渾江流域梯級(jí)電站GFS預(yù)報(bào)結(jié)果應(yīng)用分析

李福威 ，王本德 ，袁晶

（1.國(guó)電電力和禹水電開發(fā)公司，遼寧 桓仁縣 117201；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

1 流域概況

渾江全長(zhǎng)432 km2，流域面積為15000 km2。從上至下一次建有桓仁、回龍山、太平哨等電站?；溉孰娬緣沃芬陨狭饔蛎娣e為10400 km2，占全流域面積的三分之二。壩址以上河流長(zhǎng)247 km，占全河長(zhǎng)二分之一強(qiáng)。

該流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，多年平均降量為876 mm，汛期6～9月降雨量占全年降雨量的70%以上，特大暴雨主要在7，8月發(fā)生。降雨成因主要為氣團(tuán)交綏和氣壓系統(tǒng)影響所至，形成暴雨天氣系統(tǒng)計(jì)有鋒面、氣旋或低壓、高壓邊緣及臺(tái)風(fēng)四種。流域地形對(duì)降雨也起一定作用，即流域山走向、（和）夏季東南風(fēng)來(lái)向垂直和流域地形逐級(jí)抬升致使偏南氣流流入形成降雨。

桓仁、回龍山、太平山三站的設(shè)計(jì)引用流量分別為 480 m3/s、330 m3/s、550 m3/s。由于設(shè)計(jì)上先天不足，回龍山電站滿發(fā)時(shí)引用流量小于上游桓仁電站。桓仁電站滿發(fā)情況下回龍電站將出現(xiàn)棄水。因此對(duì)徑流預(yù)測(cè)是做好渾江流域梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵。只有將將氣象預(yù)報(bào)與水文預(yù)報(bào)相耦合，延長(zhǎng)來(lái)水預(yù)報(bào)的預(yù)見期，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度提高抗洪減災(zāi)能力。

2 美國(guó)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）

2.1 美國(guó)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）簡(jiǎn)介

GFS（Global Forecasting System），由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心研制的全球降水預(yù)報(bào)模式，該模式是全球應(yīng)用較為廣泛的數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式之一。天氣在線網(wǎng)站（t7online.com）按照格林威治時(shí)間，于每日00、06、12和18時(shí)（北京時(shí)間為當(dāng)日08、14、20和次日2時(shí)）向公眾發(fā)布未來(lái)1～15 dGFS模式計(jì)算的全球各地區(qū)降水情況，降水區(qū)用等雨量線標(biāo)出。GFS預(yù)報(bào)由于是數(shù)值預(yù)報(bào)，克服了人為因素，客觀反映實(shí)際降雨。

GFS降水預(yù)報(bào)模型分為兩個(gè)部分，一部分為預(yù)報(bào)精度較高的未來(lái)1～8 d降水預(yù)報(bào)模式，以6 h為間隔進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)；另一部分為精度較低的未來(lái)9～15 d降水預(yù)報(bào)模式，以12 h為間隔進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。為結(jié)合旬徑流預(yù)報(bào)，文中重點(diǎn)研究1～10 d降水預(yù)報(bào)。

2.2 GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的獲取

為了分析并使用GFS降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，需要從網(wǎng)站數(shù)據(jù)服務(wù)器中下載GFS降水預(yù)報(bào)等值線（面）圖，然后對(duì)所研究流域，進(jìn)行降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的讀取和儲(chǔ)存。

針對(duì)天氣在線網(wǎng)站（t7online.com）發(fā)布的GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息圖，首先需要對(duì)所研究流域的位置與站點(diǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用ArcGIS工具將所研究流域的流域圖和降水預(yù)報(bào)信息圖進(jìn)行處理。其次需要設(shè)計(jì)相應(yīng)信息數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)降水預(yù)報(bào)圖像的自動(dòng)下載、自動(dòng)讀取降水量數(shù)值和自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。其中，降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的獲取是通過(guò)計(jì)算站點(diǎn)所處位置與相鄰等雨量線的之間的垂直距離，進(jìn)行加權(quán)平均所得。

3 桓仁水庫(kù)流域降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)精度

3.1 預(yù)報(bào)樣本

讀取桓仁流域10個(gè)雨量站點(diǎn)GFS降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，按面積加權(quán)方法計(jì)算桓仁流域GFS預(yù)報(bào)面雨量，以便于與流域?qū)嶋H降水量資料進(jìn)行比較。

按照收集整理的數(shù)據(jù)情況，考慮GFS圖片下載、讀取數(shù)據(jù)可利用的時(shí)效性，選擇2001年5月至2010年12月，GFS每日北京時(shí)間8:00發(fā)布的次日8時(shí)開始的未來(lái)1～10d預(yù)報(bào)降水量作為樣本（亦與旬調(diào)度計(jì)劃時(shí)間協(xié)調(diào)）。

3.2 GFS各量級(jí)預(yù)報(bào)降水的實(shí)際降水量頻率分布

據(jù)GFS發(fā)布的桓仁流域未來(lái)1～10 d降水預(yù)報(bào)信息，分析對(duì)應(yīng)某一量級(jí)預(yù)報(bào)降水的實(shí)際降水量頻率分布規(guī)律。考慮到樣本的差異，該研究分析了GFS未來(lái)1 d的無(wú)、小、中、大雨量級(jí)預(yù)報(bào)降水的實(shí)際降水量頻率分布；分析了2 d（分四級(jí)：Ⅰ級(jí)（0～5 mm），Ⅱ級(jí)（5～20 mm），Ⅲ級(jí)（20～40 mm），IV級(jí)（＞40 mm）預(yù)報(bào)降水的實(shí)際降水量頻率分布；還分析了GFS未來(lái)3～10 d（分四級(jí)：Ⅰ級(jí)（0～10 mm），Ⅱ級(jí)（10～45 mm），Ⅲ級(jí)（45～90 mm），IV級(jí)＞90 mm）的預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布規(guī)律。

3.2.1 GFS未來(lái)1 d預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布

統(tǒng)計(jì)分析桓仁流域GFS未來(lái)1 d預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布成果，如表1所示?？芍?/p>

GFS預(yù)報(bào)桓仁流域未來(lái)1 d無(wú)雨時(shí)，桓仁流域?qū)嶋H發(fā)生無(wú)雨的頻率約為90%；預(yù)報(bào)小雨時(shí)，實(shí)際發(fā)生小雨及以下量級(jí)降水的頻率約為91%；預(yù)報(bào)中雨，實(shí)際發(fā)生中雨及以下量級(jí)降水的頻率約為84%；預(yù)報(bào)大雨，實(shí)際發(fā)生大雨及以下量級(jí)降水的頻率約為90%。

表1 桓仁流域GFS未來(lái)24h預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布

3.2.2 GFS未來(lái)2 d預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布

桓仁流域GFS未來(lái)48 h預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布成果，見表2所示。可知：

GFS預(yù)報(bào)桓仁流域未來(lái)2 d降水量為Ⅰ級(jí)時(shí)，實(shí)際降水量為Ⅰ級(jí)的頻率約75%；預(yù)報(bào)Ⅱ級(jí)時(shí)，實(shí)際發(fā)生Ⅱ級(jí)及以下量級(jí)降水量的頻率約為90%；預(yù)報(bào)Ⅲ級(jí)時(shí)，實(shí)際發(fā)生Ⅲ級(jí)及以下量級(jí)降水量的頻率約為82%；預(yù)報(bào)IV級(jí)時(shí)，實(shí)際發(fā)生IV級(jí)及以下量級(jí)降水量的頻率約為92%。

GFS預(yù)報(bào)未來(lái)1 d和2 d為大雨以下量級(jí)降水時(shí)，其預(yù)報(bào)信息可利用。

表2 桓仁流域GFS未來(lái)48h預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布

3.2.3 GFS未來(lái)3～10 d預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布

未來(lái)3～10 d預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際降水量頻率分布表（本文略），統(tǒng)計(jì)分析桓仁流域GFS未來(lái)3～10 d的各量級(jí)降水預(yù)報(bào)結(jié)果，可得出如下標(biāo)準(zhǔn)：預(yù)報(bào)降水量級(jí)為Ⅰ級(jí)，確率80%以上為“可信度很高”、確率70%以上為“可信度較高”、確率60%以上為“可信度中等”、確率60%以下為“可信度較低”；預(yù)報(bào)降水量級(jí)為Ⅱ、Ⅲ級(jí)，若以確率和空?qǐng)?bào)一級(jí)空?qǐng)?bào)率之和作為可信度指標(biāo)，則頻率85%以上為“可信度很高”、頻率75%以上為“可信度較高”、頻率65%以上為“可信度中等”、頻率65%以下為“可信度較低”?；诖?，桓仁流域GFS未來(lái)3～5 d的降水預(yù)報(bào)“可信度較高”，未來(lái)6～10 d的降水預(yù)報(bào)“可信度為中等”。隨預(yù)見期的增加，桓仁流域GFS降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確程度降低。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)調(diào)度決策影響要根據(jù)不同時(shí)期進(jìn)行決策。主汛期可采用“可信度中等”作為調(diào)度決策依據(jù)，后汛期則要采用“可信度很高”為決策依據(jù)。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 來(lái)水與決策過(guò)程

2013年7月8日，當(dāng)時(shí)水庫(kù)水位292.37 m，入庫(kù)流量245.6 m3/s。根據(jù)GFS統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，未來(lái)10日流域平均降雨累計(jì)119 mm，降雨概率65%。經(jīng)過(guò)假擬預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)出未來(lái)流域10 d桓仁水庫(kù)平均入庫(kù)流量超過(guò)1180 m3/s；結(jié)合《7-8月渾江梯級(jí)水電站發(fā)電組合調(diào)度規(guī)則集》，當(dāng)桓仁水庫(kù)水位在【292，294】m之間，未來(lái)入庫(kù)流量預(yù)計(jì)超過(guò)1000 m3/s時(shí)，可以采取桓仁電站機(jī)組滿發(fā)、回龍山電站機(jī)組滿發(fā)并棄水的運(yùn)行方式，未來(lái)流量符合預(yù)報(bào)規(guī)則集標(biāo)準(zhǔn)。由于當(dāng)時(shí)處于主汛期，和禹公司經(jīng)過(guò)會(huì)商后決定將桓仁水庫(kù)機(jī)組運(yùn)行方式調(diào)整為滿發(fā)，回龍山電站開始棄水。

按照常規(guī)調(diào)度方式，桓仁電站15日開始滿發(fā)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)過(guò)程及當(dāng)時(shí)水位情況。這次調(diào)度主要提前7 d，當(dāng)時(shí)桓仁水庫(kù)水位較低，桓仁水庫(kù)滿發(fā)，回龍山電站棄水，需要承擔(dān)一定風(fēng)險(xiǎn)。但主要是主汛期，考慮到GFS預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)概率可以在65%以上就可以應(yīng)用。

實(shí)際情況是7月15日渾江流域發(fā)生明顯降雨過(guò)程，18—20日再次出現(xiàn)降雨過(guò)程，累計(jì)降雨量超過(guò)150 mm；7月20日水位達(dá)到296.60 m，入庫(kù)流量4367.3 m3/s；7月20日18時(shí)桓仁電站開始棄水。

4.2 效益計(jì)算依據(jù)

采取預(yù)報(bào)方式機(jī)組提前加大出力，常規(guī)方式16日開始加大出力，20日流域發(fā)生棄水。在8日到16日期間桓仁機(jī)組電量與常規(guī)調(diào)度方式電量之差為增發(fā)效益?；溉孰娬緳C(jī)組提前七天滿發(fā)，減少后期棄水8194.1萬(wàn)m3，由于在桓仁電站滿發(fā)的情況下回龍山電站已經(jīng)開始棄水，因此桓仁電站后期減少的棄水，主要是桓仁電站和太平哨電站利用了這部分水量，相當(dāng)于桓仁、太平哨兩電站增加電量1432.2萬(wàn)kW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)0.347元/（kW·h）計(jì)算，相當(dāng)于增加效益497萬(wàn)元。

表3 采用GFS預(yù)報(bào)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度成果比較表

5 初步結(jié)論

從上面應(yīng)用可以看出：渾江梯級(jí)電站應(yīng)用GFS預(yù)報(bào)成果效益比較明顯。如果預(yù)報(bào)本次降雨比實(shí)際偏小，回龍電站棄水將損失一部分電量，同時(shí)增加桓仁水庫(kù)后期蓄不滿的風(fēng)險(xiǎn)。但回龍電站電量損失和梯級(jí)增加電量相比，比例較??；桓仁水庫(kù)后期蓄不滿，可以在汛后適當(dāng)減小桓仁電站機(jī)組出力來(lái)彌補(bǔ)。在應(yīng)用中還應(yīng)不斷加強(qiáng)研究，盡量減少因預(yù)報(bào)失誤帶來(lái)的損失。

［1］梁國(guó)華，王國(guó)利，王本德，董霞 GFS可利用性研究及其在旬徑流預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2009，2.

［2］王國(guó)利，彭勇，何斌,梁國(guó)華.GFS降雨預(yù)報(bào)在大伙房水庫(kù)實(shí)時(shí)跨流域調(diào)水決策的應(yīng)用研究［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào) 2010，4.

［3］周惠成，唐國(guó)磊，王峰，王雅軍，蹇德平GFS未來(lái)10 d數(shù)值降雨預(yù)報(bào)信息的可利用性分析［J］.水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2010，4.

［4］王國(guó)利，梁國(guó)華，婁莉莉，習(xí)樹峰.GFS降雨預(yù)報(bào)信息用于實(shí)時(shí)跨流域引水決策可行性初析［J］.南水北調(diào)與水庫(kù)科技，2012，2.