桃山水庫洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用

蘇程程

（黑龍江省桃山水庫管理處，黑龍江 七臺河154600）

黑龍江省桃山水庫是位于倭肯河上游的七臺河市市內(nèi)一座以防洪、城市供水，兼顧灌溉、漁業(yè)的大(II)型水利樞紐工程。桃山水庫流域內(nèi)有兩個(gè)入庫水文站和一個(gè)出庫水文站，分別為倭肯河干流上的北興水文站、支流茄子河上的新發(fā)水文站和出庫桃山水文站。每年汛期，特別是遇到頻繁、大量降雨時(shí)期，桃山水庫的防洪調(diào)度和安全運(yùn)行功能就顯得尤其重要，2017 年桃山水庫組織建成的并投入使用的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在汛期的洪水預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要的作用，對于水庫的運(yùn)行與調(diào)度提供了一定決策上的依據(jù)。

1 桃山水庫流域概況與工程概況

1.1 桃山水庫流域概況

桃山水庫位于松花江右岸較大的支流倭肯河的上游，倭肯河發(fā)源于完達(dá)山西北側(cè)，干流直線長203km，河道彎曲系數(shù)1.5，流域面積11015km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)129°～131°，北緯45°～47°，東鄰撓力河，東南鄰穆棱河，西及西南鄰牡丹江，北鄰松花江。

流域內(nèi)地勢自東和東南向西和西北傾斜，海拔高度在89-854m 之間，平均高程為245m，山地面積占總流域面積的42.5%，丘陵面積占總面積的17.9%，平原面積占18.2%，其余為河谷平原，占21.4%。壩址以上為山區(qū)，含沙量少，倭肯河干流控制面積約為6242km2，壩址以上控制面積2043 km2，約占干流控制面積的32.7%。

倭肯河流域內(nèi)屬于中溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量在500－550mm，70%以內(nèi)的降雨集中在汛期7－9 月份。多年平均氣溫3℃左右；氣溫最高為7 月份，平均氣溫為22℃左右，極端最高氣溫38℃；1 月份最冷，平均氣溫為-18℃左右，極端最低氣溫-39℃。無霜期120 天，最大凍土深為2.0m，多年平均水面蒸發(fā)量674mm，年平均日照時(shí)數(shù)2400 小時(shí)，年平均最大風(fēng)速14.2m/s，汛期7～9 月份最多風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)和西南西風(fēng)，實(shí)測最大風(fēng)速為24m/s，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)。倭肯河流域徑流主要集中在6-9 月份，占全年的67%，5-10 月份占全年的89%，尤以8 月份最多,1 個(gè)月占全年的30%。

桃山水庫流域內(nèi)倭肯河的支流主要有茄子河、中心河、龍湖河、金沙河、窩棚河、磚窯溝河、正陽川河等。

桃山水庫上游主要有石龍山、四新、中心河、正心、前衛(wèi)五座小型水庫，集水面積分別為69 平方公里、59 平方公里、47 平方公里、43 平方公里、14.6 平方公里，總庫容分別為615 萬立方米、454 萬立方米、293 萬立方米、422 萬立方米、142 萬立方米，上述水庫都影響著桃山水庫的防洪安全運(yùn)行。

1.2 桃山水庫工程概況

桃山水庫位于松花江支流倭肯河中上游七臺河市，距市中心1.5km，第一期工程于1990 年8 月末竣工，是一座以防洪、城市供水為主，兼顧灌溉、漁業(yè)等作用的大型綜合性水利樞紐工程。水庫集水面積2043 平方公里，多年平均徑流量2.64 億立方米，多年平均降水量500～550 毫米，多年平均徑流深100～150毫米，水庫一期工程Ⅱ等Ⅱ級，按照百年一遇洪水設(shè)計(jì)，二千年一遇洪水校核，校核總庫容為2.64 億立方米，興利總庫容為0.98 億立方米，死庫容為0.18 億立方米，凈調(diào)節(jié)水量為0.83 億立方米。

水庫由主壩、副壩、溢洪道和輸水洞組成，主壩為粘土斜墻土石壩，副壩為粘土心墻土石壩，溢洪道為河床式，凈寬為36米，由三孔弧型閘門控制。主壩和副壩壩頂高程187.80 米，溢洪道堰頂高程175.30 米，設(shè)計(jì)泄量為700 立方米/秒，校核泄量（2000 年一遇）為1604 立方米/秒，輸水洞為塔式圓形隧洞，洞徑為4 米，設(shè)計(jì)灌溉泄量為15 立方米/秒。

2 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)目的及工作原理

2.1 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)目的

桃山水庫洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)是為了針對水庫運(yùn)行與調(diào)度中的現(xiàn)狀與存在的問題，研究出可以根據(jù)實(shí)時(shí)水文站與雨量站的遙測數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的洪水預(yù)報(bào)的系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，使得“依據(jù)實(shí)時(shí)的雨情、水情、工情、水位信息以及天氣預(yù)報(bào)等，以人機(jī)交互方式實(shí)時(shí)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，并且可以進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)預(yù)處理、信息查詢與報(bào)表生成、系統(tǒng)管理等輔助功能”的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。為水庫進(jìn)行洪水來水量和入庫流量的預(yù)報(bào)，為水庫科學(xué)合理的運(yùn)用調(diào)度提供參考與決策的科學(xué)支持。

2.2 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的工作原理

首先要將桃山水庫建庫以來各水文年三個(gè)水文站的歷史數(shù)據(jù)包括每日24 小時(shí)各時(shí)段水位、庫容、出庫流量、入庫流量、降雨量和洪水典型年的水文資料統(tǒng)計(jì)起來，然后建立起數(shù)據(jù)庫，并形成一定的計(jì)算模型，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過從水位和降雨量的遙測系統(tǒng)中提取實(shí)時(shí)降雨量、水位信息，并導(dǎo)入到洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行插值處理，根據(jù)水位變化與流量的換算關(guān)系，將水位信息換算為流量數(shù)據(jù)。設(shè)定洪水預(yù)報(bào)的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間以及預(yù)報(bào)計(jì)算根據(jù)時(shí)間等提取降雨徑流預(yù)報(bào)時(shí)間、水庫調(diào)洪驗(yàn)算所需的數(shù)據(jù)輸入，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)校核，形成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)格式。計(jì)算實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)時(shí)，還需要預(yù)估計(jì)算結(jié)束時(shí)間段內(nèi)為未來時(shí)間的情況下，該時(shí)間段內(nèi)氣象預(yù)報(bào)可能發(fā)生的降雨資料數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)資料。同時(shí)也要考慮人工出庫流量數(shù)據(jù)等影響，預(yù)報(bào)出整個(gè)洪水過程曲線。

3 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)

進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)時(shí)，首先設(shè)定洪水預(yù)報(bào)計(jì)算的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間及預(yù)報(bào)計(jì)算根據(jù)時(shí)間設(shè)定，然后系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)遙測系統(tǒng)中提取降雨數(shù)據(jù)和水位流量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動對提取數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性和正確性的校核，和預(yù)見期降雨數(shù)據(jù)的加入，對于流域前期土壤含水率狀態(tài)可自動評估，也可人為調(diào)整，并且校核水庫蓄水狀態(tài)和降雨徑流預(yù)報(bào)與實(shí)時(shí)校正計(jì)算。最后洪水入庫流量過程曲線預(yù)報(bào)結(jié)果輸出。

圖1 2018 年8 月1 日——2018 年8 月31 日洪水預(yù)報(bào)過程圖

3.2 自動洪水預(yù)報(bào)

自動洪水預(yù)報(bào)功能主要包括有自動預(yù)報(bào)設(shè)置、啟動自動預(yù)報(bào)計(jì)算和自動預(yù)警等功能。啟動自動預(yù)報(bào)計(jì)算功能就是為自動預(yù)報(bào)功能設(shè)定默認(rèn)的預(yù)報(bào)方案和數(shù)據(jù)提取方式，當(dāng)一切設(shè)定完成后，啟動自動預(yù)報(bào)功能，系統(tǒng)就會自動提取遙測的降雨數(shù)據(jù)資料和水位流量數(shù)據(jù)等，進(jìn)行降雨徑流量預(yù)報(bào)計(jì)算，對比設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)計(jì)算的入庫流量過程超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將以聲音、光閃爍的形式進(jìn)行預(yù)警。

3.3 洪水信息查詢

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以查詢包括降雨量、庫水位、入庫流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和變化過程的數(shù)據(jù)、表格和曲線，可以查詢水庫特征值和特征水文年的洪水預(yù)報(bào)與實(shí)際情況的對比數(shù)據(jù)和曲線，可以查詢設(shè)定不同預(yù)報(bào)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、土壤含水率等參數(shù)情況下，生成的不同洪水預(yù)報(bào)曲線。以及上述數(shù)據(jù)的圖標(biāo)生成、數(shù)據(jù)輸出、轉(zhuǎn)存?zhèn)浞莺痛蛴〖堎|(zhì)版文件等功能。

結(jié)束語

洪水預(yù)報(bào)是水文工作中的重要信息，更是汛期水庫安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要依據(jù)，此洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)與使用，對于汛期特別是雨季時(shí)期，既可以快速、自動、準(zhǔn)確提取和校核水文數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的預(yù)報(bào)結(jié)果，減少人工計(jì)算的時(shí)間，以提高效率，又可以提高洪水預(yù)報(bào)的即時(shí)性和準(zhǔn)確性，減輕人為計(jì)算誤差，實(shí)現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)代化。洪水預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確性的不斷提升，能有效地為科學(xué)調(diào)度決策、降低洪水風(fēng)險(xiǎn)和減少洪水可能造成的損失等提供依據(jù)與支持。洪水調(diào)度系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，精度的提高，更是水利安全度汛的重要保障。