豐滿水庫洪水預(yù)報的不確定性分析與建議

姜 濤

（松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春130021）

豐滿水庫位于吉林市上游24 km 處，控制流域面積42 500 km2，占第二松花江流域面積的55%。白山水庫位于豐滿水庫上游約200 km，控制流域面積19 000 km2，占豐滿水庫以上流域面積的44.7%。白山、豐滿水庫總庫容168.98×l08m3，占松花江流域內(nèi)已建成的各類水庫總庫容（315.00×l08m3）的53.6%，是第二松花江干流上最重要的防洪控制性工程。特別是在2010年，第二松花江發(fā)生流域性特大洪水時，白山、豐滿水庫實施科學(xué)精細化聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮了水庫攔洪削峰作用，削減洪峰達79%，有效減輕了下游河段的防洪壓力。

1 問題的提出

“科學(xué)精細化聯(lián)合調(diào)度”的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是做好豐滿水庫入庫過程預(yù)報，預(yù)報結(jié)果是否準(zhǔn)確直接決定了水庫調(diào)度成敗。但在2010年豐滿水庫實時洪水預(yù)報作業(yè)過程中，發(fā)現(xiàn)多個異常水文現(xiàn)象和突發(fā)事件，有的違背自然徑流規(guī)律，有的對預(yù)報調(diào)度產(chǎn)生直接影響，截至目前還沒有數(shù)據(jù)可以證明其合理性、規(guī)律性及可預(yù)測性。對實時洪水預(yù)報作業(yè)而言，做好不確定性過程分析工作是最大的困難和挑戰(zhàn)。本文以2010年發(fā)生的多個異常水文現(xiàn)象和事件為例，采用大量實測數(shù)據(jù)從定性的角度對豐滿水庫入庫過程的不確定性進行分析。主要的異常水文現(xiàn)象和突發(fā)事件有：

1）峰量重現(xiàn)期差距過大。2010年7月29日，豐滿水庫最大6 h 天然入庫流量21 000 m3/s，重現(xiàn)期為150年，最大3 d 天然入庫洪量28.69×l08m3，重現(xiàn)期為45年。明顯呈現(xiàn)峰高量小且量級相差極大現(xiàn)象。

2）雨洪不對應(yīng)，徑流系數(shù)大于“1”。據(jù)豐滿水庫統(tǒng)計：2010年豐滿水庫最大7 d 天然入庫洪量47.19×l08m3，重現(xiàn)期為60年，最大7 d 洪量徑流系數(shù)高達2.83。

3）水文測報設(shè)施水毀嚴重，實時報汛數(shù)據(jù)缺失嚴重。據(jù)汛后統(tǒng)計：豐滿水庫以上流域各類報汛站共計46 處，水毀26 處，大多報汛站3 d 之后才恢復(fù)報汛，給預(yù)報調(diào)度帶來很大不確定性。

總之，2010年大量實測數(shù)據(jù)表明：豐滿入庫流量過程既受到符合降雨徑流規(guī)律的天然確定性因素的作用，又受到隨機因素的影響，是二者過程疊加形成，其產(chǎn)生是十分錯綜復(fù)雜的。因此研究豐滿水庫預(yù)報的不確定性對開展豐滿水庫預(yù)報和調(diào)度具有重要意義。

2 不確定性過程模擬

豐滿水庫實測入庫過程是由白山水庫出庫過程和白山水庫至豐滿水庫區(qū)間（以下簡稱白豐區(qū)間）徑流過程組合形成。白山水庫出庫過程一般為已知過程或為常量，因而確定研究的重點是分析白豐區(qū)間過程的不確定性。為了分析研究白豐區(qū)間過程的不確定性，必須對2010年豐滿水庫入庫過程進行模擬和分解，從中將不確定性過程單獨分離出來并對其進行分析研究。

首先，1）假定豐滿入庫過程由天然徑流過程（包含白山水庫出庫過程）和不確定性過程疊加形成，基于該假定條件的白豐區(qū)間不確定過程=豐滿水庫實測過程（已知）-白豐區(qū)間天然徑流過程-白山水庫出庫過程（已知）；2）假定文中采用的新安江模型參數(shù)是符合流域特性的，是基本準(zhǔn)確的，基于該假定條件的白豐區(qū)間天然徑流過程是確定的、是符合降雨徑流規(guī)律的、是可以模擬計算的過程。

然后，利用中國預(yù)報系統(tǒng)，采用率定好的模型參數(shù)，將2010年整編后的降雨資料作為輸入條件，對2010年最大一場洪水過程進行重現(xiàn)模擬，模擬的豐滿水庫入庫實測過程、天然過程、不確定性過程見圖1、表1。從計算結(jié)果來看：1）不確定性過程最大洪峰流量為3 766 m3/s，峰現(xiàn)時間為7月29日2 時，占豐滿水庫實測洪峰流量25%。值得注意的是不確定性過程在7月30日14 時開始出現(xiàn)負值，這是由于不確定性過程的實質(zhì)是人類活動（水庫調(diào)度等）對洪水過程產(chǎn)生影響的過程，只是一個概念，沒有實際物理意義，可以簡單理解為：豐滿水庫最大入庫流量出現(xiàn)前，各地防汛指揮部門要求轄區(qū)內(nèi)大中小水庫泄洪，洪峰過后開始攔蓄洪水，因而反映在過程線上（圖1）就是基本隨豐滿水庫實測過程漲落，在洪水回落一定量級時，水庫開始蓄水進而出現(xiàn)負值。2）不確定性過程最大7 d 洪量為1×l08m3，占豐滿水庫實測最大7 d 洪量（42.28×l08m3）的1.5%。

圖1 2010年豐滿水庫不確定性過程

3 不確定性過程分析

在2010年大洪水過程中出現(xiàn)的不確定性，可以認為是一種隨機過程，它出現(xiàn)的時間和大小是不確定的，但又與理論上的隨機過程不同。因為大量的中小水庫塘壩攔、泄洪水沒有任何監(jiān)測數(shù)據(jù)，但對豐滿水庫入庫過程的影響是客觀存在的事實，因此很難用隨機水文學(xué)、模糊數(shù)學(xué)等方法來模擬預(yù)測。下面從定性的角度，結(jié)合上面的各種分析數(shù)據(jù)，給出不確定性過程形成的向個原因：

1）部分水庫垮壩、水毀形成不確定性過程洪峰。據(jù)吉林省水文局洪水調(diào)查統(tǒng)計：豐滿水庫以上小型水庫水毀51座，其中樺甸市大河水庫垮壩，最大潰壩流量高達5 800 m3/s，對豐滿水庫時段最大入庫流量產(chǎn)生重大影響。在表1中計算的不確定性過程時段長為6 h 的洪峰為3 766 m3/s，基本符合當(dāng)時流域的水勢特征。

2）眾多的中小水庫和塘壩集中泄洪產(chǎn)生的短歷時隨機洪水過程是徑流系數(shù)大于1 的原因之一。當(dāng)徑流系數(shù)大于1，也意味著現(xiàn)有的場次降雨徑流規(guī)律被破壞，人類活動影響作用明顯，但從表1中的計算結(jié)果可知徑流系數(shù)略微大于1，主要是文中使用的數(shù)據(jù)為整編后的降雨數(shù)據(jù)和調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，與當(dāng)時的實際報汛數(shù)據(jù)有較大偏差，另外與豐滿水庫使用的報汛站網(wǎng)也有較大關(guān)系。雖然不確定性過程總體水量對洪量影響不大，但卻是導(dǎo)致豐滿水庫入庫過程“峰高量小”的主要原因之一。

表1 2010年豐滿水庫不確定性過程分析表

3）由于水文設(shè)施水毀嚴重，實時預(yù)報作業(yè)時計算的面雨量可能與實際情況相差較大。例如2010年7月27日20時至28日20 時，豐滿水庫以上流域面雨量實際報汛數(shù)據(jù)計算為69.6 mm，汛后結(jié)合洪水調(diào)查數(shù)據(jù)面雨量計算為88.2 mm，實時報汛數(shù)據(jù)偏小21%。

4）一些水文現(xiàn)象產(chǎn)生的機理尚未明確。例如：2010年豐滿水庫在持續(xù)高水位狀態(tài)下，多次出現(xiàn)在無降雨情況下，退水過程變“漲水過程”；2010年8月3日豐滿水庫入庫洪水過程，出現(xiàn)流域基本無降雨，但6 h 入庫流量達4 400 m3/s，為此向各有關(guān)單位專家進行咨詢，但沒有明確意見，也無具體推算方法。

4 對洪水預(yù)報的影響

豐滿水庫不確定性過程的形成原因主要是由流域內(nèi)數(shù)量眾多的中小型水庫、塘壩調(diào)蓄洪水以及潰壩洪水組合導(dǎo)致，這種客觀事實決定了現(xiàn)有任何技術(shù)和方法很難對其進行精細化模擬和預(yù)測，在2010年和2013年的實時預(yù)報作業(yè)過程中，預(yù)報員只能根據(jù)已發(fā)生的現(xiàn)象和經(jīng)驗，并結(jié)合當(dāng)前水勢特征來推測或“猜測”不確定性過程的大小和時間，即在確定的預(yù)報結(jié)果上附加上一定量級的不確定性過程，這種處理方法給開展豐滿水庫洪水預(yù)報工作帶來很大的不確定性和風(fēng)險，但同時也警示我們：今后再發(fā)生類似2010年特大洪水，不考慮這種不確定性過程帶來的影響，很有可能對調(diào)度決策造成重大影響。

5 建 議

精細化調(diào)度對預(yù)報成果的精度要求很高，而準(zhǔn)確的預(yù)報成果需要全面的、及時的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。目前，第二松花江流域中型水庫尚未完全實現(xiàn)汛期報送實時信息制度，小型水庫和塘壩的實時信息更加難以掌握，在這種有限的信息量支撐條件下，實現(xiàn)精細化預(yù)報是極其困難的。限于多種數(shù)據(jù)的缺少和部分尚未明確的水文機理，本文從定性的角度，提出3 條建議供從事水文預(yù)報和水庫調(diào)度的技術(shù)人員參考。

1）當(dāng)流域內(nèi)雨量站累計雨量出現(xiàn)多站超100 mm 時，利用衛(wèi)星云圖等信息修正降雨。應(yīng)密切關(guān)注衛(wèi)星云圖、天氣圖，及時判斷雨量高值區(qū)大致范圍，若雨量高值區(qū)附近沒有監(jiān)測站或監(jiān)測站較少，實際計算的面雨量必然偏小，在進行預(yù)報作業(yè)時必須修正流域面雨量。例如：2010年7月27日20 時至28日20 時，白豐區(qū)間預(yù)報采用的面雨量為118 mm，較實際報汛雨量偏大69.5%。

2）當(dāng)預(yù)報過程較實際過程明顯偏小時，且未來幾天有較強降水過程時，建議適當(dāng)對降水過程或洪水過程進行適當(dāng)放大，放大比例一般控制在10%～25%。因為中小水庫及塘壩在主汛期一遇有強降水過程時，一般會提前1～2 d 泄洪，必然導(dǎo)致實測過程明顯較預(yù)報過程偏大。

3）建議當(dāng)豐滿水庫長期維持在高水位時，應(yīng)密切關(guān)注入庫過程退水段變化，可能會發(fā)生流域無降雨但入庫過程“止落回漲”現(xiàn)象，雖然明顯與水文規(guī)律相背離，但產(chǎn)生的原因目前尚不明確，在預(yù)報作業(yè)時應(yīng)注意防范。

6 結(jié) 語

本文從定性的角度對豐滿水庫入庫的不確定性進行了分析并給出了一些建議，但限于資料的缺少及模型結(jié)構(gòu)的誤差，無法從定量的角度提出具體的解決方案，因而具有一定局限性。隨著國家防總對全國中小水庫報汛問題的日益重視，在不久的將來實現(xiàn)豐滿水庫精細化預(yù)報正逐漸成為可能。