洪水調度系統在石頭河水庫防汛中的應用

李奮霞

（陜西省石頭河水庫管理局 陜西 楊凌 712100）

石頭河水庫始建于1969年，1984年下閘蓄水，是城市供水、農業灌溉、水力發電、防洪、水產養殖等綜合利用的大（二）型水利工程，也是陜西省關中地區逐步實現南水北調（引紅濟石），解決渭北高原缺水問題的骨干工程之一，并逐漸成為關中西部城市的主要水源地之一。隨著“引紅濟石”工程的實施，其社會和自身經濟效益將日漸顯著。

1 石頭河水庫洪水調度系統的必要性

石頭河水庫壩址位于眉縣斜峪關以上1.5km的溫家山，控制流域面積673km2，流域內林木茂盛，植被良好，水質優良。多年平均降雨量816mm，多集中在汛期7月～9月，河源來水大部分由汛期降雨形成。由于流域大部分為太白山自然保護區，人跡罕至，雨量采集困難。

為更好的發揮石頭河水庫綜合效益，改變石頭河水庫防洪調度手段落后的局面，更合理地運用水庫工程科學地調度洪水，最大限度地發揮石頭河水庫的防洪效益，做到適時自動采集雨水情信息，及時準確做出防洪預報，迅速提出防洪調度方案，為各級防洪指揮決策部門提供支持，減輕下游洪水災害，石頭河水庫管理局積極響應水利部第十個五年規劃中提出的“實現防洪指揮科學調度”、“推進水利信息化”的號召，于2000年下半年實施了洪水調度系統的建設工作，并于2001年汛期正式投入使用。

2 洪水調度系統的結構組成

2.1 系統組成

石頭河水庫洪水調度系統在邏輯上分為五個子系統，各個系統以數據庫系統為中心組織在一起。主要由雨水情信息采集子系統、洪水預報子系統、洪水調度子系統、信息查詢和數據庫管理子系統及數據庫子系統組成。其主要功能包括水雨情與工情信息的采集、輸入、修改、查詢，通過人機交互進行洪水預報、調度方案制訂、評價與優選、調度成果管理、防洪工程信息管理、系統管理等。

2.2 遙測雨量站的分布

石頭河水庫的洪調系統總共在流域內建成了九個遙測雨量站，其名稱及分布見圖1。

3 水庫洪水調度系統作業流程

由水雨情遙測系統采集流域內各雨量遙測站雨量數據、水位站測得水庫水位數據后，再通過超短波和GPRS無線業務技術將這些數據傳輸到遙測系統專用服務器上，并分類儲存。在洪水期間，工作人員通過人機交互提取或修改存于服務器上的水雨情數據，再通過洪水預報子系統模塊做出入庫洪水過程預報。根據該洪水過程預報，再結合當前庫水位及本次洪水的起跳水位，人機交互提出一個適合當前的最佳調度方案。該方案將上報決策機關，經決策機關批準后由水庫管理人員組織實施，比如是蓄還是泄，或者是小流量預泄等具體操作，都將在洪水預報系統的支持下進行。上級的防洪調度命令、調度參數和調度方案，即可人機交互輸入與輸出，又可通過計算機網絡輸入與輸出。

4 防洪調度系統在石頭河水庫防汛工作中的應用

石頭河洪水預報系統，其屬性是任一時段或任一測站的降雨發生改變，各測站的降雨均值和累積值都會隨之改變。洪調系統的基本功能就是自動獲取降雨信息，并對于故障站或者信息接收暫時堵塞站點，可以人工修復或補充降雨資料。洪水預報有實時預報和假擬降雨預報。一場洪水之后，如果做實時預報，就可以點“實時預報”按鈕，并根據前期降雨情況估計土壤飽和度，進而選擇合適的飽和系數，如果雨量遙測站里面有故障站，就要選擇“故障預報”按鈕，然后根據人機交互界面的提示，選擇鄰近站代替。最后“確定”，就會出現本次預報的圖表界面。由預報圖表不但可以很清楚地看出本次降雨的洪峰流量、峰現時間、總來水量、洪水級別等基本要素，還可以根據需要用鼠標在圖上相應時間段拖動的方法查出后續來水量等資料。如下圖2003年的例子就是一個實時預報的典型。

在2003年8月底9月初，渭河流域連續出現大范圍的暴雨天氣，洪水持續時間長,強度大，使渭河迅速形成二號洪峰。石頭河作為渭河一級支流，在保證自身和下游安全的前提下，責無旁貸地參與了渭河錯峰削峰任務。圖2是防汛人員在9月1日做的一次實時預報的結果。由圖表可見，本次洪峰是五年一遇的洪水，洪峰流量為553.5m3/s。據水庫日志記載，9月1日2時，庫水位已經由之前的799.62m降至797.46m（石頭河水庫主汛期汛限水位為798m），預計還會來500多萬方的水（實時預報不考慮后續降雨）。石頭河防汛指揮部根據預報結果，并結合渭河錯峰的任務，采取出入庫基本持平的方案——既保障了水庫自身安全，又減輕了渭河下游的泄洪壓力。

另外，如果是一場持續時間較長的連續降雨，就可以做假擬預報。比如根據當前的降雨情況，假擬未來24h再降20mm，就可以估算出未來幾天的來水情況。比如2010年汛期，石頭河流域8月下旬及9月上旬出現局地強降雨天氣，庫區來水量比較集中，共產生4次洪峰大于100m3/s的洪水，其中，最大洪峰流量為440m3/s。水情自動測報系統及時、準確地為洪水預報、洪水調度工作提供了水、雨倩信息，大大增長了未來幾日洪水的預見期。從8月21日至9月28日，共進行了多次洪水預報，有實時預報，也有假擬預報，增長了洪水預見期48h～72h，為上級防汛部門的調度決策提供了科學依據。四場洪水均得到了科學的蓄泄，并為渭河削峰130m3/s，占削峰的40%，極大地緩解了渭河下游的防洪壓力；同時水庫經過控泄一直在汛限水位以下平穩運行，確保了其自身安全。

5 石頭河水庫防洪調度系統的社會經濟效益

石頭河水庫洪水調度系統的開發建成,使水庫的洪水預報調度水平有了質的飛躍。在歷年汛期都發揮了重要作用，為決策者正確決策提供了強有力的支持，創造了明顯的社會和經濟效益。

5.1 經濟效益

石頭河水庫流域集中在太白縣境內，根據太白氣象局提供的中、長期天氣預報，即10天或30天預報的總降雨量，將這些數據輸入洪水調度系統做統一的預報分析，就可決策是否提前泄水發電。比如1981年到2010年20年的泄水總量為63276萬m3，平均年泄水量3164萬m3，假設這些水不被泄掉，而是全部用于純發電，估計可發電633萬度，折合人民幣189.9萬元。可見，洪調系統的投入使用每年可為石頭河水庫最少增資100多萬元。

另外，石頭河水庫設計泄水能力較大，設計標準較高，每年為維修因泄水破壞的水工建筑物費用高達50多萬元。安裝洪水調度系統后，采用預報小流量預泄的方法，可以使水庫泄水建筑物避免因大流量泄水帶來的損害，估計每年可避免經濟損失50萬元。

5.2 社會效益

自石頭河水庫洪水調度系統投入使用以來，共完成洪水預報百余次，預報合格率達80%，極大地支持了調度決策，為下游抗洪搶險贏得了寶貴時間。就因為積極合理地參與渭河銷峰錯峰任務，2003年汛期還被三秦都市報美譽為“定洪神閘”。水庫不僅極大地緩解了下游河流的泄洪壓力，而且保護了下游岐眉兩縣11個鄉鎮22萬畝耕地、21.9萬人的生命財產安全，保證了17.5km鐵路、52.5km公路、4座路橋暢通無阻。社會效益十分顯著。

6 洪水調度系統的優缺點

6.1 洪調系統的優點

經過對石頭河水庫洪調系統的應用，水庫洪水調度系統的優越性得到了很好的體現：縮短了洪水預見期，系統實時采集水庫流域內水雨情信息,使庫管單位和上級部門能及時準確地掌握流域內實時汛情；洪水預報快捷靈活，系統的洪水預報交互式界面集實時預報、模擬降雨、預報成果顯示與查詢、預報成果實時修正于一體,界面簡潔、操作簡單、查詢方便快捷；功能齊全、靈活方便、可擴展，系統不僅具有極強的實用性和良好的通用性，而且易于實現模型和系統的擴充、更改及升級。

6.2 應用中仍存在的問題

石頭河洪水調度系統在長達十年的應用中，創造了不少效益，同時也暴露出不少問題：信息采集站點少,控制區域有盲點存在，影響了預報精度，比如2005年9月底就是因為暴雨中心不在遙測站監測范圍內，導致預報誤差較大；系統的信息發送采用的是自報式單向通信信道，遙測終端機根據正點的時間向中心站發送信息，或根據監測對象的變化隨機發送，這種發送方式致使傳輸頻度較高，有可能會由于信號碰撞導致信息丟失而出現斷點，這種故障越在暴雨天氣越容易出現；系統只建立了簡單的模型庫,歷史數據庫不完善、利用率也不高，極大地影響了洪水預報的精度；水庫流域上游缺少土壤含水量監測點,在洪水預報中,不能及時準確地得到土壤飽和程度數據,影響洪水預報的準確性。

綜上所述，水庫洪水調度系統的建設一定要具有前瞻性和全面性，充分考慮雨量遙測站和土壤含水量監測點的部設，以便軟件的擴充升級和系統穩定性的維護；并要建立健全的洪水預報模型庫和歷史水文數據庫，以提高預報的精度；還應該建設多種信息傳送方式，避免信息的中途丟失，提高洪調系統的工作質量。陜西水利