县、市、省等多级防洪应用。

图4 大中型水库动态抗暴雨能力分析系统业务应用功能框架

1）驾驶舱融合展示。水库动态抗暴雨能力分析成果可融入水库工程可视化驾驶舱，结合实时监测、预报预警、气象等数据，为水库防汛指挥决策提供支撑。

2）典型雨型管理。基于历史雨型数据，建设典型雨型管理功能，提供查看、添加、编辑典型雨型的窗口，为大中型水库动态抗暴雨能力分析计算提供支撑。

3）水库自动分析。面向降雨来临前的防汛形势研判，基于自动分析模型和实时监测数据，可在台风、场次降雨来临前或过程中，对水库抗暴雨能力进行自动分析，为防汛会商提供决策支持。

4）人工干预分析。面向降雨来临前和过程中的防汛会商研判，基于自动分析模型和实时监测数据，人工输入相关参数进行抗暴雨能力分析计算，包括假设降雨、雨型、调度计算模式等，满足防汛过程中多种自定义的抗暴雨能力分析需求。

5）防汛简报。基于水库自动分析和人工干预分析成果，以预先设置好的模板格式自动生成防汛简报，并发送至水库横向或上级主管等部门。

6）分析成果管理。基于存储在数据库的水库动态抗暴雨能力实时计算数据，提供成果数据查询统计功能。可自定义查询历史抗暴雨能力数据，并对历史数据进行多维统计分析。

7）移动应用。基于移动应用平台（“钉钉”等App），实现水库实时抗暴雨能力分析、人工干预计算等功能，方便水库监管人员随时随地查询、计算水库实时抗暴雨能力。

2 周公宅水库应用

2.1 周公宅水库概述

周公宅水库位于奉化江支流大皎溪，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、供水等综合利用的大（二）型水利工程。工程挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高为 125.5 m。水库所在流域多年平均降雨量为1 837.4 mm，雨量丰沛，水库按 500 年一遇洪水设计、2 000 年一遇洪水校核，主要泄水建筑物包括 2 台发电机组、3 孔溢洪道闸门和 1 孔预泄闸。周公宅水库与下游的皎口水库相距较近，洪水调度与水资源调配关系密切。

周公宅水库洪水调度原则如下：

1）库水位低于 231.28 m（5 年一遇洪水位），下游皎口水库正在补偿泄洪时，控制下泄流量不超过280 m3/s；如皎口水库已停止泄洪，则控制下泄流量不超过 100 m3/s。

2）库水位超过 231.28 m、低于 237.12 m（20 年一遇洪水位）时，控制下泄流量不超过 350 m3/s。

3）库水位超过 237.12 m、低于 237.43 m（100 年一遇洪水位）时，控制下泄流量不超过 1 300 m3/s。

4）库水位超过 237.43 m 时，控制出库流量与入库流量基本持平，直至三孔泄洪闸门全开敞泄。

5）库水位回落阶段，根据气象预报及水库上下游情况，及时调整下泄流量，尽快将库水位降至台汛期控制蓄水位。

周公宅水库主要特征水位及库容如表 1 所示。

表1 周公宅水库主要特征水位及库容

2.2 多源数据汇聚

随着水利工程标准化及智慧水库的建设，周公宅水库的水利监测数据采集、传输、存储等方面的基础设施逐渐完善，本次监测数据主要从周公宅水库管理站获取，各类数据及数源单位如表 2 所示。

表2 周公宅水库动态抗暴雨能力计算所需数据清单

2.3 应用成果分析

依据 2022年9 月周公宅水库抵御台风“轩岚诺”起调水位和台风“梅花”过程水位，进行水库动态抗暴雨能力实时模拟计算，结果如图 5 所示。

图5 不同起调水位下周公宅水库 P-W 曲线图

由模拟结果可知，周公宅水库在中低水位时，随着降雨量增大，水库最大净增蓄水量增长较平缓，伴随调度规则的改变会出现抗暴雨能力陡增的转折点，此时水库抗暴雨能力动态变化显著，水库人员更多关注水库抵抗暴雨能力的变化及预报降雨；在高水位时，伴随着较大的指令出库流量，水库可轻易抵抗较大的降雨量，但降雨产生的入库水量超过出流水量后，水库最大净增蓄水量随降雨量增大而迅速增长，此时水库的抗暴雨能力变化不显著，水库更多关注调度出流与水位控制。

模拟结果与实际数据的对比分析如表 3 所示。结果表明，周公宅水库在台风“轩岚诺”起调水位时抗暴雨能力为 600.0 mm，远大于实际降雨 273.6 mm，在防洪高水位下能安全度过这场降雨，实际最高水位为 228.17 m，小于防洪高水位 237.12 m，水库动态抗暴雨能力计算是合理的；在台风“梅花”起调水位时抗暴雨能力为 573.00 mm，大于实际降雨 444.50 mm，在台风过程中，随着起调水位上涨，抗暴雨能力先降低再上升，实际降雨集中在前期和中期，整个过程中不同水位计算的实时抗暴雨能力均大于实际降雨，水库实际最高水位为 235.20 m，低于防洪高水位 237.12 m，水库动态抗暴雨能力计算是合理的。

表3 周公宅水库动态抗暴雨能力计算结果对比表

与中小型水库抗暴雨能力计算方法相比，大中型水库的P-W曲线在斜率、增幅方面差异较大，差异主要与出流控制方式有关：

1）中小型水库多为无闸门控制敞泄出流，而大型水库通常有闸门控制，且洪水调度出流规则常为阶梯式，P-W曲线易出现突变转折点；

2）在高水位时大中型水库通常按照上级调度指令进行泄水，可承受更多降雨，降雨产生的入流与出流平衡后，最大净增蓄水量随降雨的增加涨幅较大。

因此，大中型水库的抗暴雨能力计算需要对假设降雨进行加密，并接入实时出库流量和调度令数据，确保调度计算模式的准确性，以保证抗暴雨能力计算结果可靠。

3 优势及创新性

针对大中型水库动态抗暴雨能力分析系统的构建，本研究提出了详细的计算流程和业务应用功能设计，优势及创新性如下：

1）提升了计算实时性。实现了水库抗暴雨能力的动态计算，可根据水位及下垫面变化实时更新计算成果，并支持人工干预动态更新，为水库防汛形势研判提供实时支撑，同时可进行库容差-抗暴雨能力、预报降雨量-最大净增蓄水量的双向查询计算，提升了水库抗暴雨能力计算成果的价值。

2）创新了智能计算模式。融入历史台风相似和水库调度智能等分析，结合多源实时数据，可实现水库动态抗暴雨能力全自动智能化分析，提升水库动态抗暴雨能力计算智能度。

3）提高了计算精细度。目前广泛使用的纳雨能力计算，根据水库库容采用径流系数直接反算降雨量，过于粗糙。抗暴雨能力的计算涉及下垫面、水库调度、降雨过程等在内的多方面影响因素，本研究的抗暴雨能力分析计算模型采用水文模型试算，将纳雨能力计算由粗放转为精细。

4）扩大了水库抗暴雨能力应用范围。a.多场景适用。可适用于单水库或多水库联合管理单位，以及县、区、市、省、国家等层级；既可进行自动分析计算，也可通过人工干预进行计算，能够适应不同层级用户及场景功能等需求。b.多资源利用。可与多种水文模型无缝融合，水库抗暴雨能力的计算只与水文模型的输入与输出有关，两者耦合度较低，因此水库抗暴雨能力的计算可无缝融合集总式、分布式水文模型，极大提高开发部署效率。目前，水利部正在全国范围内大力推进数字孪生流域/工程建设[15-16]，水库动态抗暴雨能力可与“四预”体系、数字孪生底座高效集成，为数字孪生流域/工程建设添砖加瓦。