（水文学及水资源专业论文）基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究.pdf

摘要 摘要 本文从水库的兴利角度出发，针对目前滦河流域的干旱缺水的状况，结合我局建设 的防汛现代化系统，主要是中短期气象预报系统和水雨情遥测系统，最终利用水文预报 的预见期，在汛期实施风险调度。 随着国家气象中心研制的“华北地区中尺度数值预报系统”完成，可以实现以北京 为中心的覆盖北京及周遍地区分辨率为6 公里的地面要素预报，包括每3 小时的降雨量， 每日8 时、2 0 时发布2 4 、4 8 、7 2 小时降雨预报。中、短气象预报成果如何被引入到水 文预报中，以提高水文预报的预见期，从而指导潘家口水库的调度工作，是我们关心的 问题。 在汛期的洪水调度中，在确保防洪安全的前提下，依靠现有的气象预报和水文预报 手段，考虑滦河流域的洪水特点( 每年发生洪水的时间在7 月下旬和8 月上旬，洪水场 次只有1 - 2 次) ，如何利用中短期气象预报和水文预报的成果，在不改变原有洪水允许最 大下泄流量和水库最高调洪水位的基础上，充分考虑中短期气象预报成果和洪水预报结 果，适当提高水库的迎汛水位，改变原设计中坝前水位控制的调度方式，在洪水到来之 前依靠水文预报的预见期，利用潘家口水库现有机组提前加大下泄量，在入库洪峰到来 之前预泄超蓄的部分洪水，降低水库水位。以此发挥潘家口水库在洪水资源化调度中的 作用和其作为不完全多年调节水库的作用，解决好防洪与蓄水的矛盾将是本课题研究的 主要内容。 【关键词】中短期降雨预报洪水预报洪水调度 预见期浮动汛限水位 河海大学工程硕士学位论文 基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 a b s l r a c r w i t hr e f e r e n c eo f t h e d r o u g h ts i t u a t i o ni nl u a n h ea r e a , t h ep a p e r , c o m b i n e dw i t hm o d e r n f l o o dc o n t r o ls y s t e m si no u rb u r e a uw h i c ha r em a i n l ym i d - a n d - s h o r t - - r a n g em e t e o r o l o g i c f o r e a s t i n gs y s t e ma n dr a i n f a l lp a t t e mt e l e m e t r ys y s t e m s ，e v e n t u a l l yr e a l i z e sr i s kd i s p a t c h i n gi n n o o ds e a s o nf o rp r o f i tp r o m o t i o no f t h er e s e r v i o rb ym a k i n gr i s eo f t h ed u r a t i o no f h y d r o l o g y f o r c a s t i n g a f t e rt h ea c c o m p l i s h m e n to f ”t h es c a l em a t h e m a t i cf o r c a s t i n gs y s t e mi nn o r t hc h i n a ” r e s e a r c h e db yn a t i o n a lm e t e o m l o g i cc e n t e r , t h es u r f a c ed a t af o r c a s t i n gc a l lc o v e rb e i j i n ga n d i t ss u r r o u n d i n ga r e a s ，w h i c hi n c l u d e sr a i n f a l la n a o u n tf o r e a s t i n ge v e r yt h r e eh o u r sa n da 3 6 - h o u r - 内r c a s f i n ga t0 0u n i v e r s a lt i m ee v e r yd a y t oi n c r e a s et h ef o r h e a dt i m eo f t h er e s e r v i o r , t h em i d a n d - s h o r t - r a n g em e t e o r o l o g i cf o r c a s t i n gr e s u l t ss h o u l db ei n 订o d u c e di n t oh y d r o l o g y f o r e a s t i n g t h e nt h ed a t ac o l l e c t e db yt h et e l e m e t r ys y s t e m sa r eu s e dt o t oa j u s tt h eu p p e r f o r c a s t i n g t h ed i s p a t c h i n gw o r ko fp a n j i a k o ur e s e r v i o ra r cb e t t e rc o n d u c t e dw i t lt h e i n c r e a s e df o r h e a dt i m e t h ee x i s t i n gm e t e o r o l o g i cf o m a s t i n ga n dh y d r o l o g yf o r c a s t i n gs h o u l db eu s e dt or e d u c e t h el o s ec a u s e db yf l o o dt ot h em i n i m u n ld e g r e ei nf l o o dd i s p a t c h i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e f l o o di nl u a r t h ea r e ai st h a tf l o o ds e a s o ni su s u a l l ya tt h ef i r s tt e nd a y so f j u l ya n da u g u s ta n d t h ef l o o de v e n ti sb e t w e e nla n d2 t h ei n c r e a s e df o r h e a dt i m e , w h i c hi sa c c q u r e db yf u l l y c o n s i d e r i n gt h em i d - a n d - s h o r t - r a n g em e t e o r o l o g i cf o r c a s t i n gr e s u l t sa n dh y d r o l o g yf o r c a s t i n g r e s u l t sa c c o r d i n gt ot h em a x i m a ld i s c h a r g ea n dt h eh i 曲e s tw a t e rl i n ep e r m i t t e d mw a t e rl i n e b e f o r ef l o o ds e a s o l lc o u l db ei n c r e a s e da p p r o p r i a t e l ya n dt h ep r e v i o u sd i s p a t c h i n gm e t h o do f t h em i d d l ed a ms h o u l db ec h a n g e dt ou s ef o r h e a dt i m eb e f o r ef l o o dc o m e s t h ea s s e m b l i n gs e t o ft h ep a n j i a k o ur e s e r v i o rc o u l db eu s e dt oi n c r e a s ed i s c h a r g ea n dp r e d i s c h a r g ep a r to f s u r p l u sf l o o dt or e d u c et h ew a t e rl i n es t e pb ys t e p t h em a i nc o n t e n to f t h ep a p e ri st oe x e r t f u l l yt h er o l eo ft h ep a n j i a k o ur e s e r v i o rw h i c hi s a ni n c o m p l e t ea a j n s t i v er e s e r v o i ri n f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o na n dr e s o l v et h e c o n t r a d i c t i o no f t h ef l o o dc o n t r o la n dw a t e rs t o r a g e k e yw o r d ：m i d - - a n d - s h o r t - r a n g e r a i n f a l lf o m a s t i n gf l o o df o r e a s t i n g f l o o dd i s p a t c h i n gf o r h e a dt i m ef l u c t u a n tl i m i t i n gl e v e li nf l o o ds e a s o n 第一章概述 第一章概述 1 1 问题的提出 潘家口水库位于河北省唐山市与承德市交界处的滦河干流上，滦河流域是海河流域 最北端的独立的河系，潘家口水库控制滦河流域面积的7 5 ，是滦河流域汛期防洪的骨 干工程，潘家口水库属不完全多年调节水库，其汛期蓄水与防洪矛盾十分突出。主坝为 混凝土低宽缝重力坝，按1 0 0 0 年一遇洪水设计，5 0 0 0 年一遇洪水校核，其调节性能为 不完全多年调节。其主要任务是以供水为主，结合供水发电，兼顾防洪，是引滦工程的 主要蓄水工程，其主要作用是向天津、唐山两市供水，是天津、唐山两市唯一可靠的水 源工程。自1 9 8 0 年潘家口水库正式投入运行以来，已实现供水2 2 6 亿立米，为天津、 唐山两市经济的发展做出了重要的贡献。 潘家口水库汛限水位为2 1 6 m ，最高蓄水位2 2 4 7 m ，防洪与兴利重复库容为5 4 亿 m 3 ，约占兴利库容的近3 0 ，这个比例是比较大的。由于潘家口水库的汛限水位相对较 低，因此汛期防洪与蓄水的矛盾比较突出。根据1 9 9 7 年和1 9 9 9 年潘家口水库调度运用 资料分析，由于受潘家口水库汛限水位的限制，1 9 9 7 年和1 9 9 9 年这两个大早年的前一 年，潘家口水库均有大量的弃水，1 9 9 6 年弃水2 2 9 亿m 3 ，1 9 9 8 年弃水8 9 亿m 3 ，而 且弃水绝大部分发生在主汛期，造成了引滦水资源的大量浪费。 1 9 9 9 年2 0 0 3 年滦河流域连续发生了近百年一遇的特大干旱，造成了三次动用死库 容向天津供水，特别是2 0 0 0 年、2 0 0 2 年和2 0 0 3 年潘家口水库的可供水量已不能满足津、 唐两地区的用水需求，导致天津市两次从黄河应急调水。 滦河流域径流经常出现连丰或连枯的现象，根据滦河1 9 2 8 2 0 0 3 年资料统计，连续 2 3 年的枯水段出现过5 次，大于3 年的2 次。潘家口水库由于受汛限水位和调节性能 的限制，蓄水难以满足连续枯水段和特枯年份的供水要求，水库的效益受到很大影响。 根据目前的水库运行现状和严峻的缺水形势，考虑潘家口水库气象预报技术水平和 水文预报精度，改变原有的只有雨落地之后通过遥测系统和水雨情广域网系统采集到水 雨情数据才能作预报的局面，利用水文预报结合中短期气象预报的成果，以增加水文预 报的预见期，在潘家口水库汛期实旌风险调度，适当提高水库汛期限制水位，抓住每年 仅有的1 2 场洪水，增加水库汛期蓄水量，充分发挥潘家口水库多年调节库容的作用从 而在一定程度上改善下游的用水紧张状况，更好地发挥潘家口水库的综合效益。该课题 的研究有助于水库在气象、水文预报系统的支持之下，利用增加的预见期改变坝前水位 河海大学工程硕士学位沦文 基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 控制的水库汛期的调度运行模式，在确保潘家口水库工程安全的前提下，在汛期适当浮 动潘家口水库的汛限水位，既能最大限度地发挥潘家口水库拦洪削峰的作用，又能使水 资源得到有效的存储和开发利用，成为可能。 1 2 国内外研究现状 由于北方地区的连续干旱，北方水库在实际的调度工作中，为了拦蓄汛期仅有的l 2 场洪水，尽管在汛期利用水文预报的预见期实施浮动汛限水位在在理论还有争议，但有 的水库已经改变原设计中坝前水位控制的调度方式，采用结合水文预报的预见期实旋予 泄调度的方式。但这种调度方式可以说“合理不合法”，目前国家防办组织有关科研院所 开展水库汛限水位设计与应用研究，还有待于从理论上证明其合理性、科学性，尤其是 结合中短期气象预报实施的预报调度，在国内水库汛期调度中还比较少见，本文从理论 上来讲也是较为先进的。 本课题所研究的内容，在国外的水库预报和调度文献中很少见到，目前大多为利用 雷达测雨信息、水文遥测信息结合水文预报系统进行以延长预见期为目的的作业预报， 利用中短期气象格点预报成果结合预报系统而增加的入库洪水的预见期，并利用所增加 的预见期从理论上加以研究水库汛期调度问题更是不多见。 1 3 本文研究内容 本文从充分利用气象格点预报结合水文预报所增加预见期这一角度出发，遵循五不 变原则( 水库的任务和功能不变、设计洪水成果不变、水库设计防洪标准不变、 水库工程措施不变、不增加库区移民和淹没范围) 论证水库的调度潜力，使潘家口 水库在汛期根据实际情况，适时浮动汛限水位有一定的科学的依据。实现潘家口水库汛 期汛限水位的动态管理。在不增加工程投资的情况，将极大的提高滦河水资源的利 用率，这对干旱地区的水源水库的汛期调度具有重要的指导意义。由于本课题所研 究的内容从生产实际出发，结合现有的气象预报和水文预报技术，尤其是较为前沿的气 象预报技术，从理论上证明预报调度的可行性和科学性，为实际的调度工作提供较为充 分的理论依据。该课题目前在国内具有一定的先进性，而且有一定的普遍意义。本课题 的技术难度在于，由于没有可以参考的有关资料，同时该课题涉及气象预报系统、洪水 预报系统、水库调度系统三大系统有关技术问题，中短气象格点预报数据如何引用的技 术问题；如何从理论上证明利用水文预报的预见期在汛期调度中应用技术问题。 第二章基本情况 2 1 流域自然地理特征 2 1 1 地理位置 第二章基本情况 滦河发源于河北省丰宁县坝上骆驼沟乡小梁山南坡大古道沟，流经内蒙古、辽宁、河 北的2 7 个市县区，于河北省乐亭县兜网铺注入渤海，全长8 8 8 公里，流域面积4 4 9 0 0 平方公里，其中山区占9 8 ，平原占2 ；按行政区划，河北省占总面积的8 1 ，内蒙 古自治区占1 5 5 ，辽宁省占3 5 。 滦河流域位于华北平原东北部，北纬3 9 。1 07 4 2 。3 5 ，东经1 1 5 。4 07 1 1 9 。2 07。 北部以苏克斜鲁山、七老图山、努鲁尔虎山及松岭为界，与西拉木伦河、老哈河、大凌 河、小凌河、洋河相邻：西南以燕山山脉为界，与潮白河、蓟运河相邻：南临渤海。流 域自西北至东南长4 3 5 公里，平均宽度1 0 3 公里。潘家口水库位于滦河中游迁西县的杨 查子村，水库以上控制流域面积3 3 7 0 0 平方公里，占流域总面积的7 5 以上。( 见图2 - 1 ) 勉 。、谴坷目 过， 。、- 伊舟、 7 、。：一 划 乙奠弘鼍 、潆 2 1 2 地形地貌 婚汪茏 老 、，宽墟ew、：津厂 擎；耋历、 夕坷摹：芸罗 _ - - + 一大型水库 j u u l r u l 肌长 城 挂市 北京 图2 - l 滦河流域示意图 建 化 唐山 河 滦河流域地形差异大，但地形总的变化趋势基本与河流流向一致。按照地表形态可 分为高原、山地、平原三大地貌类型。高原主要分布于流域北部，海拔高程在1 4 0 0 1 6 0 0 米；山地( 包括丘陵和山间盆地) 主要分布于高原以南，平原以北，坡度一般在2 0 0 河海大学工程硕士学位论文基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 4 0 0 之间，按照海拔高度又可将其分为高山、中山、低山和丘陵四种类型：平原位于流域 南部，属山前倾斜平原，纵坡1 3 0 0 1 1 0 0 0 ，表层岩性以黄土、亚砂土和砂土为主。 2 1 i3 气候特点 滦河流域位于中纬度欧亚大陆东岸，南部为暖温带，向北至坝上逐渐过渡到冷温带， 由东南向西北依次为湿润、较湿润、半湿润、半干旱的大陆性季风气候类型。主要特点 如下：( 1 ) 具有季风显著，四季分明。冬季受强大的蒙古高压控制，盛行由大陆吹向海 洋干冷的偏北风；( 2 ) 雨量集中，雨热同季。降雨量年内分布不均，冬季仅占全年的1 2 ，春季占9 ，夏季占6 7 7 6 ，秋季占1 1 1 9 1 ( 3 ) 地形多样，气候复杂， 流域内地形差异很大，高原、山地、丘陵、平原以及河谷、盆地等各自形成小气候区。 2 1 4 河流水系 滦河自坝上高原汇集燕山、七老图山、阴山东端水流，支流众多，水量丰沛。沿途 汇入的常年有水支流约5 0 0 条，其中河长2 0 公里以上的一级支流3 3 条，总长2 4 0 2 公 里；二、三级支流4 8 条，总长1 5 2 2 公里。在一级支流中，流域面积大于1 0 0 0 平方公 里的河流有l o 条，即闪电河、小滦河、兴洲河、伊逊河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河、 洒河和青龙河：主要洪水来自柳河、伊逊河、武烈河和瀑河，洪水峰高量大。 2 2 水文气象特征 2 2 1 水文站网 滦河潘家口以上流域内目前有水文站1 4 处，雨量站1 0 7 处，分布在滦河干流及各条 支流上。2 0 0 2 年在原有水雨情遥测系统的基础上更新了设备，采用2 3 0 m h z 超短波为主， i n m a r s a tc 卫星为辅的通信方式，自报式工作体制，建设了一个统一的新系统，该水文 测报系统规模为1 个潘家口中心站、3 个中继站和3 9 个遥测站，该系统能实时、定时采 集、传输和处理各遥测站的水情信息，为实时预报调度系统提供了可靠的水雨情数据。 2 2 2 降水 滦河流域地处副热带大陆季风区，夏季炎热而多雨，冬季寒冷而干燥，降雨分布受 地形影响，自东南向西北递减，多年平均降雨量在4 0 0 7 0 0 m m 。降水主要集中在汛期， 其多年平均值为5 8 0 毫米，占年降水量的8 3 ，在空间分布上，降水多发生在北部山区 长城沿线，多年平均值为7 2 0 毫米。南部丘陵区相对较少，多年平均值为6 5 0 毫米。降 水年季变化大，丰水年( 1 9 9 7 年) 多达1 0 4 0 毫米，枯水年( 1 9 8 2 年) 仅为4 1 0 毫米。 4 第二章基本情况 2 2 3暴雨 滦河中、下游区处于燕山迎风坡，受燕山山脉阻挡，降雨中心多集中在洒河、柳河 和潘家口一带，潘家口水库正处于暴雨中心区的前缘。据暴雨资料分析，本流域内暴雨 多发生在每年的7 、8 月份，降水量占全年的6 0 左右，特大暴雨多呈东北一西南向， 与燕山山脉走向基本一致。三天暴雨大于2 0 0 r a m 的点雨量多出现在滦河流域中下游的 半壁山、石庙子、兴隆一带。近7 0 年来实测最大的1 9 6 2 年暴雨中心即在洒河石庙子， 三天点雨量为5 0 4 m m ，平均长、短历时暴雨的主要参数统计如表2 - 1 。 表2 1长短历时暴雨特征值统计表 雨量单位：毫米 参暴雨时段 墼! 翌! 皇! 呈：! 呈翌呈! ! ! h 4 36 08 01 0 01 2 01 3 51 7 5 cv 0 4 80 5 50 6 0 cs 0 6 30 6 80 6 50 6 0 3 5 cv 2 2 4 径流 由于潘家口1 9 8 0 年建库蓄水，年径流量分为1 9 8 0 年前后两个系列。滦河潘家口站 1 9 3 0 1 9 7 9 年平均径流量为1 8 4 2 x 1 0 8 立方米，最大7 1 3 7 x 1 0 8 立方米( 1 9 5 9 年) ，最小 9 6 4 x 1 0 8 立方米( 1 9 7 2 年) ，1 9 8 0 1 9 9 8 年平均径流量为1 8 0 4 x 1 0 8 立方米，最大2 8 5 8 x 1 0 8 立方米( 1 9 9 6 年) ，最小6 9 1 x 1 0 8 立方米( 1 9 8 1 年) 。 2 2 5 洪水 由于潘家口处于燕山山脉西部暴雨中心区的前缘，暴雨区的洪水经各支流汇入滦河。 洪水具有峰高量大、涨落迅速和单峰型较多的特点。一般一次洪水过程历时3 4 天，洪 峰涨水历时一般为3 0 小时，落水时间为4 0 5 0 小时，一次洪水总量占全年水量的2 0 4 0 。各次洪水也有很大的差异，1 9 6 2 年发生了5 0 年一遇的洪水，洪峰流量1 8 8 0 0 秒 立米，1 9 9 4 年发生了建库以来的第一位大洪水，洪峰流量8 9 0 0 秒立米：洪水年际变化 大，枯水的2 0 0 2 年，最大洪峰流量只有6 0 秒立米。 2 3 潘家口水库工程概况 潘家口水利枢纽位于河北省迁西县洒河桥镇上游1 0 k m 处的滦河干流上，控制流域 面积3 3 7 0 0 k m 2 ，占滦河流域总面积的7 5 以上。 河海大学工程硕士学位论文 基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 潘家口水库的主要任务是供水，结合供水发电，兼顾防洪。在设计保证率7 5 的情 况下，水库可供水量为1 9 5 亿m 3 ；当遭遇5 0 年一遇洪水，水库保滦县京山铁路大桥的 安全，削减洪峰4 7 。枢纽工程包括水库大坝、下池枢纽、两座副坝和坝后式水电站。 主坝坝顶高程2 3 0 5 0 m ( 大沽高程) ，保坝洪水位2 3 0 3 1 m ，正常蓄水位2 2 2 m ，最高蓄 水位2 2 4 7 m ，汛限水位2 1 6 m ，发电死水位1 8 0 m 。 潘家口水库主坝按1 0 0 0 年一遇洪水设计，5 0 0 0 年一遇洪水校核，可能最大洪水作 为保埂标准。大坝设有1 8 孔溢洪道，用1 5 m 1 5 m 弧形钢闸门控制；设四个泄流底孔， 用4 m 6 m 平板闸门控制，底孔除参与泄洪外，还可以在低水位( 低于发电死水位1 8 0 m ) 时为下游供水，或在特殊情况下放空水库。1 9 9 4 年改造了1 撑底孔修建防汛自各电站，现 为3 个泄流底孔。 有实测洪水资料以来最大的1 9 6 2 年7 月洪水，洪峰流量达1 8 8 0 0 m 3 s ，最大六日洪 量1 8 5 3 亿m 3 ，虽峰高量大，但仍属尖瘦型洪水过程；1 9 5 8 年7 月的洪水洪峰流量为 9 5 7 0 m 3 s ，最大六日洪量也有1 6 5 2 亿m 3 ，与1 9 6 2 年洪水相比，则属肥胖型洪水；1 9 9 4 年7 月洪水的洪峰流量为9 8 7 0 m 3 s ，与1 9 5 8 年洪水相近，三日洪量仅为9 3 4 亿m 3 ，明 显属尖瘦型洪水。 2 4 汛期时段划分 本流域7 9 月份三个月为汛期，而较大的洪水基本上发生在7 、8 月份。根据潘家 口站自1 9 5 3 年以来的实测资料，洪峰流量超过5 0 0 0 m 3 s 的1 9 5 8 、1 9 5 9 、1 9 6 2 和1 9 9 4 年洪水均为出现在7 月l o 日8 月1 5 日之间的单峰型洪水。该地区也有个别最早出现 在6 月份的雨洪情况，但其量级远远不能与发生在7 、8 月份的洪水相比。实测和调查的 有关资料都表明，滦河流域的雨洪以7 月下旬至8 月中旬最为集中，8 月1 5 日以后，雨 洪的量级与频次就大大变小。 8 月中旬是华北地区副热带高压，西风带和热带环流系统等影响暴雨形成的各种气 象要素变化的明显转折期，也是雨洪特性变化的过渡期，以其作为主汛期和后汛期洪水 的分界期较为合理。1 9 8 8 年，经天津院和海委研究分析，并报水利部水管司和中央防总 批准，确定8 月1 5 日为主、后汛期的分界期，7 月1 日8 月1 5 日为主汛期，8 月1 6 日9 月3 0 日为后汛期。 第二章基本情况 2 5 潘家口水库洪水预报现状 由于华北地区汛期洪水特点( 汛期只有1 2 场大洪水) ，如何解决汛期防洪与蓄水 的矛盾，合理的利用水资源的问题摆在我们面前，科学的调度前提是较准确的洪水预报， 建库以来潘家口水库建立了三套预报方案，在历年的洪水调度中发挥了重要作用。第一 套为两水源新安江模型，该方案部分借鉴了施工期预报方案的内容，同时又添加了人工 经验的因素，该套方案得到了专家的论证为乙级方案，并参加了海河流域实用预报方案 汇编；第二套为降雨径流相关经验性模型，该方案的评定结果为乙级方案，并参加了海 河流域实用预报方案汇编；第三套为新安江三水源模型，该方案作为实时预报系统，曾 荣获全国水文预报竞赛演示奖，并荣获9 7 年海委科技进步三等奖，该系统作为潘、大决 策支持系统的一部分，自动化程度较高，在汛期的预报调度中发挥了重要作用，该方案 的精度符合乙级预报方案的标准，具体见洪水预报方案的精度评定表，三种方案在2 0 0 2 年由河海大学水环院完成了系统集成，并新增加了一套预报模型，大大提高了潘家口水 库预报系统的实时性和预报精度。 根据实测历史洪水资料对预报方案的整体精度进行评定，统计结果表明，预报的洪 峰合格率为7 0 以上，一日、三日、五日洪量合格率均为8 0 以上，峰现误差l 2 小 时，预报精度达到了部颁水文预报规范中规定的乙级标准，具体详见预报精度评定表2 2 。 表2 - 2 三套洪水预报方案整体精度评定表 2 6 潘家口水库调度现状 潘家口水库目前执行的是常规的控制水位与限制下泄流量调度方法，即当洪水入库 时，以库水位是否超过某一控制水位来判别洪水达到哪一级标准，在每一级控制水位之 下则按相应的防洪标准执行某级限泄流量。这种调度方法依据的是已经入库的洪水的流 量( 未限泄前) 和水库的滞洪量( 开始限泄后) ，操作方法简便，水库运行风险小。水库 严格按照设计状况调蓄洪水，其目的是时刻防御大洪水的到来，确保水库工程运行安全， 但没有考虑水库对洪水作为一种资源时应发挥的作用，所以在目前滦河流域连续干旱的 河海大学工程硕士学位论文 基于中短期降水预报的淡水预报与洪水调度研究 情况下，需要改变原有的调度模式。水库特征水位、洪水特征值以及调洪结果见下表。 表2 3 潘家口水库设计特征水位表 表2 - 4潘家口水库主汛期调洪计算成果( 起调水位2 1 6 0 0 米) 第= 章基本情况 重现期入库洪峰六日洪量最大下泄最高库水位 2 7 “9 4 7 ”洪水预报、调度评价 1 9 9 4 年7 月1 4 日，滦河流域发生了1 9 8 0 年以来第一位，历史上实测第二位的大洪 水，此次洪水前，滦河流域普降暴雨和大暴雨，下垫面条件教好，本次暴雨中心位于兴 隆一带，最大降雨量4 5 0 m m ，流域平均降雨量1 4 8 m m 。暴雨使滦河流域各主要河流发 生2 0 5 0 年一遇洪水，潘家口水库实铡入库流量为9 8 7 0 m 3 s ，相当于2 0 年一遇洪水。 7 月1 3 日上午8 时2 8 分预报潘家口水库入库洪峰流量为9 2 5 0 m 3 s ，三日洪量为9 7 5 亿m 3 ，峰现时间为7 月1 3 曰1 4 时。实际入库洪峰流量为9 8 7 0m 3 s ，三日洪量为9 3 4 亿o ，峰现时间为7 月1 3 日1 3 时3 0 分，预报误差分别为6 3 、4 4 和0 5 小时，按 水库调度规程的要求，评定结果均为合格。 依靠准确的洪水预报和天气预报，“9 4 7 ”特大洪水调度潘家口水库承担超汛限3 8 1 米，超蓄洪水2 2 7 亿立米的风险，将大黑汀水库1 1 7 6 0 秒立米的洪水流量削减为2 0 0 0 秒立米，同时为下游错峰( 限泄5 0 0 秒立米) 达7 5 小时，为下游减轻了洪水损失1 8 9 河海大学工程硕士学位论文基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 亿元，显著地发挥了潘、大两水库的防洪效益，并注意洪水发电效益，利用洪水发电2 亿千瓦时。枢纽工程及洪水预报方案、天气预报都经受了“9 4 7 ”特大洪水考验，并为 潘家口水库在汛期浮动汛限水位研究提供了很好的实例。预报情况见表2 墙和图2 - 2 。 表2 8 预报误差评定表 秒1 2 0 0 0 立 米 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 o 7 1 2 “7 1 2 2 37 1 3 1 l 7 1 3 2 371 4 i l71 4 2 3 7 1 5 u 时间 图2 27 1 3 洪水潘家口水库预报、实测过程线 第三章中短期气象面雨量预报系统 第三章中短期气象面雨量预报系统 3 1m m 5 中小尺度面雨量数值预报的基本情况 为满足对中小尺度天气系统预报的准确客观化的要求，中国气象中心在引进美国宾 州大学和美国大气研究中心联合开发的中尺度模式m m 5 的基础上，经过开发优化、 与国家气象中心资料源连接并应用局地加密观测资料，于1 9 9 7 年3 月建立了一套中尺 度数值天气预报准业务系统。从1 9 9 8 年6 月1 5 日正式开始，河北省气象局开始将所属 的7 0 多个地面观测站的加密观测资料传送到国家气象中心，并应用于“l v i m 5 预报系统” 的初值中，每天1 6 时左右，可获得“m m 5 预报系统”的预报结果。通过对几年的1 v i m 5 预报产品在本地天气预报业务中试用，其t s 预报平分可达6 0 以上。 2 0 0 0 年8 月起，国家气象中心在i v l m 5 的基础上，建成了“华北地区中尺度数值预 报系统”，其产品由原来的水平分辨率为1 5 公里的地面要素预报，改为覆盖中国东部的 分辨率为1 8 公里的地面要素预报场和覆盖北京及周边地区的分辨率为6 公里的地面要素 预报场，目前潘家口气象台可收到由在由中央气象台每天两个时次通过9 2 1 0 主站向各省 下发流域面雨量指导产品，每早0 7 点完成预报，0 8 时下发的面雨量预报产品包括前日 0 8 时小时面雨量实况，当天0 8 时2 4 、4 8 小时面雨量预报。下午2 0 点下传的是当日面 雨量实况，及2 0 时的2 4 、4 8 、7 2 小时面雨量预报。从2 0 0 2 年5 月1 0 日正式投入业务 以来，已经能够每天顺利自动运行，运行状态良好。2 0 0 2 年面雨量业务业务运行中沿用 中央气象台试运行期间采用的泰森多边形法作为流域面雨量计算的主要方法，并向全国 气象部门推广。 3 2m m 5 面雨量预报成果的检验 由于该系统自2 0 0 2 年5 月1 0 日正式投入运行，加之滦河流域1 9 9 9 年以来连续干旱， 没有较大的降雨场次，所以引用2 0 0 3 年与2 0 0 4 年的7 场次的降雨预报情况进行分析比 较，用面积权重检验方法，验证面雨量预报成果的可利用性。 3 2 1t s 检验方法 对每个检验支流域，分别以不同降水量级按各站面积权重累加降水面积作为实况降 水，其中各站面积权重由泰森多边形法计算得出，并同时应用于面雨量预报计算中，另 外将支流域内预报降水的站点按各站面积权重累加降水面积作为预报降水，如果在一个 支流域内，预报降水面积大于实况降水面积，多出来的部分为空报部分，反之，为漏报 河海大学工程硕士学位论文基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 部分。 t a _ w s o ( i ) w s o ( 1 ) 为实况降水站点面积权重 t b 2 w s f ( i ) w s f ( d 为预报降水站点面积权重 当t a t b 即支流域内预报降水面积小于实况降水面积 评分：t s = t a ( t a + ( t a t b ) ) 空报率：n h = o 漏报率：p o = ( t a - t b ) ( t a + ( t a t b ) ) 当t a t b 即支流域内预报降水面积大于实况降水面积 评分：t s = t a ( t a + ( t b - t r ) ) 空报率：n h = ( t b - t a ) ( t a + ( t b - t a ) ) 漏报率：p o = o 这样考虑中，并不强调在特定的支流域内，预报降水站点与实况降水站点完 全重合，这是考虑了面雨量的特殊性，即降在该流域的降水都对该流域的面雨量 有贡献。 3 2 2 天气过程检验 2 0 0 3 年、2 0 0 4 年7 次较大的降雨过程检验如下：应用每天0 8 时和2 4 日的m m 5 面 雨量预报值，提前1 2 小时预报滦河流域未来的降水过程，具体的预报结果和实际降雨结 果对比如下： 第三章中短期气象面雨量预报系统 李营9 9 l 预报降雨量 l2 6 8 1 22 902 8 7 3 9 实际降雨量38 7 1 02 82 7 7 4 80 面积权重检验 t m2 0 6 2 3 0 t b ：2 2 9 2 5 3 评分t s ：0 8 9 9 5 7 空报率n l ：0 1 0 0 4 3 漏报率p o ： 1 3 河海大学工程硕士学位论文 基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 兴隆 3 7 6 预报降雨置2 22 221ll1 304 8 8 8 实际降雨量032040 021 14 1 3 60 面积权重检验 t a ：1 0 7 6 7 7 t b ：6 8 9 2 6 评分t s ：0 7 3 5 3 6 空报率 n h ： 漏报率p o ：0 2 6 4 6 4 1 4 第三章中短期气象面雨量预报系统 宽城1 0 7 7 预报降雨量 000 实际降雨量 o00 面积权重检验 阻 t b ： 评分t s ： 空报率n h ： 漏报率p o ： 6 0 3 9 6 4 3 1 8 0 0 7 7 8 1 8 o 2 2 i 8 2 1 5 河海大学工程硕士学位论文基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 站名 控制面积降雨量时段 合计t a n t b n f ! 些 f 磐)! ：! ! ! ! 二! ! ! 竺! ! ! 三竺丝! 墅兰! ：! ! ：! 韩家营3 5 0 预报降雨置l54l1 l3 8 5 0 实际降雨量1 721 96 6 5 00 兴隆 3 7 6 预报降雨量 12 实际降雨量 l ll17 2 i3 0 1 1 2 8 2 6 3 2 0 李营9 9 l 预报降雨量 3 实际降雨量 58 2 91 0 1 7 3 9 0 3 8 6 4 9 1 6 8 4 7 0 鞍匠 5 9 8 预报降雨量 35721 701 0 1 6 6 实际降雨量 3 03 01 7 9 4 0 0 。z 。霎篓震篙1 ： 3 。2 0。0 实际降雨量 】 面积权重检验 强 t b ： 评分 t s 空报率 n h ： 漏报率p o ： 1 6 1 4 8 2 3 9 7 7 6 3 9 0 6 7 7 3 9 0 3 2 2 6 1 第三章中短期气象面雨量预报系统 李营 9 9 l 预报降雨量7 i 实际降雨量1 l 1 23l2 402 3 7 8 4 1 82 92 8 7 3 00 面积权重检验 t 址 t o ： 评分 t s ： 空报率n h ： 漏报率p o ： 3 1 7 5 7 9 2 3 5 0 2 7 0 7 9 3 6 9 0 2 0 6 3 1 1 7 河海大学工程硕士学位论文 基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 降雨时间：2 0 0 4 年s 月1 2 8 月1 3 场次降雨的对比分析( 续) 。z 。霎姜鬈：茎8 6 9 55 8 6 2 2 2 67 0 。4 08 3 0 2 。 实际降雨量 面积权重检验 t a ： 2 2 9 1 6 1 t b ：2 8 1 2 0 5 评分 i s ：o8 1 4 9 3 空报率n h ：0 1 8 5 0 7 漏报率p o ： 第三章中短期气象面雨量预报系统 站名 控制血积降雨量 苎壁 o a n 2 ) ( r a m ) 8 nl l 1 4 1 4 1 71 7 2 02 0 - - - 2 32 3 22 55 8 合计t a nt b n 韩家营3 5 0 预报降n f t 2451 01 0 83 91 3 6 5 0 实际降雨量 671 51 254 5 1 5 7 5 00 三道河子4 7 5 预报降雨量 2451 01 07 3 801 8 0 5 0 实际降雨量581 6u64 6 2 1 8 5 00 荒地 6 0 0 预报降雨量 ll244 31 5o9 0 0 0 实际降雨量2688 2 41 4 4 0 00 七家6 0 0 预报降雨量 【l334 31 509 0 0 0 实际降雨量 26 6 6 2 01 2 0 0 00 头沟3 5 0 预报降雨量 115 6532 107 3 5 0 实际降雨量4 1 0 1 0823 41 1 9 0 00 承德6 8 0 预报降雨置 236 78z2 801 9 0 4 0 实际降雨量 61 0 1 11 464 73 1 9 6 0 0 = 1q n n 预报降雨量2 77 8653 50 4 2 0 0 0 实际降雨堂4 1 01 08 23 44 0 8 0 0 0 下板城【1 3 9 预报降雨蠡 3i7 91 q33 3。 3 7 5 8 7 实际降雨量681 42 42 5 46 1 5 0 60 币。 预报降雨量 2 5t o32 001 1 4 4 0 实际降雨量241 01 6 43 62 0 5 9 20 党坝5 1 2 预报降雨量 ll381 d 32 6o1 3 3 1 2 实际降雨量l261 01 02 3 11 5 8 7 20 宽城1 0 7 7 预报降雨量ll41 21 21 3 103 3 3 8 7 实际降雨量231 02 01 8 15 45 8 1 5 8o 兴隆3 7 6 预报降雨量 22 5 9 1 51 7t 06 002 2 5 6 0 实际降雨量 31 21 2 2 42 868 53 1 9 6 0 0 李营9 9 】 预报降雨量 13 5 9 1 51 755 50 5 4 5 0 5 实际降雨量 2 i o 1 0 2 42 2z7 0 6 9 3 7 00 e 预报降雨量2691 51 785 7 03 4 0 8 6 实际降雨量8 82 0 2 066 2 3 7 0 7 60 潘家口 3 2 0 预报降雨量 i 2581 21 284 8 01 5 3 6 0 实际降雨量 2 461 61 244 4 1 4 0 8 00 面积权重检验 t b ： 评分t s ： 空报率n h ： 漏报率p o ： 4 5 7 2 7 4 3 4 0 3 2 7 0 7 9 6 3 4 0 2 0 3 6 6 1 9 河海大学工程硕士学位论文 基于中短期降水预报的洪水预报与洪水调度研究 面积权重评分办法是针对于一块面积而言，对一个量级的降水而言，等面积的降水 实况和预报降水对面雨量的贡献是相同的，尤其对大雨以上量级的降水评定时，可以较 好地体现流域内大雨以上降水的预报情况。具体情况见下表3 2 ： 表3 2 面积权重检验结果表 图3 1滦河流域多场次降雨面积权重法检验成果图 3 2 3 基本结论 通过上述分析可知，i v i m 5 面雨量预报系统在滦河流域具有较好的预报作用。经过 面积权重法对降水过程的检验，可以看到对各量级的降雨预报，滦河流域的t s 评分都 2 0 第三章中短期气象面雨量预报系统 较高，其漏报率大于空报率，这对实施预报调度来将避免了根据较大的洪水预报结果实 施预报调度给下游造成灾害的风险。2 次中小降雨预报都发生了漏报现象，而发生的大 雨以上量极的4 次降雨预报，发生了2 次空报的现象。可以看到，对于较大的降雨空报 率较高这对于对于水库防洪来说是偏安全的，所以应用m m 5 预报结果在不同量级降雨 情况下，在水库的防洪调度中都有一定的指导作用，在汛期依靠该系统进行预报调度工 作是可行的。 3 3 数据处理基本原理 把通过9 2 1 0 系统( 气象信息传输与综合处理系统) 下传的压缩包的数据进行解压 缩处理，并把格点数据进行反插值演算到各水文雨量点，然后把2 4 小时预报时效的每三 小时的预报值写入o r a c l e 数据库，供预报系统调用。为保证两端数据的可靠性，数据 处理也采用微机自动和人工处理两种功能，在无特殊情况下都由微机自动完成。 3 4 数据的显示 为了便于预报人员掌握未来天气预报的结果，可以在屏幕上显示m m 5 的预报结 果，首先开发了一套包含流域边界和水文站点位置的界的地理信息显示程序。 ( 1 ) 流域边界数据的获取：边界文件为采用数字化仪从6 0 万倍地图上读取的经纬度信 息，包含了4 6 0 0 多个连线点，存储文件名为b o n d 2 d a t ，基本满足了边界线的光滑度和 准确度需要。 ( 2 ) 边界线形成：边界线的制作程序由两个函数组成， ( a ) f u n c t i o ng e t x y _ j w a o d r ，w d ! ) 负责将每个连线点的经纬度数值( j d ，w d ) 转化为屏幕 坐标( x p ，y p ) ，为此首先将经纬度转化为直角坐标系坐标( x ，y ) ，转换公式如下： x =