葠窝水库汛期水位实时控制研究

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我国北方的水资源短缺问题十分突出,年内分布极不均衡,并且约70%的水资源集中在汛期。理论与实践均表明,利用现有的水库工程,通过对汛期水库汛限水位实时动态控制,可以在不额外增加防洪风险的同时,提高洪水资源的利用效率,是提高水资源利用率的重要的非工程措施,其核心是充分利用降雨预报信息和洪水预报信息。时至今日,在水库汛限水动态控制的研究与应用领域出现三个方面的变化,一是对水资源的需求日趋增加,二是水库(或流域)特性条件发生变化,三是预报信息的获取途径更加多样。水库汛限水位动态控制研究与应用须适应上述三个方面的变化。本文以太子河流域的葠窝水库为工程背景,在葠窝水库汛限水位动态控制已有研究成果的基础上,针对葠窝水库工程发生的变化,复核原防洪调度成果已不适用,同时降雨预报产品出现新的变化,降雨样本数据增加,降雨预报信息可获取的时间尺度更长,研究与之相适应的汛限水位动态控制方案。首先,分析ECMWF(欧洲中期天气预报中心)的预报产品在葠窝水库的可利用性,分析不同时间尺度降雨预报信息的耦合利用方式;其次,采用改进的防洪预报调度方式和改进的预泄能力约束法确定葠窝水库汛限水位动态控制域,利用预泄回充法确定实时阶段下调的汛期起调水位,制定葠窝水库的汛限水位动态控制方案;最后,以一场洪水为实例,分析葠窝水库汛限水位动态控制方案的可行性。取得主要成果如下:(1)针对葠窝水库淤积导致其水位库容重要特征曲线关系发生明显变化现状,保持水库(群)特征水位、水库下游控制断面的流量等约束条件不变,利用新的水位库容曲线,复核观音阁水库、葠窝水库的常规调度方式及水库群联合防洪预报调度方式。结果表明,葠窝水库淤积后,原常规调度、防洪预报调度规则和汛期起调水位等研究成果不满足于原设计的要求,而现设计的常规防洪调度方式确定的汛限水位过低,导致葠窝水库供水压力较大。因此,亟需研究葠窝水库新的防洪预报调度规则,耦合更长时间尺度降雨预报信息的常规调度方式,增加预泄水量,抬高现设计的汛限水位,以适应水库淤积的新情况。(2)分析24h、48h、72h等不同尺度降雨预报信息的可利用性及其耦合利用方式。首先,对比已有研究时段2008~2015年每年的5~9月,延长降雨样本数据系列长度,研究时段为葠窝水库2008~2021年每年的5~9月,以ECMWF预报机构发布的相应时段和区域降雨预报信息为基础,采用皮尔逊Ⅲ型分布曲线划分降雨量级;其次,采用频率分析和误差统计方法,对不同预见期下降雨预报信息进行三率分析,量化分析降雨预报精度;最后,通过分析不同预见期降雨预报信息可利用性和分布情况,对耦合不同时间尺度大量级降雨预报信息利用方式进行研究。结果表明,随着降雨样本数据延长,降雨预报精度整体变化不明显,更长预见期降雨预报水平没有达到直接利用程度,需要研究耦合不同时间尺度降雨预报信息利用方式,在实际调度阶段,当预报24h的降雨为第“Ⅲ”量级降雨时,水库可以按5~10mm降雨量提前下泄水量;当预报24h的降雨为第“IV”量级降雨时,水库可以参考10~15 mm降雨量提前下泄水量。(3)由于葠窝水库汛限水位动态控制原研究成果已不适用,首先,根据淤积后葠窝水库的情况,参照淤积前的防洪预报调度规则,进行一定修正,制定淤积后的防洪预报调度规则,并采用新的防洪预报调度方式确定葠窝水库汛期起调水位抬高值,采用改进的预泄能力约束法确定葠窝水库汛期起调水位抬高值,从安全角度考虑取较小值为汛限水位动态控制域上限,确定葠窝水位库汛限水位动态控制域;其次,采用预泄回充法确定在实时调度阶段可降低的汛期起调水位;最后,制定耦合不同时间尺度降雨预报信息的汛限水位动态控制方案,将方案应用于“20100819”次洪水的实际模拟调度。结果表明,制定的汛限水位动态控制方案可行,与常规调度方式相比,预蓄预泄调度方案调洪最高水位降低1.49m,防洪库容增加16.5×10~6m~3,调洪末水位提高了1.85m。最后总结本文研究成果,指出了本文研究中存在的不足和未来有待进深入研究的问题。
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