GFS預(yù)報信息在水電站運(yùn)行中的應(yīng)用研究

周秋澍

【摘 要】中期降雨預(yù)報為發(fā)電調(diào)度模型和中長期的降雨徑流預(yù)報提供了有效的信息。在對水電站、水電群等進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化時，徑流的不確定性影響很大。在建立優(yōu)化運(yùn)行模型時，最重要的輸出就是徑流。對徑流的描述是否和實際相符，對求解結(jié)果、優(yōu)化運(yùn)行模型等是否可以用到實際當(dāng)中去影響十分大。影響徑流過程的因素有很多，包括地理因素和氣象因素，徑流過程是一個動態(tài)過程，是一個高度復(fù)雜的過程。如果想要提高徑流過程的預(yù)報精度，那么必須借助定量降水預(yù)報。

【關(guān)鍵詞】GFS；預(yù)報信息；水電站運(yùn)行；代表站點；模型構(gòu)建

0.前言

氣象預(yù)報如果和水文進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，那么極有可能提高水庫調(diào)度的水平。氣象預(yù)報的特點有：傳遞迅速、直觀、信息量大。而且具有成因的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段數(shù)值預(yù)報的精度在不斷提高，數(shù)值預(yù)報模式也在不斷完善，因此在水庫調(diào)度過程中，數(shù)值預(yù)報模式發(fā)揮的作用將越來越大。據(jù)邱瑞田、程春田等人進(jìn)行的統(tǒng)計分析，未來二十四小時和未來四十八小時的有雨還是無雨的預(yù)報，其準(zhǔn)確程度已經(jīng)達(dá)到了可以利用的程度，在水庫防洪調(diào)度時也發(fā)揮著指導(dǎo)的作用。但是，水電站的水庫不僅需要短期調(diào)度，還需要進(jìn)行中長期的調(diào)度。在中長期調(diào)度中，二十四小時和四十八小時的預(yù)報都是無法滿足需要的，需要預(yù)報一旬、一個月甚至更長時間的有無雨以及級別預(yù)報。在水電站的水庫進(jìn)行中長期的調(diào)度時，如果能對徑流進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報并充分利用這些信息，而且補(bǔ)充徑流的描述模型，使模型和實際能夠更接近，那么發(fā)電效益將會更大。

然而水庫汛期到來的規(guī)律性十分不確定，如果只是利用數(shù)理統(tǒng)計徑流的方法，那么預(yù)報的效果將會很不準(zhǔn)。近些年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、氣象預(yù)報技術(shù)發(fā)展很快，氣象預(yù)報部門也發(fā)生了一些變化，開始在網(wǎng)頁上公布十天至十四天的預(yù)報的降雨數(shù)值，對這些信息進(jìn)行初步的分析，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有了利用的價值。梁國華、王國利等人將這些預(yù)報信息用在了某水庫的調(diào)度中，取得了很好的效果。本文利用GFS發(fā)布的未來十天至十四天的天氣信息，并為其信息建立了統(tǒng)計方法，以二灘水電站為例，研究了利用徑流預(yù)報信息改進(jìn)運(yùn)行方面決策的方法。

1.選取代表站點

GFS全球預(yù)報系統(tǒng)是美國的一種預(yù)報模式，由美國的國家環(huán)境預(yù)報中心研制。GFS預(yù)報的信息是免費(fèi)供人們使用的，所預(yù)報的信息由固定的網(wǎng)站定時進(jìn)行發(fā)布，預(yù)報的模型是每天預(yù)報四個時間段，分別是三點半、九點半、十五點半、二十一點半等，每次間隔的時間段是六個小時，滾動發(fā)布未來十天至十四天的降雨數(shù)值。

在水電站運(yùn)行時是否可以采用預(yù)報降雨數(shù)值的產(chǎn)品，取決于其對降雨累積量預(yù)報的精度和降雨總量出現(xiàn)的誤差。降雨過程對水電站的水庫沒有多大的影響，對水電站的運(yùn)行也影響不大。

1.1 GFS數(shù)值讀取

GFS給出的預(yù)報信息中的降雨數(shù)值是等值線的形式，有兩種方法可對其進(jìn)行讀取，一種是觀察站點和內(nèi)圈等值線、外圈等值線之間的距離，具體計算時則是該點預(yù)報的降雨量等于距離的加權(quán)平均數(shù)。另一種則是站點預(yù)報的降雨量等于站點所在區(qū)域外圈的等值線的數(shù)值。

1.2讀取二灘水電站的數(shù)值

二灘水電站的主要功能是發(fā)電，是一座大型的水利樞紐。位于四川省攀枝花市，建在了雅礱江的下游。在水電站建立的地方，常年的徑流量平均為每秒1670立方米，在正常情況下，水庫蓄水的水位是一千二百米，調(diào)節(jié)的庫容達(dá)到了33.7*108立方米，本質(zhì)上屬于季節(jié)性調(diào)節(jié)的水庫，所查資料與實際調(diào)查相符。選取雅礱江流域的六個站點作為代表，所選的六個站點代表不同的區(qū)域段。六個站點分別是：小得石、溫泉、樹河、打羅、列瓦、滬寧，調(diào)查六個站點一旬的降雨量，將數(shù)值相加后除以六，作為二灘流域降雨量的代表值。

2.讀取旬預(yù)報的降雨總量

（1）觀察并計算預(yù)報六個站點未來降雨過程的平均值。

（2）任意選取預(yù)報的未來一個旬的降雨過程。

（3）將預(yù)報這一旬的降雨過程的降雨進(jìn)行累加，計算出累加值。

需要提出的是，GFS所預(yù)報的降雨，其預(yù)報精度的單位是每六小時的毫米數(shù)，在對降雨總量進(jìn)行統(tǒng)計時，一定要注意是六個小時。尋找GFS2002年至2006年的降雨預(yù)報信息，統(tǒng)計汛期（在二灘流域是五月上旬至九月下旬）內(nèi)GFS對降雨的預(yù)報信息，結(jié)果如下圖：

由此圖可以看出，GFS對降雨的預(yù)報，其數(shù)量上是不準(zhǔn)確的，但對變化趨勢的預(yù)測卻基本上與現(xiàn)實一致。因此，可以結(jié)合徑流、前期降雨等因素，對GFS的預(yù)報信息進(jìn)行靈活運(yùn)用，定期預(yù)報河流每旬流入水庫的水量，研究預(yù)報對水庫運(yùn)行決策和實際運(yùn)行產(chǎn)生的影響。

3.構(gòu)建模型并分析誤差

入庫流量決定著最終的調(diào)度決策，影響入庫流量的因素很多。在建立入庫流量的模型時，既要考慮預(yù)報的降雨量，也要考慮上旬的實際徑流量和實際降雨量，將這些也作為預(yù)報入庫流量的影響因素。在二灘水電站，一般情況下六月下旬至九月下旬是蓄水期，五月上旬至六月中旬是供水期。蓄水期的土壤含水量、下墊面與供水期的是不同的。因此要分別建立預(yù)報模型。公式如下：

Q=β+βR+βR+βQ

在這個公式中，Q代表平均凈流量，t代表時段，Rft代表預(yù)報的t時間段的降雨的總量；Rt-1代表的是上一個時間段實際的降雨總量；所有的β都代表回歸系數(shù)。在具體估算模型參數(shù)時可以參考湯成友的論文著作。由于資料欠缺，本文的Rft只能代表所預(yù)報降雨的過程，而無法找到所預(yù)報降雨的總量，在估算模型時考慮誤差。

查找2002年至2006年的GFS預(yù)報降雨的資料，輸入2002年至2005年的預(yù)報降雨的資料，并以此作為樣本然后建立模型，2006年的資料用來對模型進(jìn)行檢驗。供水期的估算結(jié)果如下：

Q=-165.10+1.01R+15.17R+1.16Q

蓄水期的估算結(jié)果如下：

Q=173.10+13.84R+4.87R+0.56Q

實際徑流量和預(yù)報徑流量的對比如下：

從上圖我們看出，所預(yù)報的徑流量和實際的徑流量雖然變化趨勢還是相符的，但數(shù)量上卻有不小的差距，因此無法對水電站實際的水庫調(diào)度運(yùn)行工作進(jìn)行定量指導(dǎo)。因此可將預(yù)報的結(jié)果分為三級來進(jìn)行分析，分別是豐級、平級、枯級，如果精度很高，那么可以制定規(guī)則來對水庫運(yùn)行進(jìn)行指導(dǎo)。徑流預(yù)報是否合格的標(biāo)準(zhǔn)是：統(tǒng)計以前同時段的預(yù)報資料，發(fā)生頻率用P來代表，如果P在百分之二十五以下，那么則為豐級；如果P在百分之二十五至百分之七十五之間，那么則為平級；如果P在百分之七十五以上，那么則為枯級。如果實際徑流的等級和預(yù)報的等級相等，那么就為合格。如果預(yù)報的結(jié)果和實際相反，例如實際是枯級預(yù)報為豐級，實際是豐級反而預(yù)報為枯級，那么就屬于誤報。三級預(yù)報結(jié)果如下：

從表中可以看出，2000年至2005年的預(yù)報合格率大約為百分之七十八，2006年的預(yù)報合格率達(dá)到了百分之百，二者的誤報率都是零，三級預(yù)報的精度已經(jīng)表明，三級預(yù)報可以利用。2006年為特枯級別，預(yù)報全部合格，這說明預(yù)報信息可利用的程度十分高，而誤報率達(dá)到零可以說明預(yù)報結(jié)果最差也能達(dá)到不導(dǎo)致決策失誤的程度。

【參考文獻(xiàn)】

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