大中型水庫動態抗暴雨能力研究與應用

鄭 寧，闕家駿，王軼凡，李志陽

（寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315033）

0 引言

我國水庫眾多，在防洪調度和水資源調配中承擔重要任務，水庫的防汛預報能力尤為重要。2021 年10月12 日水利部相關會議指出，要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據、算法、算力建設，構建數字孿生流域，加快構建具有預報、預警、預演、預案（以下簡稱“四預”）功能的智慧水利體系[1]。

關于水庫抗暴雨能力的研究，金云杰[2]、國洪琴[3]、張立明[4]等基于不同的起調水位，采用徑流系數，反推不同起調水位下能容納的蓄水量作為水庫抗暴雨能力；車云竹[5]和侯愛中[6]35-36都明確解釋了抗暴雨能力，并采用試算法反推了中小型水庫抗暴雨能力；謝水石[7]基于不同起調水位，利用新安江模型計算入庫流量，并在團結水庫進行應用，效果較好?；谥行⌒退畮炜贡┯昴芰︻A報預警關鍵技術研究項目[8]技術，鄭寧[9]結合中小型水庫入庫預報模型和降雨典型雨型設計，進行了中小型水庫抗暴雨能力預報方法的研究。白丹[10]以溧水方便水庫為例，進行了水庫抗暴雨能力研究；吳志勇等[11]引入概率降雨情景，考慮流域不同情況降雨的可能性及對產匯流的影響，進行了中小型水庫抗暴雨能力概率預報的研究應用。

目前已有的抗暴雨能力研究多針對中小型水庫，而大中型與中小型水庫在調度出流控制方面存在顯著差異?；谝延械难芯砍晒?，結合主流信息技術，以周公宅水庫為例，進行大中型水庫動態抗暴雨能力研究，進一步提升水庫工程防汛防臺水平，強化“四預”中的預報預警能力。

1 大中型水庫動態抗暴雨能力研究

1.1 總體架構

大中型水庫動態抗暴雨能力研究 5 層結構體系如圖 1 所示，采用數字化手段，基于數據的采集傳輸、存儲，通過搭建水庫動態抗暴雨能力智能分析模型和應用框架，為業務系統提供數據支撐，并為外部防洪“四預”、水庫群防洪調度、省市縣等多級防洪共享模型提供服務和數據。

圖1 大中型水庫動態抗暴雨能力總體框架

1.2 模型計算流程

抗暴雨能力的計算涉及下墊面、水庫調度、降雨過程等在內的多方面影響因素，而由于水文過程的非線性特征，這些因素互相影響和制約，無法直接通過逆運算得出抗暴雨能力，需要采用試算的方法反推[6]36。大中型水庫動態抗暴雨能力智能分析模型計算流程如圖 2 所示。

圖2 大中型水庫動態抗暴雨能力智能分析模型計算流程

1）假設降雨生成。假設n個降雨量Pi（i=1，2，…，n），通常設為 25，50，100，200，300，400，500 mm……，根據當前水位進行分析處理，若處于低水位，則加密小雨量場次，若處于高水位，則加密大雨量場次，并開放人工干預設置。

2）降雨時程分配。獲取數據庫的典型歷史雨型過程、歷史臺風和預報降雨等數據，若預報降雨是臺風雨，則使用與之最相似的歷史臺風降雨過程進行歷史臺風相似分析[12]，若無臺風，則使用用戶設置的雨型。根據雨型將步驟 1）的n場假設降雨Pi進行時程分配（72或24 h）。

3）水庫入流計算。將獲取的前期降雨、模型參數及其他數據，輸入水庫入庫預報模型進行水庫入流計算，得到n個入流過程Q1i（i=1，2，…，n）。采用集總式新安江模型進行周公宅水庫入流計算[13]。

4）水庫調度計算模式智能分析。大中型水庫調度通常包括規則、指令、補償等模式[14]。根據水庫的當前水位、調度規則、當前出流及調度指令數據，分析水庫當前所處狀態，智能選擇調度計算模式，并開放人工干預設置。調度計算模式智能分析方法如圖 3 所示。

5）水庫調度計算。根據步驟 4）的調度計算模式調用水庫調度模型，計算n場出庫流量過程Q2i（i=1，2，…，n）。對于某一水庫，水位上漲到與出庫平衡的時候最危險，此時水位最高，水庫凈增蓄水量最大，也可看出水庫能否抵御降雨，即水庫的抗暴雨能力。根據步驟 3）的Q1i和Q2i可得出n個最大凈增蓄水量Wi（i=1，2，…，n）。

6）P-W曲線繪制。根據步驟 1）和 5）的結果點繪（Pi，Wi）即可得到P-W曲線，并對曲線進行異常分析，無誤后存入數據庫。

7）抗暴雨能力分析。獲取水庫的控制水位及水位-庫容曲線數據，得到當前水位與控制水位的庫容差，查詢P-W曲線即可得出當前狀態下水庫的抗暴雨能力。也可根據預報降雨總量查P-W曲線得出水庫最大凈增蓄水量。

8）動態執行。當前實時水位發生變化或下墊面狀態改變時，重復步驟 1）～7），實時刷新水庫抗暴雨能力分析成果，實現抗暴雨能力的動態計算，并即時存入數據庫。

1.3 業務應用功能

通過數據匯聚和智能分析模型的建立，結合不同的應用場景、表現載體，構建大中型水庫動態抗暴雨能力分析系統，業務應用功能框架如圖 4 所示。另外大中型水庫動態抗暴雨能力分析可與降雨預報、來水預報、水庫調度、預警管理、下游淹沒分析、預演分析、預案管理等結合形成“四預”功能體系，也可用于水庫群防洪及縣、市、省等多級防洪應用。

圖4 大中型水庫動態抗暴雨能力分析系統業務應用功能框架

1）駕駛艙融合展示。水庫動態抗暴雨能力分析成果可融入水庫工程可視化駕駛艙，結合實時監測、預報預警、氣象等數據，為水庫防汛指揮決策提供支撐。

2）典型雨型管理?；跉v史雨型數據，建設典型雨型管理功能，提供查看、添加、編輯典型雨型的窗口，為大中型水庫動態抗暴雨能力分析計算提供支撐。

3）水庫自動分析。面向降雨來臨前的防汛形勢研判，基于自動分析模型和實時監測數據，可在臺風、場次降雨來臨前或過程中，對水庫抗暴雨能力進行自動分析，為防汛會商提供決策支持。

4）人工干預分析。面向降雨來臨前和過程中的防汛會商研判，基于自動分析模型和實時監測數據，人工輸入相關參數進行抗暴雨能力分析計算，包括假設降雨、雨型、調度計算模式等，滿足防汛過程中多種自定義的抗暴雨能力分析需求。

5）防汛簡報?；谒畮熳詣臃治龊腿斯じ深A分析成果，以預先設置好的模板格式自動生成防汛簡報，并發送至水庫橫向或上級主管等部門。

6）分析成果管理?；诖鎯υ跀祿斓乃畮靹討B抗暴雨能力實時計算數據，提供成果數據查詢統計功能?？勺远x查詢歷史抗暴雨能力數據，并對歷史數據進行多維統計分析。

7）移動應用?；谝苿討闷脚_（“釘釘”等App），實現水庫實時抗暴雨能力分析、人工干預計算等功能，方便水庫監管人員隨時隨地查詢、計算水庫實時抗暴雨能力。

2 周公宅水庫應用

2.1 周公宅水庫概述

周公宅水庫位于奉化江支流大皎溪，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電、供水等綜合利用的大（二）型水利工程。工程擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高為 125.5 m。水庫所在流域多年平均降雨量為1 837.4 mm，雨量豐沛，水庫按 500 年一遇洪水設計、2 000 年一遇洪水校核，主要泄水建筑物包括 2 臺發電機組、3 孔溢洪道閘門和 1 孔預泄閘。周公宅水庫與下游的皎口水庫相距較近，洪水調度與水資源調配關系密切。

周公宅水庫洪水調度原則如下：

1）庫水位低于 231.28 m（5 年一遇洪水位），下游皎口水庫正在補償泄洪時，控制下泄流量不超過280 m3/s；如皎口水庫已停止泄洪，則控制下泄流量不超過 100 m3/s。

2）庫水位超過 231.28 m、低于 237.12 m（20 年一遇洪水位）時，控制下泄流量不超過 350 m3/s。

3）庫水位超過 237.12 m、低于 237.43 m（100 年一遇洪水位）時，控制下泄流量不超過 1 300 m3/s。

4）庫水位超過 237.43 m 時，控制出庫流量與入庫流量基本持平，直至三孔泄洪閘門全開敞泄。

5）庫水位回落階段，根據氣象預報及水庫上下游情況，及時調整下泄流量，盡快將庫水位降至臺汛期控制蓄水位。

周公宅水庫主要特征水位及庫容如表 1 所示。

表1 周公宅水庫主要特征水位及庫容

2.2 多源數據匯聚

隨著水利工程標準化及智慧水庫的建設，周公宅水庫的水利監測數據采集、傳輸、存儲等方面的基礎設施逐漸完善，本次監測數據主要從周公宅水庫管理站獲取，各類數據及數源單位如表 2 所示。

表2 周公宅水庫動態抗暴雨能力計算所需數據清單

2.3 應用成果分析

依據 2022年9 月周公宅水庫抵御臺風“軒嵐諾”起調水位和臺風“梅花”過程水位，進行水庫動態抗暴雨能力實時模擬計算，結果如圖 5 所示。

圖5 不同起調水位下周公宅水庫 P-W 曲線圖

由模擬結果可知，周公宅水庫在中低水位時，隨著降雨量增大，水庫最大凈增蓄水量增長較平緩，伴隨調度規則的改變會出現抗暴雨能力陡增的轉折點，此時水庫抗暴雨能力動態變化顯著，水庫人員更多關注水庫抵抗暴雨能力的變化及預報降雨；在高水位時，伴隨著較大的指令出庫流量，水庫可輕易抵抗較大的降雨量，但降雨產生的入庫水量超過出流水量后，水庫最大凈增蓄水量隨降雨量增大而迅速增長，此時水庫的抗暴雨能力變化不顯著，水庫更多關注調度出流與水位控制。

模擬結果與實際數據的對比分析如表 3 所示。結果表明，周公宅水庫在臺風“軒嵐諾”起調水位時抗暴雨能力為 600.0 mm，遠大于實際降雨 273.6 mm，在防洪高水位下能安全度過這場降雨，實際最高水位為 228.17 m，小于防洪高水位 237.12 m，水庫動態抗暴雨能力計算是合理的；在臺風“梅花”起調水位時抗暴雨能力為 573.00 mm，大于實際降雨 444.50 mm，在臺風過程中，隨著起調水位上漲，抗暴雨能力先降低再上升，實際降雨集中在前期和中期，整個過程中不同水位計算的實時抗暴雨能力均大于實際降雨，水庫實際最高水位為 235.20 m，低于防洪高水位 237.12 m，水庫動態抗暴雨能力計算是合理的。

表3 周公宅水庫動態抗暴雨能力計算結果對比表

與中小型水庫抗暴雨能力計算方法相比，大中型水庫的P-W曲線在斜率、增幅方面差異較大，差異主要與出流控制方式有關：

1）中小型水庫多為無閘門控制敞泄出流，而大型水庫通常有閘門控制，且洪水調度出流規則常為階梯式，P-W曲線易出現突變轉折點；

2）在高水位時大中型水庫通常按照上級調度指令進行泄水，可承受更多降雨，降雨產生的入流與出流平衡后，最大凈增蓄水量隨降雨的增加漲幅較大。

因此，大中型水庫的抗暴雨能力計算需要對假設降雨進行加密，并接入實時出庫流量和調度令數據，確保調度計算模式的準確性，以保證抗暴雨能力計算結果可靠。

3 優勢及創新性

針對大中型水庫動態抗暴雨能力分析系統的構建，本研究提出了詳細的計算流程和業務應用功能設計，優勢及創新性如下：

1）提升了計算實時性。實現了水庫抗暴雨能力的動態計算，可根據水位及下墊面變化實時更新計算成果，并支持人工干預動態更新，為水庫防汛形勢研判提供實時支撐，同時可進行庫容差-抗暴雨能力、預報降雨量-最大凈增蓄水量的雙向查詢計算，提升了水庫抗暴雨能力計算成果的價值。

2）創新了智能計算模式。融入歷史臺風相似和水庫調度智能等分析，結合多源實時數據，可實現水庫動態抗暴雨能力全自動智能化分析，提升水庫動態抗暴雨能力計算智能度。

3）提高了計算精細度。目前廣泛使用的納雨能力計算，根據水庫庫容采用徑流系數直接反算降雨量，過于粗糙?？贡┯昴芰Φ挠嬎闵婕跋聣|面、水庫調度、降雨過程等在內的多方面影響因素，本研究的抗暴雨能力分析計算模型采用水文模型試算，將納雨能力計算由粗放轉為精細。

4）擴大了水庫抗暴雨能力應用范圍。a.多場景適用?？蛇m用于單水庫或多水庫聯合管理單位，以及縣、區、市、省、國家等層級；既可進行自動分析計算，也可通過人工干預進行計算，能夠適應不同層級用戶及場景功能等需求。b.多資源利用?？膳c多種水文模型無縫融合，水庫抗暴雨能力的計算只與水文模型的輸入與輸出有關，兩者耦合度較低，因此水庫抗暴雨能力的計算可無縫融合集總式、分布式水文模型，極大提高開發部署效率。目前，水利部正在全國范圍內大力推進數字孿生流域/工程建設[15-16]，水庫動態抗暴雨能力可與“四預”體系、數字孿生底座高效集成，為數字孿生流域/工程建設添磚加瓦。

4 結語

為提升水庫及流域防汛防臺水平，強化“四預”體系功能，以周公宅水庫為例，開展大中型水庫動態抗暴雨能力研究。通過全面匯聚數據，搭建了水庫動態抗暴雨能力分析系統，可實現水庫抗暴雨能力的動態智能計算和多場景、多載體、多樣化展示，為水庫及流域防汛研判、會商決策提供支撐。

本研究的大中型水庫動態抗暴雨能力模型及系統具有動態實時性、計算智能度高、精細度高、應用范圍廣等優勢，可結合當前主流的智慧水利及數字孿生流域/工程工作進行推廣應用。

不足之處在于應用探索尚未全面覆蓋外部業務應用功能，后續須進一步利用更多水庫進行更全面的應用實踐，同時采用分布式水文模型進行水庫入流計算，研究下墊面狀態改變對抗暴雨能力的動態影響，并結合國產數據庫[17]等優化改進，為水庫“四預”提供更智能、準確的支撐。