鄂北地區(qū)水資源配置工程洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

崔文露 陶鋒 夏玉龍 吳詠芳

摘要：洪水調(diào)度預(yù)報(bào)是防洪保障體系中的一項(xiàng)重要的非工程措施。為提高洪水預(yù)報(bào)的精度、縮短預(yù)見期，為水庫的安全運(yùn)行和水資源優(yōu)化配置提供決策依據(jù)，建立了鄂北地區(qū)水資源配置工程洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過建立封江口水庫和王家沖水庫洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)方案和數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型，輸入各類實(shí)時(shí)信息，啟動(dòng)預(yù)報(bào)模型方案，對(duì)洪峰水位（流量）、洪水過程及洪量等洪水要素進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)報(bào)方案和流域模型有效提高了預(yù)報(bào)精度，可為鄂北地區(qū)水資源配置工程運(yùn)行調(diào)度提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng);預(yù)報(bào)模型;實(shí)時(shí)預(yù)報(bào);封江口水庫;王家沖水庫;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號(hào)：P338文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.021

Abstract： Flood forecast is an important non-structure measure of flood control system. To improve forecast accuracy， shorten the forecasting period and provide decision-making tool for the safe operation of the reservoirs and to optimize water resources allocation， we constructed flood forecast system for the North Hubei Water Transfer Project. By formulating flood forecasting scheme and the mathematical forecasting model for Fengjiangkou Reservoir and Wangjiachong Reservoir， ?real-time forecast of the flood peak water level （discharge） ， flood process and volume can realized by entering real-time information from various sources and initiating the scheme. The results showed that the flood forecasting scheme and model can effectively improve forecasting accuracy， and provide decision-making basis for operation and regulation of the North Hubei Water Transfer Project.

Key words： flood forecast system; forecast model; real-time forecast; Fengjiangkou Reservoir; Wangjiachong Reservoir; North Hubei Water Transfer Project

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱“鄂北工程”）建有封江口和王家沖2座水庫。封江口水庫系大型水庫，集水面積460 km2，興利庫容1.37億m3。王家沖水庫為改建的中型水庫，興利庫容112.2萬m3，總庫容134萬m3。為確保封江口、王家沖水庫的防洪安全，保證鄂北工程的正常運(yùn)行，需要開發(fā)水庫洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為調(diào)度決策提供有力的技術(shù)支撐。

1 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

以實(shí)時(shí)水雨情、氣象等數(shù)據(jù)和工程信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用先進(jìn)的水利水文技術(shù)和信息技術(shù)，建立適用的預(yù)報(bào)模型，構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)信息化作業(yè)平臺(tái)，在發(fā)生洪水時(shí)能及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，提高洪水預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見期，為水庫安全運(yùn)行和水資源優(yōu)化配置提供決策依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是鄂北工程自動(dòng)化調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)之一，系統(tǒng)基于公用的計(jì)算資源（服務(wù)器）、數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用支撐平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)、部署和運(yùn)行。系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)來源于綜合數(shù)據(jù)庫，模型研制階段所需的歷史數(shù)據(jù)由研制者收集整理;系統(tǒng)輸出的預(yù)報(bào)成果向管理單位發(fā)布，同時(shí)將成果數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，供決策支持系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程見圖1。

1.3 系統(tǒng)功能

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括預(yù)報(bào)方案庫管理、預(yù)報(bào)模型庫管理、歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)庫管理、預(yù)報(bào)方案參數(shù)率定、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、信息查詢及系統(tǒng)管理等7個(gè)模塊，見圖2。

（1）預(yù)報(bào)方案庫管理是實(shí)現(xiàn)方案的構(gòu)造以及方案管理的功能，具體包括方案構(gòu)造、修改、分配、方案輸入、輸出及壓縮。

（2）預(yù)報(bào)模型庫管理是實(shí)現(xiàn)模型的入庫、修改、刪除及默認(rèn)配置等功能，具體包括模型查詢、增加、刪除及修改。

（3）歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)庫管理，包括歷史資料處理、水位流量關(guān)系曲線管理。

（4）預(yù)報(bào)方案參數(shù)率定[1]是通過人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合的方法，對(duì)模型中單值參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定，最終確定可用于作業(yè)預(yù)報(bào)的洪水預(yù)報(bào)方案的各參數(shù)值。

（5）實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是基于已建立的洪水預(yù)報(bào)方案，根據(jù)當(dāng)前最新實(shí)時(shí)雨水情、氣象產(chǎn)品，對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的洪水過程做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。主要功能包括人工交互預(yù)報(bào)、自動(dòng)預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)成果優(yōu)選、輔助查詢、區(qū)域管理、預(yù)報(bào)成果輸出及預(yù)報(bào)成果精度評(píng)定。

（6）信息查詢包括雨水情監(jiān)視、告警動(dòng)態(tài)監(jiān)視、雨水情查詢、預(yù)報(bào)信息查詢、雨水情統(tǒng)計(jì)分析及專題分析等。

（7）系統(tǒng)管理主要包括用戶、站點(diǎn)、圖層、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫等管理功能。

預(yù)報(bào)模型是洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能通過預(yù)報(bào)、管理預(yù)報(bào)、運(yùn)行預(yù)報(bào)和展現(xiàn)預(yù)報(bào)等模型的運(yùn)行結(jié)果實(shí)現(xiàn)。

2 預(yù)報(bào)模型庫及方案制定

2.1 預(yù)報(bào)模型庫

預(yù)報(bào)模型庫是將眾多常用的模型和方法按一定的結(jié)構(gòu)形式組織起來，并對(duì)其進(jìn)行有效管理和使用的工具。各預(yù)報(bào)模型和方法的區(qū)別在于其理論結(jié)構(gòu)，而共同的組織形式使之成為一個(gè)可共享的整體。因此，預(yù)報(bào)模型庫也可以看作是一個(gè)資源庫，可供其他系統(tǒng)重復(fù)使用。預(yù)報(bào)模型庫應(yīng)至少建立降雨徑流[2]、新安江和分布式等3種水文預(yù)報(bào)模型[3]。

預(yù)報(bào)模型庫采用模塊化的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)模塊與系統(tǒng)的完全獨(dú)立，可規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)報(bào)模型的輸入輸出文件格式，包括常用的預(yù)報(bào)模型和方法，并可便捷地增加新的預(yù)報(bào)模型和方法，用戶可任意選擇和組合模型構(gòu)建預(yù)報(bào)方案進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。

洪水預(yù)報(bào)模型和方法應(yīng)適合于中小河流的水文特征，對(duì)于流域面積、傳播時(shí)間和資料條件均有差異的河流，所采用的模型和方法應(yīng)有側(cè)重性。

2.2 封江口水庫預(yù)報(bào)方案

封江口水庫所在流域水文資料較為齊全。對(duì)該水庫進(jìn)行建模需要雨量、水位和流量觀測(cè)資料，且歷史觀測(cè)資料時(shí)間長(zhǎng)度不少于5 a。對(duì)資料進(jìn)行分析后，根據(jù)匯流時(shí)間采用相應(yīng)的預(yù)報(bào)方法。

（1）流域匯流時(shí)間小于1 h時(shí)，應(yīng)采用臨界雨量預(yù)警方法[4]，建立靜態(tài)和動(dòng)態(tài)臨界雨量預(yù)警模型，推薦使用降雨量指標(biāo)和前期影響雨量指標(biāo)（用土壤飽和度指標(biāo)表示）以共同確定臨界雨量，臨界雨量的時(shí)段尺度建議為0.5，1，2，3 h和6 h。

（2）流域匯流時(shí)間為1～3 h時(shí)，可采用降雨徑流相關(guān)圖法、API模型、瞬時(shí)單位線、地貌瞬時(shí)單位線、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和集總式水文模型等。

（3）流域匯流時(shí)間大于3 h時(shí)，建議采用降雨徑流相關(guān)圖法、API模型、實(shí)用流域水文模型和基于DEM的分布式水文模型。

2.3 王家沖水庫預(yù)報(bào)方案

王家沖水庫所處流域資料有限，無法采用常規(guī)模型和方法構(gòu)建預(yù)報(bào)方案，可根據(jù)匯流時(shí)間采用相應(yīng)的方法。

（1）流域匯流時(shí)間小于1 h時(shí)，應(yīng)采用臨界雨量預(yù)警方法，建立靜態(tài)臨界雨量預(yù)警模型，推薦使用降雨量指標(biāo)和前期影響雨量指標(biāo)（用土壤飽和度指標(biāo)表示）共同確定臨界雨量，臨界雨量的時(shí)段尺度建議為0.5 ，1，2，3 h和6 h。

（2）流域匯流時(shí)間為1～3 h時(shí)，可采用水文比擬法、瞬時(shí)單位線、地貌瞬時(shí)單位線、推理公式法等方法建立預(yù)報(bào)模型。

2.4 預(yù)報(bào)方案編制及精度要求

根據(jù)目前的水情控制站網(wǎng)，采用多方案平行比較的技術(shù)方法，建立洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。如果資料充分，應(yīng)配置2套預(yù)報(bào)方案，編制完整的降雨徑流預(yù)報(bào)方案。預(yù)報(bào)方案應(yīng)達(dá)到以下要求：① 可考慮預(yù)見期降雨量進(jìn)行預(yù)報(bào)分析;② 可進(jìn)行多方案預(yù)報(bào)的對(duì)比分析;③ 既可實(shí)現(xiàn)單站交互作業(yè)，也可進(jìn)行河系連續(xù)自動(dòng)預(yù)報(bào);④ 可實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的自動(dòng)率定與人工交互。預(yù)報(bào)方案的編制應(yīng)盡可能利用大、中、小不同場(chǎng)次洪水的資料，參數(shù)率定的洪水場(chǎng)次不少于10場(chǎng)，參數(shù)檢驗(yàn)的洪水場(chǎng)次不少于3場(chǎng);當(dāng)資料不足時(shí)，應(yīng)使用所有洪水場(chǎng)次資料。無資料流域的預(yù)報(bào)方案制作應(yīng)盡量利用本省暴雨徑流查算圖表的參數(shù)、水文條件和地貌條件相似的有資料流域模型參數(shù)。

預(yù)報(bào)方案建立后，應(yīng)進(jìn)行精度評(píng)定和檢驗(yàn)，衡量方案的可靠程度，確定方案精度等級(jí)。洪水預(yù)報(bào)精度評(píng)定的項(xiàng)目包括洪峰水位（流量）、峰現(xiàn)時(shí)間、洪量和洪水過程等。洪水預(yù)報(bào)誤差標(biāo)準(zhǔn)采用絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和確定性系數(shù)3種指標(biāo)。

（1）有資料且匯流時(shí)間大于6 h的流域，方案精度評(píng)定和模型參數(shù)率定、檢驗(yàn)的精度應(yīng)達(dá)到GB/T 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的乙級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)。

（2）有資料且匯流時(shí)間小于6 h的流域，參照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》中對(duì)驟發(fā)性洪水預(yù)報(bào)可以不進(jìn)行精度評(píng)定的要求，所制作的方案和模型不參加精度評(píng)定，但需用于作業(yè)預(yù)報(bào)，在應(yīng)用過程中不斷根據(jù)新的觀測(cè)資料修正相應(yīng)參數(shù)，逐步提高預(yù)報(bào)精度。

（3）無資料流域的預(yù)報(bào)方案和模型不參加精度評(píng)定，但需用于作業(yè)預(yù)報(bào)，在應(yīng)用過程中不斷根據(jù)新的觀測(cè)資料修正相應(yīng)參數(shù)，逐步提高預(yù)報(bào)精度。

3 結(jié) 語

鄂北工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，也是湖北省水利的“一號(hào)工程”。工程運(yùn)行期間的防洪調(diào)度工作應(yīng)當(dāng)受到高度重視，而洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是防洪調(diào)度決策支持的關(guān)鍵組成部分，是實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度更加科學(xué)、高效、可靠決策的基礎(chǔ)，因此建立一套完整的鄂北工程洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)十分必要。系統(tǒng)的建立只是一個(gè)開端，更重要的是要在實(shí)際運(yùn)用中不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善和校核，才能使其真正服務(wù)于工程運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 章四龍，劉九夫. 通用模型參數(shù)率定技術(shù)研究[J]. 水文，2005，25（1）：4，9-13.

[2] 宋亞婭，朱妙藝，朱富軍. 降雨徑流模型及其應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué)，2012，30（6）：9-12.

[3] 長(zhǎng)江水利委員會(huì). 水文預(yù)報(bào)方法（第二版）[M]. 北京：中國(guó)水利電力出版社，1993.

[4] 李蘇，代圣康，劉冬冬. 基于臨界雨量的預(yù)警指標(biāo)分析研究[J]. 人民珠江，2018（5）：24-28.

（編輯：李曉濛）