上游水電工程對(duì)毛爾蓋水電站洪水預(yù)報(bào)影響研究

王 濤，徐海麗，李 銘

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

上游水電工程對(duì)毛爾蓋水電站洪水預(yù)報(bào)影響研究

王 濤，徐海麗，李 銘

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

以四川黑水河流域毛爾蓋水電站為例，研究上游已建中小型水電站對(duì)毛爾蓋水電站洪水預(yù)報(bào)影響。研究結(jié)果表明，上游已建中小型水電站對(duì)毛爾蓋水電站洪水預(yù)報(bào)精度影響較大，需根據(jù)影響程度及時(shí)修正預(yù)報(bào)方案，并在預(yù)報(bào)方案編制過程中加強(qiáng)人工干預(yù)功能，采用實(shí)時(shí)校正和多種水文模型預(yù)報(bào)方法，提高洪水預(yù)報(bào)精度。

洪水預(yù)報(bào)；人工干預(yù)；實(shí)時(shí)校正；毛爾蓋水電站

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件改變?cè)絹碓酱?，給洪水預(yù)報(bào)作業(yè)帶來不同程度影響，其中以水電工程和土地利用/覆被變化影響較為顯著。李艷等[1]研究人類活動(dòng)對(duì)北江流域徑流變化影響，發(fā)現(xiàn)城市化進(jìn)程和植被減少造成流域內(nèi)徑流量增加。李子君和李秀彬[2]研究表明修建水利工程、引水、實(shí)施水土保持等措施，使潮河流域年徑流量呈明顯減少趨勢(shì)。已建水電工程對(duì)洪水預(yù)報(bào)影響是一個(gè)突變過程，影響較為明顯，而土地利用/覆被變化對(duì)洪水預(yù)報(bào)影響是一個(gè)漸變過程，時(shí)間尺度較長，主要影響模型參數(shù)率定。目前，各大流域已建或在建大量水電工程，改變了流域原有產(chǎn)匯流規(guī)律，給流域洪水預(yù)報(bào)帶來新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，上游已建水電工程對(duì)下游洪水預(yù)報(bào)影響研究具有普遍性，研究成果將對(duì)在建工程和下游防洪具有重要指導(dǎo)作用。本文以四川黑水河毛爾蓋水電站以上流域?yàn)檠芯繉?duì)象，主要分析上游已建水電工程對(duì)洪水預(yù)報(bào)的影響，采取相應(yīng)技術(shù)手段，提高洪水預(yù)報(bào)精度。

1 流域概況

黑水河系岷江上游右岸的一級(jí)支流，發(fā)源于羊拱山東麓。黑水河全長122 km，控制集水面積7 240 km2。黑水河流域多年平均年降水量835.3 mm，多年平均蒸發(fā)量1 459.4 mm。黑水河洪水過程主要為復(fù)峰過程，一次洪水過程歷時(shí)約3～5天。

黑水河干流采用“二庫五級(jí)”開發(fā)，分別為馬橋、竹格多、毛爾蓋、色爾古和柳坪水電站。其中，馬橋和毛爾蓋是具備年調(diào)節(jié)能力水庫。毛爾蓋水電站采用混合式開發(fā)方式，壩址位于黑水河干流毛爾蓋河匯口下游，控制集水面積為5 317 km2，廠址位于黑水河干流龍壩溝溝口上游的俄石壩附近，控制集水面積為5754 km2，裝機(jī)容量420MW。

2 上游水電工程對(duì)洪水預(yù)報(bào)影響

對(duì)毛爾蓋水電站以上流域，人類活動(dòng)對(duì)洪水預(yù)報(bào)的影響表現(xiàn)為改變了流域下墊面條件，集中體現(xiàn)在修建山塘、塘壩以及水電站等，其中修建水電站影響最大。毛爾蓋水電站以上流域已建水電站統(tǒng)計(jì)情況[3- 4]見表1。右岸支流黑水河上已建有二道橋和竹格多水電站，均為日調(diào)節(jié)水庫。黑水水文站位于二道橋和竹格多水電站之間，其監(jiān)測(cè)流量為竹格多入庫流量。左岸支流毛爾蓋河上已建有晴朗水電站，具備日調(diào)節(jié)能力，晴朗水文站位于晴朗水電站以下。本文通過水文模型模擬洪水過程與實(shí)測(cè)洪水過程對(duì)比方法，分析研究上游已建水電工程對(duì)毛爾蓋水電站洪水預(yù)報(bào)影響程度。即，采用新安江模型模擬毛爾蓋水電站壩址2009年7月14日發(fā)生的一場(chǎng)洪水過程，并假定新安江模型模擬結(jié)果作為理想天然流域洪水過程，而實(shí)際生的洪水作為受到人類活動(dòng)影響的洪水(見圖1)。

表1 毛爾蓋水電站以上已建水電站統(tǒng)計(jì)

水電站正常蓄水位以下庫容/億m3裝機(jī)容量/MW調(diào)節(jié)能力建成年份二道橋0.0028955日調(diào)節(jié)2004年竹格多0.0078480日調(diào)節(jié)2006年晴朗0.002045180日調(diào)節(jié)2011年毛爾蓋5.35420年調(diào)節(jié)2011年

圖1 新安江模型模擬20090714洪水過程

從圖1可知，第一個(gè)洪峰和第二個(gè)洪峰，實(shí)測(cè)均比模型模擬結(jié)果偏小，而最后一個(gè)洪峰實(shí)測(cè)比模型模擬結(jié)果偏大。毛爾蓋水電站壩址洪水過程主要受到上游二道橋和竹格多水電站調(diào)蓄影響(晴朗水電站此時(shí)尚未建成運(yùn)行)。在洪水起漲階段，洪水量級(jí)小，上游二道橋和竹格多電站將一部分水蓄起發(fā)電，造成第一個(gè)和第二個(gè)洪峰實(shí)測(cè)比天然小；隨著洪水持續(xù)上漲，上游日調(diào)節(jié)電站逐漸蓄滿，調(diào)蓄能力減弱，來水全部通過閘門泄洪，再加上電站發(fā)電流量，將人為加大洪水流量，造成第三個(gè)洪峰實(shí)測(cè)比天然大。

為進(jìn)一步研究上游水電站對(duì)毛爾蓋壩址洪水預(yù)報(bào)影響，以黑水和晴朗水文站為上游來水控制站，采用新安江模型模擬毛爾蓋壩址2009年7月14日發(fā)生的洪水，模擬結(jié)果見圖2。黑水水文站處于二道橋和竹格多水電站之間，以黑水水文站為上游來水控制站，可消除二道橋電站調(diào)蓄對(duì)下游洪水預(yù)報(bào)影響。從圖1和圖2模擬結(jié)果對(duì)比可知，消除二道橋電站調(diào)蓄影響后，洪水預(yù)報(bào)精度有很大程度提高?？梢娚嫌尉哂姓{(diào)節(jié)能力的電站對(duì)下游流域洪水預(yù)報(bào)精度影響很大。隨著梯級(jí)水電站的相繼開發(fā)，這種影響將越來越明顯。

圖2 以黑水和晴朗水文站為上游來水控制站模擬20090714洪水過程

流域上游中小型水庫對(duì)流域產(chǎn)流過程的主要影響是調(diào)蓄，對(duì)匯流過程主要是影響匯流面積，其對(duì)不同流域洪水預(yù)報(bào)影響具有相似性。對(duì)于中小洪水而言，中小型水庫蓄水發(fā)電對(duì)洪水流量過程影響較大；而對(duì)于大洪水而言，中小型水庫主要對(duì)洪水前期流量過程有一定影響，但隨著洪水來水量增大，水庫蓄滿后，對(duì)后續(xù)洪水流量過程幾乎沒有什么影響。同時(shí)，中小型水庫發(fā)電過程對(duì)洪水預(yù)報(bào)也有較大影響，特別是早晚發(fā)電高峰流量，給下游流域造成“人為洪水”，洪水過程出現(xiàn)臺(tái)級(jí)跳躍現(xiàn)象，造成洪水洪峰和峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)精度不高[5]。中小型水庫本身庫容較小，水庫調(diào)度制度尚存在不健全，其放水資料缺乏或不易得到，給洪水預(yù)報(bào)作業(yè)帶來很大困難。

土地利用/覆被變化涉及時(shí)間尺度較長，對(duì)洪水預(yù)報(bào)影響是一個(gè)漸變的過程，主要影響水文模型參數(shù)率定。毛爾蓋水電站以上流域人口較少，土地利用/覆被變化對(duì)洪水預(yù)報(bào)影響沒有水電工程影響突出。

3 提高洪水預(yù)報(bào)精度方法

3.1 人工干預(yù)方法

對(duì)洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行人工干預(yù)，是提高上游有中小型水庫影響的流域洪水預(yù)報(bào)精度切實(shí)可行方法。盡管中小型水庫本身庫容大小不等，每個(gè)水庫調(diào)蓄作用不一樣，放水資料也不易獲取，但水庫的發(fā)電計(jì)劃、泄洪時(shí)間和流量等仍具有一定的規(guī)律性，可根據(jù)相似性理論，找出其共性。將每場(chǎng)洪水發(fā)生的時(shí)間、降雨量及強(qiáng)度、洪峰和峰現(xiàn)時(shí)間，上游水電站庫容情況和發(fā)電泄洪過程等特征信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建歷史信息庫。采用基于主成分分析的洪水相似性方法[6]，優(yōu)選出歷史上與本場(chǎng)洪水相似的洪水，并根據(jù)歷史相似洪水信息和處理方案，采取人工干預(yù)方法，人機(jī)交互對(duì)話功能，對(duì)未來預(yù)報(bào)洪水進(jìn)行增大或減小修正，使其符合實(shí)際情況。表2為歷史信息庫中與20090714洪水特征相似的歷史洪水。隨著洪水資料的不斷積累，歷史信息庫將越來越豐富，采用選擇相似洪水，人工干預(yù)方法，預(yù)報(bào)效果也將越來越好。如果上游中小型水庫有出庫控制站，則以出庫控制站為上游來水控制站，預(yù)報(bào)下游洪水過程，同時(shí)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)信息，延長洪水預(yù)見期，提高預(yù)報(bào)精度。

表2 相似洪水選擇情況

洪號(hào)初始土壤含水量/mm面平均雨量/mm面平均雨強(qiáng)/mm·h-1徑流深/mm洪峰流量/m3·s-1峰現(xiàn)時(shí)段/h起漲流量/m3·s-12009071412052.70.341.6594941582007071811550.60.242.056155182

毛爾蓋水電站以上支流毛爾蓋河上將陸續(xù)修建劍科、扎窩、西里水電站，屆時(shí)流域下墊面條件變得更加復(fù)雜多變。在精通水文模型理論基礎(chǔ)上，預(yù)報(bào)人員需從流域?qū)嶋H情況出發(fā)，積累資料，多調(diào)查分析，總結(jié)規(guī)律，做到理論與實(shí)際結(jié)合，積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)過程人工干預(yù)，提高洪水預(yù)報(bào)精度。

3.2 實(shí)時(shí)校正技術(shù)

實(shí)時(shí)校正技術(shù)是提高洪水預(yù)報(bào)精度的有效方法，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，具有很強(qiáng)的操作性。實(shí)時(shí)校正方法很多，按校正內(nèi)容劃分，可分為模型誤差校正、模型參數(shù)校正、模型輸入校正和綜合校正四類。模型誤差校正，以自回歸方法為典型；模型參數(shù)校正，有自適應(yīng)和卡爾曼濾波校正等方法；模型輸入校正，典型方法有卡爾曼濾波、維納濾波等；綜合校正方法是前三者的結(jié)合。洪水預(yù)報(bào)過程中由于能區(qū)分利用的信息量太小，不足以達(dá)到修正模型參數(shù)、輸入誤差等目的，且復(fù)雜的實(shí)時(shí)校正技術(shù)如卡爾曼濾波技術(shù)，在水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用效果往往與簡單的自回歸方法相近[7]。本文采用遞推最小二乘法校正新安江模型模擬的毛爾蓋水電站壩址20090714洪水，以黑水和晴朗水文站作為上游來水控制站，校正效果見圖3。校正結(jié)果表明，采用實(shí)時(shí)校正技術(shù)，特別是預(yù)報(bào)在受上游水電工程運(yùn)行影響的洪水過程中，可以較大程度提高洪水預(yù)報(bào)精度。遞推最小二乘法是洪水預(yù)報(bào)中較為常用的實(shí)時(shí)校正方法，若采用其他實(shí)時(shí)校正方法也可取得類似效果。實(shí)時(shí)校正效果與實(shí)測(cè)洪水樣本數(shù)量有關(guān)。在實(shí)際洪水預(yù)報(bào)作業(yè)過程中，常常不能及時(shí)獲取上游水電工程調(diào)蓄過程，信息量有限，需要不斷收集上游水雨情信息據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，增加可利用信息量，并加入實(shí)時(shí)校正技術(shù)，提高洪水預(yù)報(bào)精度。

圖3 遞推最小二乘法校正20090714洪水過程

3.3 多種水文模型綜合對(duì)比

流域產(chǎn)匯流過程與降雨強(qiáng)度、前期土壤含水量等因素有關(guān)，可采用多種水文模型預(yù)報(bào)，綜合對(duì)比，合理選用[8]，提高預(yù)報(bào)精度。圖4是采用新安江模型、混合產(chǎn)流模型[9]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[10]模擬預(yù)報(bào)毛爾蓋水電站壩址20090714洪水過程。從模擬預(yù)報(bào)結(jié)果可知，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)這場(chǎng)洪水模擬過程最好，新安江模型和混合產(chǎn)流模型模擬結(jié)果非常接近。新安江模型和混合產(chǎn)流模型屬概念性模型，模型預(yù)報(bào)外延性較好。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，能對(duì)上游中小型水庫影響進(jìn)行學(xué)習(xí)，隨著洪水樣本的增加，預(yù)報(bào)效果將越來越好，比較適用于受人類活動(dòng)影響流域的洪水預(yù)報(bào)。采用多種水文模型預(yù)報(bào)，綜合對(duì)比，可提高洪水預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性。

圖4 新安江模型、混合產(chǎn)流模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬20090714洪水過程

4 結(jié) 語

通過研究上游水電工程對(duì)毛爾蓋水電站洪水預(yù)報(bào)影響，得到以下結(jié)論：

(1)上游已建水電工程對(duì)毛爾蓋壩址洪水預(yù)報(bào)精度影響較大，需根據(jù)情況對(duì)預(yù)報(bào)方案作適當(dāng)修正。

(2)理論與實(shí)際結(jié)合，積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)中人工干預(yù)功能，是提高在有上游水電工程影響

下洪水預(yù)報(bào)精度的重要方法。

(3)采用實(shí)時(shí)校正技術(shù)和多種水文模型預(yù)報(bào)綜合對(duì)比，在一定程度上能提高洪水預(yù)報(bào)精度和可靠性。

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(責(zé)任編輯陳 萍)

Influences of Upstream Hydropower Projects on Flood Forecasting in Maoergai Hydropower Station

WANG Tao, XU Haili, LI Ming

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The influences of upstream hydropower projects on flood forecasting in Maoergai Hydropower Station are studied. The results show that the built medium and small sized hydropower stations in upstream reach have greater effects on the accuracy of flood forecasting. The accuracy of flood forecasting could be effectively improved by using the methods of manual intervention function, real-time correction and multiple hydrologic models in forecasting process．

flood forecasting; manual intervention function; real-time correction; Maoergai Hydropower Station

2014- 10- 14

成都院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(P195- 2013)

王濤(1982—)，男，湖北京山人，高級(jí)工程師，博士，主要從事洪水預(yù)報(bào)研究工作．

TV124

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0559- 9342(2015)12- 0021- 04