精细化降雨预报系统在桃林口水库防洪中应用

时间：2024-07-28

高金燕，史辉，梁博

（河北省桃林口水库管理局，河北秦皇岛066400）

1 基本情况

桃林口水库位于滦河主要支流青龙河上，是一座集城市供水、农业灌溉为主，兼防洪和水力发电等综合功能的大型水利枢纽工程，担负着秦皇岛市城市生活、工业、港口用水和滦河中下游地区农田的灌溉任务。坝址至河源长210km，坝址以上控制流域面积5060km2，占滦河流域面积的20.4%，多年平均降雨量500～700mm，多年平均径流量9.60亿m3，总库容8.59亿m3，以多年调节方式运行。流域地处燕山山脉东段，属东亚季风气候区，降雨量年内及年际变化较大，径流年内集中，年际变化悬殊。形成暴雨的天气系统主要为西风槽和切变两种，暴雨一般发生在每年的7月下旬至8月上旬，降雨量占全年的80%，是形成大洪水的主要原因，由于暴雨历时短、强度大及地面坡陡流急，一次洪水过程多表现为峰高量大，陡涨陡落的形式。

根据水库下游防洪需要，2013年对水库调度运用方式进行了调整，由不承担防洪任务调整为承担20年一遇及其以下标准洪水的防洪任务，主汛期将汛限水位143.4m调整为138.5m控制运用，防洪库容2.04亿m3，调洪库容2.40亿m3。

2 精细化降雨预报系统

为了进步延长洪水预见期，为优化水库调度创造条件，桃林口水库引入了针对上游流域的精细化降雨预报系统。精细化降雨预报系统，利用中尺度WRF模式及快速循环同化技术，在对比试验的基础上，选取了适合本地的积云过程、微物理过程和辐射过程的方案组合，以美国NECP（美国国家环境预报中心）的GFS全球预报资料作为背景场，提供预报时段0～48h的天气形势及多种物理量的精细预报。近些年来，随着水库水情信息采集站点设备的更新，精细化降雨预报系统充分利用了水情遥测信息，并在此基础上分析开发，采用先进的地图发布平台、XML技术、Flex开发技术和GIS图表化表达技术，实现了实时水情信息与空间数据一体化存储，并通过水情站与预警区域的关联，实现了水雨情信息的地理网格化区域预警，有效提高了水库应对暴雨洪水的能力，提高了洪水的预见期。

3 精细化系统的组成与功能

桃林口水库精细化降雨预报系统是在GIS系统的基础上开发的，系统由实时雨量数据提取、雨量预报数据传输、面雨量水量计算和WEBGIS平台显示4部分组成。

3.1 实时雨量数据

用于提取各数据源的实时雨量，包括遥测雨量、气象雨量等，将各数据源雨量进行插补，以最大限度地增加观测密度。雨量预报数据传输系统，将降雨预报数据（0～48h数值预报）从气象部门传输到水库管理局的服务器中。

3.2 面雨量水量计算系统

能够计算水库流域整个地区或任意区域的实时面雨量和预报面雨量，并提供预警报警功能，当某区域的实际降雨或预报降雨超过一定阈值，或者未来0～48h预测降雨超过一定阈值，均进行闪烁报警。

3.3 实时降雨预报

数据分为等值线图、等值面图、降水热图、面雨量分析列表4种表现方式，并对降水热图以动画方式演示，体现降水过程的动态变化。

3.4 WEBGIS平台显示系统

用于在网页上展示桃林口水库流域电子地图，并提供各种地图操作和计算操作。整个网页系统采用一个整体架构模式，全部内容放置在菜单面板上，每打开一个网页，均会以标签的方式显示在构架之中，各个页面可以进行快速切换。

4 系统运用

4.1 2018年“安比”“摩羯”台风暴雨洪水概况

2018年第10号台风“安比”和14号台风“摩羯”，以其异常罕见的路径袭击江浙沪地区之后，一路北上抵达山东，进而影响北方地区。受台风“安比”“摩羯”及北部高气压影响，桃林口水库所在青龙河流域先后发生了2018年“7·24”“8·13”两场强降雨，累计平均降雨量200.2mm，最大降雨量站龙王庙，降雨量338mm。对应两场强降雨，桃林口水库相继出现2018年1号洪水、2号洪水。降雨过程及特征如表1。

表1 台风降雨特征

4.2 2018年降水预报与实际降水对比分析

2018年7月22日，台风“安比”在上海市崇明岛登陆后，根据气象部门预报，河北省将出现一次大范围强降水过程，中东部降水量可达暴雨到大暴雨，局地可能超过200mm。

2018年7月22日18：00，河北省防指启动了防汛Ⅳ级应急响应，水库利用卫星云图、雷达等多种网络气象信息手段，密切跟踪台风路径，研判降雨发展和落雨区域。2018年7月23日16：00，台风“安比”位于山东沂水县境内，中心气压990hPa，风力8级，移速移向20km/h，北北西，水库及时启用精细化降雨预报系统，预报显示7月23日20：00至25日20：00，水库流域普面降暴雨到大暴雨，预报流域平均降雨量136.5mm，预报结果如图1（a），水库流域降雨实际监测平均降雨量133.4mm，监测结果如图1（b），对比看出，预报和实际在降雨量和降雨分布上接近，流域平均降雨量预报误差为2.30%。

图1 “7·23”预报降雨量与实际降雨量

2018年8月12日，台风“摩羯”在浙江温岭沿岸登陆后，根据气象部门预报，8月13日到15日，承德南部、唐山、秦皇岛和石家庄、沧州以南地区有大雨到暴雨，局地有大暴雨。13日16：00，台风“摩羯”位于安徽省寿县境内，中心气压995hPa，风力8级，移速移向30km/h，北西，水库运用精细化降雨预报系统，预报显示8月13日20：00至15日20：00，流域普面降大到暴雨，南部边缘及起河支流有大暴雨，平均降雨量达100～150mm，预报结果如图2（a），预报流域平均降雨量70.6mm，监测结果如图2（b），实际监测流域平均降雨量62.8mm，对比看出，预报和实际在降雨量和降雨分布上较接近，流域平均降雨量预报误差为12.8%。

图2 “8·13”预报降雨量与实际降雨量

4.3 为水库科学调度提供重要依据

“安比”强降雨导致桃林口水库与下游分水枢纽区间来水携带泥沙，致使分水枢纽水体浊度较大，对城市供水产生影响，7月26日18：00，根据预报后期降雨情况，水库紧急启动一台机组发电，流量29m3/s，提前预泄，起到对城市引水进行清水置换处理、提前腾出库容、为洪水消峰创造条件及增加发电效益等综合作用。而后，根据“摩羯”残余环流的发展变化，水库分别于8月14日14：00、8月15日11：30将泄水流量加大到180，260m3/s；8月20日11：00将泄水流量减少到130m3/s，8月21日11：00库水位稳定在137.60m，入库流量与出库流量保持平衡，水库关闭泄洪闸门，转入正常供水调度。

本次洪水调度调洪最高蓄水位138.26m，距控制目标水位138.50m低24cm，最大限度地发挥了水库消峰拦洪的作用，1号洪水全部拦蓄库内，削峰100%；2号洪水入库洪峰流量455m3/s削减至104.5m3/s，削峰77.03%。

精准的预测预报，为水库科学研判提供了有利条件，赢得了宝贵的时间，确保了水库上、下游人民群众的生命安全，将洪水灾害损失降至最低。