论文部分内容阅读
摘要：水库防洪预报调度是指根据洪水预报模型、经过审核的水库防洪应急预案对水库进出库水量进行调度，确保水库的安全。水库防洪预报调度管辖到水库所在区域的人民生命财产安全，因此应该引起重视。本文以半城子水库防洪预报调度方法为研究对象，简单介绍了半城子水库情况，并建立了防洪预报调度模型来更好地预测洪水的破坏程度和发生概率，以便于做好应急措施来将洪水产生的破坏将至最低，最后分析了半城子水库防洪预报调度方法存在的问题及相应的改进措施。
关键词：半城子水库;防洪预报调度;防洪预报模型
前言
大中型水库是防洪减灾的重要工程，水库可以实现水资源的时空调度，优化水资源配置，提高水资源利用率，实现水资源的可持续利用，并降低洪涝灾害的破坏程度，保护当地人民生命财产安全。洪水预报调度是水库防洪抢险工作的重要内容，洪水预报直接影响着水库防洪抢险的顺利开展、水资源利用效率和防洪调度的质量，并且在水库拦洪晓峰、滞洪错峰等方面都有着重要作用。本文以半城子水库防洪预报调度方法为研究对象，简单介绍了半城子水库情况，并建立了防洪预报调度模型来更好地预测洪水的破坏程度和发生概率。
1.半城子水库概况
半城子水库位于北京密云县北部山区，始建于1975年11月份，竣工预次年7月份。半城子水库总容量为1020万m3，其中防洪库容为688万m3，兴利库容为701万m3，该水库的主体结构为：坝体、溢洪道、输水洞、电站等。水库大坝主体结构由沥青混凝土浇筑而成，坝顶高262.00m，溢洪道采用实用堰型，堰顶高253.00m，最大泄洪量为703m3/s。半城子水庫近些年因局部强降水增多，使得库区内的水量比上游水量增多，上游大多是小雨。根据2010-2020年10年的观测数据显示，半城子水库的平均降水量为648.2mm。半城子水库的降水主要在6-8月份，这三个月的降水量占全年降水量的80.1%，冬季降水量较少，从10月份一直到次年5月份半城子水库的降水量占全年降水量的19.9%，最大年降水量为849.3mm（2015年），最小年降水量为378.3mm（2018年）。半城子水库的蒸发量由气温、季节而决定，夏季蒸发量较大，每天的蒸发量约为14.3mm，冬季蒸发量最小，该水库每年的蒸发量在1200mm左右。半城子水库每年的径流量约为640万m3。半城子水库汛限控制指标为：6-8月的水库限制水位为255.00m，9月份的限制水位在257.00m。非汛期不设置控制水位。
2.半城子水库防洪预报调度模型的建立
2.1降雨径流相关图的建立
首先是计算流域平均降水量。半城子水库一共有两个雨水收集站，分布均匀，雨水收集站能够通过收集到的遇水计算出该水库所在区域的年平均降雨量。
其次是计算径流深。可以查找近些年半城子水库的实际降雨量、净流量点等数据信息绘制降雨径流相关图，然后根据图纸计算径流深。
再次是计算前期影响雨量。前期影响雨量主要由土壤含水量决定，土壤含水量与前期降雨量和蒸发量有关。因此可以计算出前期影响雨量的计算公式：Pat=K（Pat-1+Pt-1+Rt-1）
Pat就是t日的前期影响雨量/mm。Pat-1是t日前一天的前期影响雨量/mm，Pt-1是t日前一天的计算区域的平均降雨量/mm，Rt-1是t前一天的计算区域的平均降雨量产生的径流深/mm，K是减速系数（如表1所示）。
最后计算洪水总量。洪水总量计算公式：W=10RFK，其中W是进入水库的洪水总量/万m3，R是径流深/mm，F是水库集水面积/km2，K是经验系数。
2.2洪水预报相关图的建立
半城子水库预报相关图一共由四个象限组成，如图1所示。
第一象限：此象限的纵坐标是库容V，横坐标是溢洪道泄流量qM，根据库容V和控制水位H的关系绘制V-H关系线。
第二象限：此象限的纵坐标是库容V，横坐标是洪水总量W，当水流量上涨时的库容量V起为参数绘制W-V-V起的关系线。
第三象限：此象限的纵坐标是降水量和前期影响雨量之和P+Pa，横坐标是洪水总量W，以此绘制降雨径流相关图。
第四象限：此象限的纵坐标是降水量和前期影响雨量的和P+Pa，横坐标是入库洪峰流量QM，并以有效降雨时间t为参数绘制降雨历时相关图。
2.3洪水预报相关图的使用
洪水预报相关图主要分为三种应用情景。第一种是起涨水位与溢洪道底部持平。根据第三象限可以得出洪水总量W，然后将洪水进入水库时的容积设置为A点，第四象限可以查出入库洪峰流量为Qm，此时的洪峰流量线与横轴相交与B点，将A和B两个点相连，其延长线与第一象限的泄水量曲线相较于C点，并在此处做平行于横轴的平行线，得到此时水库泄洪水库最大库容，并在C点向下做垂直于横轴的直线，与横轴交点就是溢洪道最大泄水量qm。
第二种情况是起涨水位比溢洪道底部低。根据第三象限可以找出洪水总量W，如果W≤V拦，可以在第三象限查到洪水入库时的水库容积V，此时就是最大库容，因为还没有进行泄洪措施，所以此时没有下泄流量。如果W>V拦，则可以利用入库洪峰流量来优化泄洪流量，并得出洪水进入水库后的库容V和溢洪道最大泄水量qm。
第三种情况是起涨水位高于溢洪道底部，且水库正在溢洪。首先，利用降水量和前期影响雨量的和P+Pa找到入库洪峰流量QM。然后从第二象限以V起为起点绘制与坐标原点平行的新坐标轴，从第二象限查找P+Pa的洪水总量W，再利用入库洪峰流量QM和下泄流量Q起来计算△W。最后在新坐标上确定A’、B’和C’，再利用C’从做平行线与第一象限的纵轴连接，得到最大泄洪库容，再由C’向下做垂直线与第一象限横轴相交，得出溢洪道最大泄洪量。
3.半城子水库防洪预报防洪调度存在的问题 3.1通讯测报手段落后
半城子水库存在通信设备老化测报手段落后等问题，水库预报调度部门目前只能通过电话和电台收发信号，因为半城子水库位于深山老林中，尚没有覆盖无线网络，导致该水库的网络信号较差，与外界的联系比较困难。如果暴雨天气通讯信号会受到天气影响出现连接不上外界信号或者有噪音等问题，严重影响水库预报调度部门的正常工作。加上半城子水库的预报模型只是简易模型，属于比较落后的预报模型，每到汛期，通讯线路就会被暴雨天气影响，产生滞后感，往往通信延迟几个小时，严重影响预报模型对洪水的预报效率和质量。
3.2计算工具落后
目前半城子水库还在用原始的简单预报模型、查图等原始方法预报洪水，这种落后的计算预报方法预见期短，难以预见较长远的暴雨和洪涝灾害，预见期短就难以做好相应的防洪措施，就会扩大洪水对当地人民生命财产的破坏性。目前很多大水库一经采用计算机技术和大数据技术来预报洪水，但半城子水库缺乏计算机和网络这些软硬件设施，预报洪水的模型比较粗糙简单，预报结果主观臆断性强，预报精准度较低。
3.3对水库防洪预报调度风险分析不到位
防洪预报调度是一个多目标多阶段多风险的决策过程。不仅需要考虑水库上下游的径流量、降雨量等因素，还要考虑防洪与兴利之间的矛盾。在半城子水库防洪的不同阶段，管理人员会有不同的侧重点，并采取不同的策略。因为防洪预报调度涉及到降雨、水流量等自然因素和库容、泄洪能力等工程因素，这些影响防洪预报调度的因素复杂多变，难以把控，容易在防洪预报调度上收集信息不到位不全面，做出错误的预报和调度指令，从而影响防洪预报调度的准确性和效率性。例如半城子水库在风险分析上只考虑单目标和单因素，忽略了综合因素，从而对防洪预报调度风险分析不到位，产生错误的预报和调度指令。
4.半城子水库防洪预报防洪调度建议
4.1完善水库通信设备
要在半城子水库建立通信基站，确保预报调度部门的通畅的联系。更新水库的通信设备，增加网络通信，提高通信效率和质量，减少外界对通信设备的干扰。并组建由邮电、部队、公安、电力和气象部门组成的联合通信网络，一旦发生洪水灾害，各部门及时沟通联络，一起抢险救灾，提高工作效率。
4.2利用现代科技准确预报洪水
利用计算机的高速运算能力和大数据的各种算法和模型来建立更为高级智能化的洪水预报模型，将监测到的降雨量、水位线、库容等数据信息输入到模型中去，就会自动生成洪水发生概率、发生位置和破坏力等数据，并且能够延長预见期，以便于让各部门做好应对洪水灾害的各项措施，避免突发事件发生时调度紊乱，影响抗洪救灾的效率和质量。
4.3加强水库防洪预报调度的风险分析
半城子水库防洪预报调度风险分析要综合考虑各类影响因素对防洪预报调度的影响，将风险降至最低。同时要综合利用定性分析法和定量分析法。定性分析法主要有调查分析法和德尔菲法，通过专家经验和知识来判断风险发生概率和破坏程度。定量分析法主要是利用数学工具来分析风险的发生概率和破坏程度，例如概率统计法和随机模拟法等。综合利用这些方法才能将水库防洪预报调度风险降至最低。
结论
水库防洪预报调度关系到水库所在地区的人民生命财产安全，因此各部门应该加强对水库防洪预报调度的重视程度，加强通信设备、计算设备等基础设施建设，利用现代科技提高洪水预报的准确性和效率性，并综合考虑各类影响防洪预报调度的因素，降低风险发生概率，确保防洪预报调度的顺利进行。
参考文献
[1]黄莉新.坚持依法治水实现水资源可持续利用[J].江苏水利，2003（3）：45.
[2]程晓陶，吴玉成等编著.洪水管理新理念与防洪安全保障体系的研究[M].北京：中国水利水电出版社，2004：22—28.
[3]梁忠民，钟平安，华家鹏.水文水利计算[M].北京：中国水利水电出版社.2008：225—270.
关键词：半城子水库;防洪预报调度;防洪预报模型
前言
大中型水库是防洪减灾的重要工程，水库可以实现水资源的时空调度，优化水资源配置，提高水资源利用率，实现水资源的可持续利用，并降低洪涝灾害的破坏程度，保护当地人民生命财产安全。洪水预报调度是水库防洪抢险工作的重要内容，洪水预报直接影响着水库防洪抢险的顺利开展、水资源利用效率和防洪调度的质量，并且在水库拦洪晓峰、滞洪错峰等方面都有着重要作用。本文以半城子水库防洪预报调度方法为研究对象，简单介绍了半城子水库情况，并建立了防洪预报调度模型来更好地预测洪水的破坏程度和发生概率。
1.半城子水库概况
半城子水库位于北京密云县北部山区，始建于1975年11月份，竣工预次年7月份。半城子水库总容量为1020万m3，其中防洪库容为688万m3，兴利库容为701万m3，该水库的主体结构为：坝体、溢洪道、输水洞、电站等。水库大坝主体结构由沥青混凝土浇筑而成，坝顶高262.00m，溢洪道采用实用堰型，堰顶高253.00m，最大泄洪量为703m3/s。半城子水庫近些年因局部强降水增多，使得库区内的水量比上游水量增多，上游大多是小雨。根据2010-2020年10年的观测数据显示，半城子水库的平均降水量为648.2mm。半城子水库的降水主要在6-8月份，这三个月的降水量占全年降水量的80.1%，冬季降水量较少，从10月份一直到次年5月份半城子水库的降水量占全年降水量的19.9%，最大年降水量为849.3mm（2015年），最小年降水量为378.3mm（2018年）。半城子水库的蒸发量由气温、季节而决定，夏季蒸发量较大，每天的蒸发量约为14.3mm，冬季蒸发量最小，该水库每年的蒸发量在1200mm左右。半城子水库每年的径流量约为640万m3。半城子水库汛限控制指标为：6-8月的水库限制水位为255.00m，9月份的限制水位在257.00m。非汛期不设置控制水位。
2.半城子水库防洪预报调度模型的建立
2.1降雨径流相关图的建立
首先是计算流域平均降水量。半城子水库一共有两个雨水收集站，分布均匀，雨水收集站能够通过收集到的遇水计算出该水库所在区域的年平均降雨量。
其次是计算径流深。可以查找近些年半城子水库的实际降雨量、净流量点等数据信息绘制降雨径流相关图，然后根据图纸计算径流深。
再次是计算前期影响雨量。前期影响雨量主要由土壤含水量决定，土壤含水量与前期降雨量和蒸发量有关。因此可以计算出前期影响雨量的计算公式：Pat=K（Pat-1+Pt-1+Rt-1）
Pat就是t日的前期影响雨量/mm。Pat-1是t日前一天的前期影响雨量/mm，Pt-1是t日前一天的计算区域的平均降雨量/mm，Rt-1是t前一天的计算区域的平均降雨量产生的径流深/mm，K是减速系数（如表1所示）。
最后计算洪水总量。洪水总量计算公式：W=10RFK，其中W是进入水库的洪水总量/万m3，R是径流深/mm，F是水库集水面积/km2，K是经验系数。
2.2洪水预报相关图的建立
半城子水库预报相关图一共由四个象限组成，如图1所示。
第一象限：此象限的纵坐标是库容V，横坐标是溢洪道泄流量qM，根据库容V和控制水位H的关系绘制V-H关系线。
第二象限：此象限的纵坐标是库容V，横坐标是洪水总量W，当水流量上涨时的库容量V起为参数绘制W-V-V起的关系线。
第三象限：此象限的纵坐标是降水量和前期影响雨量之和P+Pa，横坐标是洪水总量W，以此绘制降雨径流相关图。
第四象限：此象限的纵坐标是降水量和前期影响雨量的和P+Pa，横坐标是入库洪峰流量QM，并以有效降雨时间t为参数绘制降雨历时相关图。
2.3洪水预报相关图的使用
洪水预报相关图主要分为三种应用情景。第一种是起涨水位与溢洪道底部持平。根据第三象限可以得出洪水总量W，然后将洪水进入水库时的容积设置为A点，第四象限可以查出入库洪峰流量为Qm，此时的洪峰流量线与横轴相交与B点，将A和B两个点相连，其延长线与第一象限的泄水量曲线相较于C点，并在此处做平行于横轴的平行线，得到此时水库泄洪水库最大库容，并在C点向下做垂直于横轴的直线，与横轴交点就是溢洪道最大泄水量qm。
第二种情况是起涨水位比溢洪道底部低。根据第三象限可以找出洪水总量W，如果W≤V拦，可以在第三象限查到洪水入库时的水库容积V，此时就是最大库容，因为还没有进行泄洪措施，所以此时没有下泄流量。如果W>V拦，则可以利用入库洪峰流量来优化泄洪流量，并得出洪水进入水库后的库容V和溢洪道最大泄水量qm。
第三种情况是起涨水位高于溢洪道底部，且水库正在溢洪。首先，利用降水量和前期影响雨量的和P+Pa找到入库洪峰流量QM。然后从第二象限以V起为起点绘制与坐标原点平行的新坐标轴，从第二象限查找P+Pa的洪水总量W，再利用入库洪峰流量QM和下泄流量Q起来计算△W。最后在新坐标上确定A’、B’和C’，再利用C’从做平行线与第一象限的纵轴连接，得到最大泄洪库容，再由C’向下做垂直线与第一象限横轴相交，得出溢洪道最大泄洪量。
3.半城子水库防洪预报防洪调度存在的问题 3.1通讯测报手段落后
半城子水库存在通信设备老化测报手段落后等问题，水库预报调度部门目前只能通过电话和电台收发信号，因为半城子水库位于深山老林中，尚没有覆盖无线网络，导致该水库的网络信号较差，与外界的联系比较困难。如果暴雨天气通讯信号会受到天气影响出现连接不上外界信号或者有噪音等问题，严重影响水库预报调度部门的正常工作。加上半城子水库的预报模型只是简易模型，属于比较落后的预报模型，每到汛期，通讯线路就会被暴雨天气影响，产生滞后感，往往通信延迟几个小时，严重影响预报模型对洪水的预报效率和质量。
3.2计算工具落后
目前半城子水库还在用原始的简单预报模型、查图等原始方法预报洪水，这种落后的计算预报方法预见期短，难以预见较长远的暴雨和洪涝灾害，预见期短就难以做好相应的防洪措施，就会扩大洪水对当地人民生命财产的破坏性。目前很多大水库一经采用计算机技术和大数据技术来预报洪水，但半城子水库缺乏计算机和网络这些软硬件设施，预报洪水的模型比较粗糙简单，预报结果主观臆断性强，预报精准度较低。
3.3对水库防洪预报调度风险分析不到位
防洪预报调度是一个多目标多阶段多风险的决策过程。不仅需要考虑水库上下游的径流量、降雨量等因素，还要考虑防洪与兴利之间的矛盾。在半城子水库防洪的不同阶段，管理人员会有不同的侧重点，并采取不同的策略。因为防洪预报调度涉及到降雨、水流量等自然因素和库容、泄洪能力等工程因素，这些影响防洪预报调度的因素复杂多变，难以把控，容易在防洪预报调度上收集信息不到位不全面，做出错误的预报和调度指令，从而影响防洪预报调度的准确性和效率性。例如半城子水库在风险分析上只考虑单目标和单因素，忽略了综合因素，从而对防洪预报调度风险分析不到位，产生错误的预报和调度指令。
4.半城子水库防洪预报防洪调度建议
4.1完善水库通信设备
要在半城子水库建立通信基站，确保预报调度部门的通畅的联系。更新水库的通信设备，增加网络通信，提高通信效率和质量，减少外界对通信设备的干扰。并组建由邮电、部队、公安、电力和气象部门组成的联合通信网络，一旦发生洪水灾害，各部门及时沟通联络，一起抢险救灾，提高工作效率。
4.2利用现代科技准确预报洪水
利用计算机的高速运算能力和大数据的各种算法和模型来建立更为高级智能化的洪水预报模型，将监测到的降雨量、水位线、库容等数据信息输入到模型中去，就会自动生成洪水发生概率、发生位置和破坏力等数据，并且能够延長预见期，以便于让各部门做好应对洪水灾害的各项措施，避免突发事件发生时调度紊乱，影响抗洪救灾的效率和质量。
4.3加强水库防洪预报调度的风险分析
半城子水库防洪预报调度风险分析要综合考虑各类影响因素对防洪预报调度的影响，将风险降至最低。同时要综合利用定性分析法和定量分析法。定性分析法主要有调查分析法和德尔菲法，通过专家经验和知识来判断风险发生概率和破坏程度。定量分析法主要是利用数学工具来分析风险的发生概率和破坏程度，例如概率统计法和随机模拟法等。综合利用这些方法才能将水库防洪预报调度风险降至最低。
结论
水库防洪预报调度关系到水库所在地区的人民生命财产安全，因此各部门应该加强对水库防洪预报调度的重视程度，加强通信设备、计算设备等基础设施建设，利用现代科技提高洪水预报的准确性和效率性，并综合考虑各类影响防洪预报调度的因素，降低风险发生概率，确保防洪预报调度的顺利进行。
参考文献
[1]黄莉新.坚持依法治水实现水资源可持续利用[J].江苏水利，2003（3）：45.
[2]程晓陶，吴玉成等编著.洪水管理新理念与防洪安全保障体系的研究[M].北京：中国水利水电出版社，2004：22—28.
[3]梁忠民，钟平安，华家鹏.水文水利计算[M].北京：中国水利水电出版社.2008：225—270.