中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在賀江流域河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

劉文麗

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

1 流域概況

1.1 流域水系

賀江，西江左岸1級支流，發(fā)源于富川縣麥嶺鎮(zhèn)大壩村茗山（又名湖園嶺，海拔430 m）西南麓，經(jīng)步頭鎮(zhèn)、合面獅水庫、信都鎮(zhèn)和鋪門鎮(zhèn)后，流入廣東省封開市，至大洲寺賀江第二大支流東安江從右岸匯入后，于江口村匯入西江，干流長357 km，平均坡降0.47‰，流域面積11 599 km2，流域平均寬度32.5 km，干、支流總長1861 km，河網(wǎng)密度0.222 km/km2。賀江干流上廣西境內(nèi)現(xiàn)有富陽、賀州、信都水文站。

1.2 水文站網(wǎng)及主要水利工程概況

富陽水文站建于1951年，位于富川縣城，控制流域面積503 km3，占賀江流域面積的4.3%，平均年徑流量約3.87億m3，實(shí)測最大流量966 m3/s，發(fā)生于1956年，調(diào)查最大流量1700 m3/s，發(fā)生于1915年7月8日；信都水文站建于1955年，位于八步區(qū)信都鎮(zhèn)，控制流域面積6380 km2，占賀江流域面積的55.0%，平均年徑流量約64.4億m3，實(shí)測最大流量5840 m3/s，發(fā)生于1994年7月23日，調(diào)查最大流量6430 m3/s，發(fā)生于1908年；賀州水文站建于2000年，位于賀州市城區(qū)，控制流域面積2444 km3（扣除龜石水庫控制面積后區(qū)間集水面積為1190 km3），占賀江流域面積的21.1%，平均年徑流量約25.2億m3，實(shí)測最高水位105.85 m，發(fā)生于2002年7月。賀江流域河庫群示意圖見圖1。

圖1 賀江流域河庫群示意圖

賀江干流上（富川、鐘山縣交界處）1966年建成龜石大型水庫，控制流域面積1254 km2，總庫容5.95億m3；1974年（八步區(qū)信都鎮(zhèn)上游10 km）建成合面獅中型水電站，控制流域面積6312 km2，總庫容2.96億m3，發(fā)電裝機(jī)容量68 MW；在其他支流上分別建有橫塘、獅洞、沙沖中型水庫3處，共控制流域面積222.35 km2，總庫容5438萬m3。

2 中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在賀江流域的應(yīng)用

2.1 中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡介

中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是水利部信息中心研究開發(fā)的一套具有通用性強(qiáng)、功能全面的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，基于規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件環(huán)境和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，集成蓄滿產(chǎn)流模型（SMS）、流域滯后演算法（LAG）、馬斯京根演算法（MSK）等產(chǎn)匯流模型，建立了統(tǒng)一的預(yù)報(bào)模型庫，采用通用的預(yù)報(bào)方案構(gòu)建技術(shù)，統(tǒng)一的模型參數(shù)率定，可對大江大河干流和主要支流的控制站、大型水庫和重要行蓄洪區(qū)，沿海主要潮位站等構(gòu)建不同預(yù)報(bào)方案，在獲取實(shí)測雨水情數(shù)據(jù)及未來降雨量定量分析的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面，將入庫預(yù)報(bào)成果跟水庫指令調(diào)度相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互式作業(yè)預(yù)報(bào)，提高預(yù)報(bào)的精度并延長預(yù)報(bào)預(yù)見期，滿足各地防洪減災(zāi)工作對洪水預(yù)報(bào)的需求[1]。

為了提高賀江流域河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)精度，并延長預(yù)見期，本文就該系統(tǒng)在賀江流域河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)的應(yīng)用進(jìn)行研究探討。

2.2 預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

2.2.1 方案構(gòu)建

通過中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用三水源產(chǎn)流模型（SMS_3）、三水源滯后演算模型（LAG_3）、馬斯京根河道分段連續(xù)演算（MSK）等產(chǎn)匯流模型構(gòu)建賀江流域富陽水文站、龜石水庫、賀州水文站及合面獅水庫預(yù)報(bào)方案并進(jìn)行參數(shù)率定和檢驗(yàn)（賀江流域作業(yè)預(yù)報(bào)示意圖見圖2）。以合面獅水庫預(yù)報(bào)方案構(gòu)建為例進(jìn)行說明，其他各站不再一一列出。

圖2 賀江流域作業(yè)預(yù)報(bào)示意圖

預(yù)報(bào)方案設(shè)置2個(gè)方案輸入：賀州（80900150）和區(qū)間809007001A（賀州站集水面積2444 km2，合面獅水庫集水面積6260 km2，兩個(gè)站的區(qū)間控制面積3816 km2）。賀州站輸入采用馬斯京根模型（MSK），區(qū)間輸入采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3）；圈化流域邊界，各雨量站控制權(quán)重采用泰森多邊形法。方案計(jì)算時(shí)段為1 h，方案輸出類型為入庫流量。

（1）方案定義

模型：馬斯京根模型、新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型、三水源滯后演算模型；

方案輸入：賀州（80900150）和區(qū)間809007001A以金腰口、里松等31個(gè)雨量資料方案輸入；

方案輸出：合面獅水庫入庫流量過程。

（2）方案屬性

預(yù)報(bào)站碼：合面獅；

時(shí)段長度：1 h；

預(yù)見期：72個(gè)時(shí)段；

預(yù)熱期：30 d；

輸出類型：入庫流量；

輸入個(gè)數(shù)：2個(gè)；

輸入類型：1個(gè)河道輸入和1個(gè)流域輸入。

2.2.2 參數(shù)率定

對各站水位流量、雨量及多年各月平均蒸發(fā)量資料進(jìn)行審查，蒸發(fā)量資料選用鄰近站信都（三）水文站多年平均逐月蒸發(fā)資料。參數(shù)率定選用2010、2012、2013、2014年4年資料進(jìn)行參數(shù)率定；參數(shù)檢驗(yàn)采用2015、2016年資料。

首先率定流域蒸散發(fā)折算系數(shù)K，K的參數(shù)率定通常將目標(biāo)函數(shù)固定為多年水量平衡再計(jì)算而得，選取至少連續(xù)4年資料進(jìn)行率定，率定結(jié)果見圖3。率定K值后，采用單純形法，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為確定性系數(shù)，選取有較大場次洪水年份資料進(jìn)行其他參數(shù)率定并進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算。合面獅水庫預(yù)報(bào)方案率定期及檢驗(yàn)期場次洪水統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 合面獅水庫預(yù)報(bào)方案率定期及檢驗(yàn)期場次洪水統(tǒng)計(jì)表

圖3 合面獅水庫流域蒸散發(fā)折算系數(shù)K率定結(jié)果圖

2.2.3 方案評定

預(yù)報(bào)方案精度按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482—2008）進(jìn)行評定，擬合精度以該規(guī)范規(guī)定的兩種目標(biāo)函數(shù)表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)，即確定性系數(shù)準(zhǔn)則和合格率準(zhǔn)則[2]。確定性系數(shù)DC主要用于對洪水過程預(yù)報(bào)進(jìn)行評定，合格率QR主要用于對洪峰流量預(yù)報(bào)進(jìn)行評定。降雨徑流預(yù)報(bào)以實(shí)測洪峰流量的20%作為許可誤差。預(yù)報(bào)項(xiàng)目的精度按合格率或確定性系數(shù)的大小分為3個(gè)等級，預(yù)報(bào)項(xiàng)目精度等級按表2規(guī)定確定。

表2 預(yù)報(bào)項(xiàng)目的精度

由表1可知，水量平衡，率定確定性系數(shù)0.845，檢驗(yàn)確定性系數(shù)0.874，洪水過程擬合效果良好，各參數(shù)符合該地區(qū)的洪水特性，據(jù)4年實(shí)時(shí)資料4場洪水率定結(jié)果統(tǒng)計(jì)，3場洪峰流量誤差小于20%，合格率為75%，評定該預(yù)報(bào)方案為乙級，可用于洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。

3 實(shí)例應(yīng)用

采用中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對賀江流域富陽、賀州水文站及龜石、合面獅水庫進(jìn)行預(yù)報(bào)方案構(gòu)建，計(jì)算時(shí)段長KK均選為1 h，方案構(gòu)建后，可進(jìn)行流域作業(yè)預(yù)報(bào)，即從實(shí)時(shí)庫自動(dòng)獲取實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取降雨數(shù)值預(yù)報(bào)成果，從賀江上游富陽水文站河段流量預(yù)報(bào)至下游合面獅水庫入庫流量預(yù)報(bào)，并結(jié)合水庫調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)賀江流域河庫人機(jī)交互作業(yè)預(yù)報(bào)。以賀江流域2019年6月洪水為例，采用中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行河庫聯(lián)合調(diào)度實(shí)例應(yīng)用。

3.1 暴雨洪水概況

2019年6月12日08時(shí)～13日08時(shí)，受強(qiáng)降雨影響，賀江流域普降中到大雨，大部地區(qū)降暴雨到大暴雨，賀州市面平均雨量為107.3 mm，其中賀江流域富川縣面平均雨量為131.3 mm、八步區(qū)面平均雨量為93.1 mm，累計(jì)雨量最大的點(diǎn)為富川縣古城鎮(zhèn)191.5 mm。最大1 h、3 h、6 h降雨分別為八步區(qū)開山鎮(zhèn)100.5 mm（6月12日23時(shí)～6月13日0時(shí)）、八步區(qū)桂嶺鎮(zhèn)130 mm（6月12日23時(shí)～6月13日02時(shí)）、富川縣古城鎮(zhèn)178.5 mm（6月12日22時(shí)～6月13日04時(shí)）。強(qiáng)降雨造成賀江干流全線及支流共9條河流13個(gè)站出現(xiàn)超警0.03～2.4 m的洪水。此次賀江流域暴雨洪水具有降雨強(qiáng)度大、降雨范圍廣、超警河流多等特點(diǎn)。賀江流域面降雨量分布示意圖見圖4。

3.2 河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)

河庫聯(lián)合調(diào)度的基本思路，一般采取“上游拖下游泄”的策略，即上游龜石水庫前期按小流量控制下泄，將前期洪量先攔蓄在水庫中，當(dāng)庫水位接近汛限水位后按出入庫基本平衡控制下泄；下游合面獅水庫前期先按壩下主要防洪城鎮(zhèn)安全泄量控制下泄，當(dāng)庫水位達(dá)到最高允許控制高水位后，則以確保水庫大壩安全為前提，按出入庫平衡控制下泄，當(dāng)最大入庫流量出現(xiàn)后，即維持略小于最大入庫流量控制下泄，將庫水位逐漸降至汛限水位，然后按出入庫平衡控制下泄，使庫水位控制在汛限水位運(yùn)行[3]。

本次降雨過程，從2019年6月12日18時(shí)開始～13日02時(shí)主雨峰止，啟動(dòng)中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，選擇流域作業(yè)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)間選擇6月13日02時(shí)，對流域內(nèi)雨量站、水文（位）站水位流量及水庫站出入庫流量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，自動(dòng)獲取歐洲氣象中心未來7d降雨數(shù)值預(yù)報(bào)，從上游至下游依次進(jìn)行人機(jī)交互河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)。

首先對富陽站進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)，只有一個(gè)區(qū)域輸入，調(diào)整LAG匯流參數(shù)及CS、SM產(chǎn)流等敏感參數(shù)，最優(yōu)擬合起漲段預(yù)報(bào)與實(shí)測流量過程線，預(yù)計(jì)富陽站將于2019年6月13日04時(shí)前后出現(xiàn)650 m3/s左右的洪峰流量。

選擇富陽站最新預(yù)報(bào)成果作為龜石水庫預(yù)報(bào)上游輸入，進(jìn)行輸入貢獻(xiàn)分析，調(diào)整相關(guān)敏感參數(shù)，預(yù)報(bào)龜石水庫在6月13日09時(shí)前后出現(xiàn)1170 m3/s左右的最大入庫流量，對龜石水庫進(jìn)行指令調(diào)度，龜石水庫前期按小流量55 m3/s左右控制下泄，先把洪水盡量攔蓄在水庫中，6月13日09時(shí)龜石水庫出現(xiàn)最大入庫流量1170 m3/s時(shí)，則從6月13日09時(shí)起，開始逐步加大下泄流量至500 m3/s，預(yù)計(jì)6月14日22時(shí)前后出現(xiàn)181.57 m左右的最高庫水位，6月14日23時(shí)起按500 m3/s出庫流量控制下泄，龜石水庫庫水位逐步回落至汛限水位以下。

根據(jù)龜石水庫預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)報(bào)下游賀州站河道流量過程，調(diào)整LAG、CS等敏感參數(shù)，最優(yōu)擬合賀州站起漲段及前期流量過程線，預(yù)計(jì)賀州水文站將于6月13日09時(shí)前后出現(xiàn)830 m3/s左右的洪峰流量，洪峰水位104.00 m左右（見圖5），保存結(jié)果，以便用于下游合面獅水庫入庫流量預(yù)報(bào)。

圖5 賀江流域作業(yè)預(yù)報(bào)賀州站預(yù)報(bào)結(jié)果圖

根據(jù)賀州水文站預(yù)報(bào)成果，預(yù)報(bào)合面獅水庫入庫流量過程。重新選擇預(yù)報(bào)時(shí)間6月13日04時(shí)（合面獅入庫水位起漲段），對合面獅水庫進(jìn)行單站作業(yè)預(yù)報(bào)。首先進(jìn)行輸入貢獻(xiàn)分析，調(diào)整相關(guān)敏感參數(shù)，預(yù)報(bào)合面獅水庫在6月13日10時(shí)前后出現(xiàn)3700 m3/s左右的最大入庫流量，對合面獅水庫進(jìn)行指令調(diào)度，為保證下游防洪安全，從6月13日04時(shí)起控制下泄流量不超過2700 m3/s，先把洪水盡量攔蓄在水庫中，預(yù)計(jì)6月13日16時(shí)前后出現(xiàn)88.60 m左右的最高庫水位，保存預(yù)報(bào)結(jié)果（見圖6）。

圖6 合面獅水庫預(yù)報(bào)及指令調(diào)度過程圖

3.3 預(yù)報(bào)結(jié)果分析

6月12日～14日洪水期間，采用中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)對賀江流域進(jìn)行河庫聯(lián)合調(diào)度，預(yù)計(jì)合面獅水庫6月13日10時(shí)前后出現(xiàn)3700 m3/s左右的最大入庫流量，6月13日16時(shí)前后出現(xiàn)88.60 m左右的最高庫水位，超汛限水位2.6 m左右；實(shí)測合面獅水庫實(shí)際于6月13日14時(shí)出現(xiàn)3820 m3/s的最大入庫流量，于6月13日14時(shí)出現(xiàn)88.12 m的最高庫水位，超汛限水位2.12 m。此次河庫聯(lián)合調(diào)度將實(shí)際上游來水量約3800 m3/s的洪水削峰至2700 m3/s，降低了下游賀州八步區(qū)、廣東南豐水文站洪峰水位約1.0 m，防洪效果顯著。

此次預(yù)報(bào)結(jié)果最大入庫流量及最高庫水位預(yù)報(bào)精度均在預(yù)報(bào)許可誤差內(nèi)，預(yù)報(bào)時(shí)間誤差較大，原因可能為受水庫錯(cuò)峰控泄影響。

4 結(jié)語

采用中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)編制賀江流域各主要水文站、水庫站預(yù)報(bào)方案，自動(dòng)獲取未來7 d降雨數(shù)值預(yù)報(bào)成果及實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)，通過流域河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)，通過人機(jī)交互功能，提高了預(yù)報(bào)的自動(dòng)化水平，有效延長了預(yù)報(bào)的預(yù)見期，提升了預(yù)報(bào)的精度，為水庫提前研判雨水情形勢，水庫調(diào)度科學(xué)決策，緩解下游防洪壓力，減少人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失提供了更有力的信息支撐，對研究入庫洪水預(yù)報(bào)方法及河庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)有一定參考價(jià)值。