CN110991688A - 基于气象数值预报的水库调度预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气象数值预报的水库调度预警方法，根据采集的目标水库流域内各水电站的水文信息计算流域内可拦蓄水量，根据可拦蓄水量修正前期影响雨量Pa；根据水文信息和气象信息确定径流系数ρ，基于径流系数ρ计算水库可容蓄净水量和可容蓄降水量，进行可容蓄降水量预警；根据水文信息、流域信息、前期影响雨量Pa、径流系数ρ和气象信息进行水库的短期时段径流量预报和计算中长期期末水位；根据水文信息、气象信息和期末水位信息确定防汛预警级别和抗旱预警级别，进行水库调度。本发明具有如下有益效果：提高了水库调度风险预警能力，确保水库大坝和下游人民生命财产的安全。

Description

基于气象数值预报的水库调度预警方法

技术领域

本发明涉及水库及流域防汛抗旱技术领域，尤其是涉及一种能够提高水库调度风险预警能力，为目标水库流域提供防汛抗旱预警、可容蓄降水预警和调度方案的基于气象数值预报的水库调度预警方法。

背景技术

水库调度包括防洪调度和兴利调度，通过水利设施对天然来水进行再调节，汛期拦蓄洪水消减洪峰，减轻上下游灾害损失，减少水库弃水，增加发电效益，非汛期增加河道供水量，为下游生态环保、城市供水、航运、旅游等综合利用创造更有利条件。

目前水库调度主要根据水库所在流域气象和水库当前水雨情信息，并按照水库调度规程开展水库调度，但在实际的水库调度工作中存在诸多局限性。首先，具有调节库容和防洪要求的水库，不仅需要承担电网调峰保电、做好迎峰度夏任务，同时地方政府又希望电站能最大限度的发挥防洪抗旱减灾作用。主汛期水库能最大限度降低水位腾空库容，拦洪削峰，为水库下游防洪减灾服务，汛后要求水库能处于较高水位状态做好抗旱工作，满足下游航运、旅游、供水、生态、环保等综合用水要求，这就造成防洪与兴利的极大矛盾，对水电厂水库调度工作提出了更高更精细的要求。其次，受条件限制大多数水库只能了解水库所在流域的气象和水雨情信息，只能针对本流域发生的洪水制定调度对策，缺乏全流域综合调度观念和意识，在遭遇特殊天气情况，如上下游及相邻流域均发生大洪水时，由于对其他流域水情掌握不足，下游错峰调度易造成目标水库流域防洪调度受限、行洪不畅、水库水位异常升高等情况，增加城市防洪风险，造成更大的损失，同时也造成下游梯级水库不必要的弃水，降低水量利用率，对水库大坝及下游存在较大的安全隐患，增大水库调度风险。再次，流域内中小水库由于资料和技术不足，无法有效开展水库调度及预警，也造成相应的水量损失。因此，水库正常运行中存在防汛、抗旱等的调度风险。

发明内容

本发明为了克服现有技术中在水库正常运行中存在的防汛和抗旱调度风险预警的不足，提供了一种能够提高水库调度风险预警能力，为目标水库流域提供防汛抗旱预警、可容蓄降水预警和调度方案的基于气象数值预报的水库调度预警方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于气象数值预报的水库调度预警方法，包括微处理器、流域数据采集模块、调度风险预警模块和梯级水库调度模块；所述调度风险预警模块包括可容蓄降水量预警模块、最高水位预警模块、防汛预警模块和抗旱预警模块；微处理器分别与流域数据采集模块、梯级水库调度模块、可容蓄降水量预警模块、最高水位预警模块、防汛预警模块和抗旱预警模块电连接；包括如下步骤：

(1-1)微处理器控制流域数据采集模块采集目标水库流域内各水电站的水文信息、流域信息、气象信息和前期影响雨量Pa；

(1-2)根据采集的目标水库流域内各水电站的水文信息计算流域内可拦蓄水量，根据可拦蓄水量修正前期影响雨量Pa；

(1-3)根据水文信息和气象信息确定径流系数ρ，基于径流系数ρ计算水库可容蓄净水量和可容蓄降水量，进行可容蓄降水量预警；

(1-4)根据水文信息、流域信息、前期影响雨量Pa、径流系数ρ和气象信息进行水库的短期时段径流量预报和计算中长期期末水位；

(1-5)根据水文信息、气象信息和期末水位信息确定防汛预警级别和抗旱预警级别，进行水库调度。

本发明根据目标区域水文气象信息，流域信息，并考虑水电站调度规程、约束条件，为目标水库流域提供调度方案、防汛抗旱预警和可容蓄降水预警，提高了水库调度风险预警能力。

作为优选，所述水文信息包括水位库容信息、流量信息和发电信息；所述流域信息包括流域面积；所述气象信息包括降雨量。

作为优选，步骤(1-2)的具体步骤如下：

(3-1)设置流域可拦蓄水量的最大值W_max；

(3-2)根据采集的目标水库流域内各水电站的水位库容信息，利用公式W_单可拦＝V_正常-V_当前计算流域内单个水电站的可拦蓄水量，利用公式

计算流域可拦蓄水量，其中，W_可拦：流域可拦蓄水量，万m³；W_单可拦：单个水电站的可拦蓄水量，万m³；V_正常：单个水电站的正常库容，万m³；V_当前：单个水电站的当前库容，万m³；

(3-3)将流域可拦蓄水量W_可拦与设置的流域可拦蓄水量的最大值W_max进行比较，如果W_可拦≥W_max，修正前期影响雨量Pa。

作为优选，步骤(1-3)的具体步骤如下：

(4-1)根据采集的目标水库流域内各水电站的水位库容信息，利用公式W_可容＝W_单可拦＝V_正常-V_当前计算可容蓄净水量；

(4-2)根据前期影响雨量Pa、月份或者流量信息确定径流系数ρ；

(4-3)利用公式

计算可容蓄降水量，其中，W_可容：可容蓄净水量，万m³；ρ：径流系数；F：流域面积，Km²；W_发：发电水量，万m³；P_可容：可容蓄降水量，mm；

(4-4)将可容蓄降水量与采集的降雨量信息进行比较，如果可容蓄降水量大于降雨量时，水库处于防汛安全状态；可容蓄降水量小于等于降雨量时，水库处于泄洪风险状态，可能发生弃水；可容蓄降水量等于零时，表示当前水库水位已达到正常蓄水位及以上，机组不安排发电时，已不能容蓄降水量。

作为优选，步骤(1-4)中的短期时段径流量预报的具体步骤如下：

(5-1)根据降雨量和前期影响雨量Pa，利用公式R＝f(p,pa,T,季节)计算净雨量，利用公式

计算径流量，进行时段径流量预报；其中，R：净雨量，mm；p：降雨量，mm；Pa：前期影响雨量，mm；T：降雨历时，h；Q_d,i：流域出口断面时段末径流量，m³/s；r_d,j：时段净雨量，mm；q_i-j+1：单位线时段末流量，m³/s；j：时段数，j＝1，2，3，…，m；i：单位线底长的时段数，i＝1，2，3，…，n。

作为优选，步骤(1-4)中的水库的中长期期末水位的计算步骤如下：

(6-1)根据水位库容信息、流域信息和径流系数ρ，利用公式V_末＝V_初+P×ρ×F-W_发和Z_末＝f(V_末)计算中长期期末水位，其中，V_末：期末库容，万m³；V_初：期初库容，万m³；P：降雨量，mm；ρ：径流系数；F：流域面积，Km2；W_发：发电水量，万m³；Z_末：─期末水位，m。

因此，本发明具有如下有益效果：能够提出满足水库防汛要求加大出力发电减少水库泄洪风险的调度建议，同时能够提出满足抗旱要求降低出力发电保证后期供水要求的调度建议；避免发生各支流洪水叠加而增加调度风险，及时有效开展错峰调度；并为水库科学调度和下游的错峰调度提供决策依据，提高了水库调度风险预警能力，确保水库大坝和下游人民生命财产的安全。

附图说明

图1是本发明的一种流程图；

图2是本发明的一种系统框图。

图中：微处理器1、流域数据采集模块2、调度风险预警模块3、梯级水库调度模块4、可容蓄降水量预警模块31、最高水位预警模块32、防汛预警模块33、抗旱预警模块34。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1和图2所示的实施例是一种基于气象数值预报的水库调度预警方法，如图2所示，包括微处理器1、流域数据采集模块2、调度风险预警模块3和梯级水库调度模块4；所述调度风险预警模块包括可容蓄降水量预警模块31、最高水位预警模块32、防汛预警模块33和抗旱预警模块34；微处理器分别与流域数据采集模块、梯级水库调度模块、可容蓄降水量预警模块、最高水位预警模块、防汛预警模块和抗旱预警模块电连接；如图1所示，包括如下步骤：

步骤100，微处理器控制流域数据采集模块采集目标水库流域内各水电站的水文信息、流域信息、气象信息和前期影响雨量Pa，其中，水文信息包括水位库容信息、流量信息和发电信息；所述流域信息包括流域面积；所述气象信息包括时降雨量，日降雨量，旬降雨量，双周降雨量，月降雨量，具体如表1所示；

表1

步骤200，根据采集的目标水库流域内各水电站的水文信息计算流域内可拦蓄水量，根据可拦蓄水量修正前期影响雨量Pa；

步骤201，设置流域可拦蓄水量的最大值W_max；

步骤202，根据采集的目标水库流域内各水电站的水位库容信息，利用公式W_单可拦＝V_正常-V_当前计算流域内单个水电站的可拦蓄水量，利用公式

计算流域可拦蓄水量，其中，W_可拦：流域可拦蓄水量，万m³；W_单可拦：单个水电站的可拦蓄水量，万m³；V_正常：单个水电站的正常库容，万m³；V_当前：单个水电站的当前库容，万m³；

步骤203，将流域可拦蓄水量W_可拦与设置的流域可拦蓄水量的最大值W_max进行比较，如果W_可拦≥W_max，修正前期影响雨量Pa，W_可拦增大，前期影响雨量Pa减少，即W_可拦与Pa成负相关；

各水电站不同实时水位，蓄至水库正常蓄水位的可拦蓄水量也不同，由于各水库的拦蓄对下游水库流域产生的水量也不同，影响初始洪水预报精度，当所有水电站的当前库容大于正常库容时，流域小水电可拦蓄水量为0，表示各小水库已蓄满；

步骤300，如表2所示，根据水文信息和气象信息确定径流系数ρ，基于径流系数ρ计算水库可容蓄净水量和可容蓄降水量，进行可容蓄降水量预警；

表2

步骤301，根据采集的目标水库流域内各水电站的水位库容信息，利用公式W_可容＝W_单可拦＝V_正常-V_当前计算可容蓄净水量；

步骤302，根据前期影响雨量Pa、月份或者流量信息确定径流系数ρ；

步骤303，利用公式

计算可容蓄降水量，其中，W_可容：可容蓄净水量，万m³；ρ：径流系数；F：流域面积，Km²；W_发：发电水量，万m³；P_可容：可容蓄降水量，mm；

步骤304，将可容蓄降水量与采集的降雨量信息进行比较，如果可容蓄降水量大于降雨量时，水库处于防汛安全状态；可容蓄降水量小于等于降雨量时，水库处于泄洪风险状态，可能发生弃水；可容蓄降水量等于零时，表示当前水库水位已达到正常蓄水位及以上，机组不安排发电时，已不能容蓄降水量；

步骤400，根据水文信息、流域信息、前期影响雨量Pa、径流系数ρ和气象信息进行水库的短期时段径流量预报和计算中长期期末水位；

步骤401，根据降雨量和前期影响雨量Pa，利用公式R＝f(p,pa,T,季节)计算净雨量，利用公式

计算径流量，进行时段径流量预报；其中，R：净雨量，mm；p：降雨量，mm；Pa：前期影响雨量，mm；T：降雨历时，h；Q_d,i：流域出口断面时段末径流量，m³/s；r_d,j：时段净雨量，mm；q_i-j+1：单位线时段末流量，m³/s；j：时段数，j＝1，2，3，…，m；i：单位线底长的时段数，i＝1，2，3，…，n；

步骤402，根据水位库容信息、流域信息和径流系数ρ，利用公式V_末＝V_初+P×ρ×F-W_发和Z_末＝f(V_末)计算中长期期末水位，其中，V末：期末库容，万m³；V_初：期初库容，万m³；P：降雨量，mm；ρ：径流系数；F：流域面积，Km2；W_发：发电水量，万m³；Z_末：期末水位，m；

步骤500，根据水文信息、气象信息和期末水位信息确定防汛预警级别和抗旱预警级别，进行水库调度；

确定防汛预警级别：以当前水库水位为起调水位，分别对时、日、旬、双周、月降雨量数值预报，以装机容量发电、70％满负荷发电、40％满负荷发电、保证出力发电、机组不发电组合，以期末水位Z_末作为判定依据，判定水库泄洪风险，开展水库调度防汛预警，具体如表3所示；

表3

确定抗旱预警级别：根据水库下游供水需求，按水库调度图和来水保证率选定设计来水过程，由期末水位控制在死水位进行反时序调节，获得供水期各时段最低控制水位线；结合水库时、日、旬、双周、月降雨量数值预报和水库当前水位、入库流量，按下游供水需要进行发电调节，预测后期水库水位；以期末水位Z_末确认该水位是否落在破坏出力区或供水期各时段最低控制线以下为判定依据，确定抗旱预警级别，开展水库调度抗旱预警，具体如表4所示；

表4

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于气象数值预报的水库调度预警方法，其特征在于，包括微处理器(1)、流域数据采集模块(2)、调度风险预警模块(3)和梯级水库调度模块(4)；所述调度风险预警模块包括可容蓄降水量预警模块(31)、最高水位预警模块(32)、防汛预警模块(33)和抗旱预警模块(34)；微处理器分别与流域数据采集模块、梯级水库调度模块、可容蓄降水量预警模块、最高水位预警模块、防汛预警模块和抗旱预警模块电连接；包括如下步骤：

(1-1)微处理器控制流域数据采集模块采集目标水库流域内各水电站的水文信息、流域信息、气象信息和前期影响雨量Pa；

(1-2)根据采集的目标水库流域内各水电站的水文信息计算流域内可拦蓄水量，根据可拦蓄水量修正前期影响雨量Pa；

(1-3)根据水文信息和气象信息确定径流系数ρ，基于径流系数ρ计算水库可容蓄净水量和可容蓄降水量，进行可容蓄降水量预警；

(1-4)根据水文信息、流域信息、前期影响雨量Pa、径流系数ρ和气象信息进行水库的短期时段径流量预报和计算中长期期末水位；

(1-5)根据水文信息、气象信息和期末水位信息确定防汛预警级别和抗旱预警级别，进行水库调度。

2.根据权利要求1所述的基于气象数值预报的水库调度预警方法，其特征在于，所述水文信息包括水位库容信息、流量信息和发电信息；所述流域信息包括流域面积；所述气象信息包括降雨量。

3.根据权利要求2所述的基于气象数值预报的水库调度预警方法，其特征在于，步骤(1-2)的具体步骤如下：

(3-1)设置流域可拦蓄水量的最大值W_max；

(3-2)根据采集的目标水库流域内各水电站的水位库容信息，利用公式W_单可拦＝V_正常-V_当前计算流域内单个水电站的可拦蓄水量，利用公式

计算流域可拦蓄水量，其中，W_可拦：流域可拦蓄水量，万m³；W_单可拦：单个水电站的可拦蓄水量，万m³；V_正常：单个水电站的正常库容，万m³；V_当前：单个水电站的当前库容，万m³；

(3-3)将流域可拦蓄水量W_可拦与设置的流域可拦蓄水量的最大值W_max进行比较，如果W_可拦≥W_max，修正前期影响雨量Pa。

4.根据权利要求3所述的基于气象数值预报的水库调度预警方法，其特征在于，步骤(1-3)的具体步骤如下：

(4-1)根据采集的目标水库流域内各水电站的水位库容信息，利用公式W_可容＝W_单可拦＝V_正常-V_当前计算可容蓄净水量；

(4-2)根据前期影响雨量Pa、月份或者流量信息确定径流系数ρ；

(4-3)利用公式

计算可容蓄降水量，其中，W_可容：可容蓄净水量，万m³；ρ：径流系数；F：流域面积，Km²；W_发：发电水量，万m³；P_可容：可容蓄降水量，mm；

(4-4)将可容蓄降水量与采集的降雨量信息进行比较，如果可容蓄降水量大于降雨量时，水库处于防汛安全状态；可容蓄降水量小于等于降雨量时，水库处于泄洪风险状态，可能发生弃水；可容蓄降水量等于零时，表示当前水库水位已达到正常蓄水位及以上，机组不安排发电时，已不能容蓄降水量。

5.根据权利要求2所述的基于气象数值预报的水库调度预警方法，其特征在于，步骤(1-4)中的短期时段径流量预报的具体步骤如下：

(5-1)根据降雨量和前期影响雨量Pa，利用公式R＝f(p,pa,T,季节)计算净雨量，利用公式

计算径流量，进行时段径流量预报；其中，R：净雨量，mm；p：降雨量，mm；Pa：前期影响雨量，mm；T：降雨历时，h；Q_d,i：流域出口断面时段末径流量，m³/s；r_d,j：时段净雨量，mm；q_i-j+1：单位线时段末流量，m³/s；j：时段数，j＝1，2，3，…，m；i：单位线底长的时段数，i＝1，2，3，…，n。

6.根据权利要求2所述的基于气象数值预报的水库调度预警方法，其特征在于，步骤(1-4)中的水库的中长期期末水位的计算步骤如下：

(6-1)根据水位库容信息、流域信息和径流系数ρ，利用公式V_末＝V_初+P×ρ×F-W_发和Z_末＝f(V_末)计算中长期期末水位，其中，V_末：期末库容，万m³；V_初：期初库容，万m³；P：降雨量，mm；ρ：径流系数；F：流域面积，Km2；W_发：发电水量，万m³；Z_末：─期末水位，m。

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