百色水利樞紐洪水預報方案研究

柳文兵，祝秀平

（廣西右江水利開發(fā)有限責任公司，南寧 530029）

1 流域及工程概況

右江是珠江流域西江水系最大支流郁江的干流，發(fā)源于云南省文山州廣南縣境內(nèi)的楊梅山，源頭段稱達良河，向北流，與達央河匯合后稱馱娘江，匯入云南省西洋江后稱剝隘河，至百色市與澄碧河匯合稱為右江，經(jīng)田陽區(qū)、田東縣城、平果市、隆安縣城，在南寧市西郊宋村與郁江最大支流左江匯合始稱郁江[1]。右江流域屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和。右江流域降雨主要受海洋暖氣團和內(nèi)陸氣團的影響，雨季暴雨天氣較頻繁，主要受副熱帶高壓、熱帶低壓、臺風及西南低渦氣旋影響所致，多年平均降雨量為1200 mm，一般多集中在6～9月，約占全年的65%，11 月至次年4 月為枯水期，降雨量占全年的20%以下。

百色水利樞紐工程位于右江上游河段，是一座以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、航運、供水等綜合效益的大型水利樞紐，也是治理和開發(fā)郁江的關鍵性工程和西部大開發(fā)的重要標志性工程。壩址以上集雨面積為19 600 km2，占右江流域面積的47.5%，流域內(nèi)有西洋江、那馬河、谷拉河、者仙河、樂里河五條較大支流匯入。百色水利樞紐上游建設有多座水電站，其中右江干流馱娘江流域已建水電站16座，最大的瓦村水電站總庫容5.36 億m3，具有季調(diào)節(jié)性能，其余水電站為日調(diào)節(jié)性能；最大支流西洋江上建設有洞巴、那比水電站，其中洞巴電站庫容3.22 億m3，具有年調(diào)節(jié)性能，那比為日調(diào)節(jié)性能電站；那馬河上建設有坡令水電站；谷拉河上建設有天生橋、百達、那林等日調(diào)節(jié)性能電站。

根據(jù)百色水文站多年實測資料，右江洪水過程多為單峰型，洪水漲洪歷時較短，從起漲到峰頂2 d左右，峰頂滯時5～8 h，峰后退水歷時較長，約6 d。一場洪水過程在7～10 d之間，過程尖瘦，呈山區(qū)河流特性。一場洪水的洪量主要集中在7 d 左右，大洪水的7 d洪量約占15 d洪量的60%。

為開展洪水預報業(yè)務，百色水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)建設隨工程建設同步開展，自動采集流域內(nèi)干支流重要節(jié)點的水位、雨量等水情信息，實時傳輸至中心站進行分析處理，供業(yè)務人員開展洪水預報作業(yè)。百色水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)模為1∶48，即1個中心站、48個遙測站，其中水文站9個、雨量站39個。

2 預報方案總體設計

2.1 預報斷面配置

預報斷面分為天然河道斷面和電站斷面。天然河道斷面沒有調(diào)蓄作用，而電站斷面的水庫往往具有一定的庫容，對洪水具有調(diào)節(jié)作用，導致入庫流量和出庫流量不同，因此應對電站斷面的入庫洪水進行調(diào)洪演算，采用出庫流量作為下一級斷面的入流過程。

根據(jù)站點資料及水電站分布情況，百色水利樞紐以上流域共設置9 個預報斷面，其中天然河道斷面6 個，分別是定安、西洋街、谷拉、百達、田林、者仙；電站斷面3個，分別是洞巴、瓦村、百色壩上。

流域面雨量是預報模型最重要的輸入，考慮到百色水利樞紐庫區(qū)降雨分布不均，為減少面雨量計算誤差，對斷面區(qū)間流域進行分單元產(chǎn)流計算。根據(jù)流域水系和遙測雨量站點分布情況劃分單元，對雨量站較稀少的斷面，考慮用單站控制面積產(chǎn)流，例如定安斷面雨量站數(shù)目只有5 個，將其劃分為5個計算單元，每個單元包含1個雨量站；對于包含有多個雨量站的斷面，則可在單元中設置多個雨量站，采用泰森多邊形法和人工經(jīng)驗設置其權重，例如百色壩上斷面劃分為2 個計算單元，第1 單元包含9個雨量站，第2單元包含4個雨量站。在計算面雨量時，部分站點位于單元邊界上，對周邊的單元均有影響，這些站點可以在多個單元中共用[2]。百色水利樞紐庫區(qū)預報斷面見表1。

表1 百色水利樞紐庫區(qū)預報斷面表

2.2 洪水預報流程

百色水利樞紐洪水預報流程應從上游到下游、從支流到干流逐斷面進行預報。按照定安、西洋街、洞巴、瓦村、谷拉、百達、田林、者仙、百色壩上的順序逐級計算。預報斷面流量由上游斷面流量和區(qū)間流量兩部分組成，上游斷面流量采用馬斯京根法進行河道匯流計算，區(qū)間流量利用水雨情資料和降雨徑流模型開展預報，最后采用斷面實測流量對預報流量進行實時校正。電站斷面預報出結果后，考慮到電站調(diào)度運行對河道匯流的影響，利用電站的水情信息、調(diào)度規(guī)則進行調(diào)洪演算，采用出庫流量向下游斷面演算。預報流程概化如圖1 所示，方框中的數(shù)字表示斷面區(qū)間面積（單位：km2）。

圖1 百色水利樞紐洪水預報概化圖

2.3 預報模型及方法

2.3.1 洪水預報模型

洪水預報模型分為產(chǎn)匯流模型和河道匯流模型兩部分。一般南方流域產(chǎn)匯流模型以三水源新安江模型（見表2）效果最好[3]，分單元進行產(chǎn)匯流計算后，合成為斷面的區(qū)間預報流量；河道匯流模型一般選用馬斯京根法將上游斷面的出流演算到預報斷面。流域產(chǎn)匯流和河道匯流疊加得到斷面的預報流量。

表2 三水源新安江模型

2.3.2 實時校正模型

實時校正是利用預報斷面的實測流量對預報結果進行實時修正，使預報流量不斷接近實測值[4]。實時校正模型采用誤差序列實時校正模型，以預熱期的實測流量與預報流量的誤差序列建立自回歸模型，采用最小二乘法估計自回歸模型的參數(shù)，預測下一時段的誤差。計算模型如下：

2.3.3 水庫調(diào)洪演算

調(diào)節(jié)性能好的水電站對洪水過程具有調(diào)節(jié)作用，需要進行調(diào)洪演算后計算出庫流量，以便進行下一級斷面的洪水預報。調(diào)洪演算方法是：利用水量平衡原理，根據(jù)水位庫容關系曲線，閘門泄流關系曲線，建立水量平衡方程，對預報入庫流量過程進行調(diào)洪演算，得到庫水位過程及出庫流量過程。在計算時，可以通過給定控制水位、給定閘門運行方式、給定出庫流量過程等進行調(diào)洪演算。

3 預報方案編制與應用

本次預報方案需收集整理9個預報斷面的雨水情資料，分別率定模型參數(shù)、進行合格率統(tǒng)計及精度評定。

3.1 資料收集與處理

共收集到2012—2021 年百色水利樞紐庫區(qū)48個遙測站的雨量資料及定安、西洋街、瓦村、谷拉、百達、田林、者仙、百色壩上等水文站的洪水資料，另收集到百色、瓦村水文站多年月平均蒸發(fā)資料。從收集的各斷面歷史洪水資料中，人工挑選出其中雨洪對應情況較好、符合自然規(guī)律、代表性較好的洪水作為預報模型參數(shù)率定的洪水資料。百色水利樞紐庫區(qū)面積較大，因此本次洪水預報方案計算時段設置為3 h。

3.2 預報斷面模型參數(shù)率定

采用粒子群算法[5]（PSO）進行新安江模型參數(shù)率定，在率定時，對于可以人工確定的參數(shù)如匯流時間Ke、河道分段數(shù)n、不敏感參數(shù)等，沒有必要進行優(yōu)選。因為需要優(yōu)選的參數(shù)越多，計算量也越大，同時會帶來異參同效的問題。本文采用人工經(jīng)驗及優(yōu)化算法率定結合對參數(shù)進行率定，先用人工經(jīng)驗確定出不敏感參數(shù)，對斷面的洪水過程進行分析，確定匯流時間以及河道分段數(shù)n，最后再用粒子群算法（PSO）率定敏感參數(shù)。

3.2.1 不敏感參數(shù)及河道分段數(shù)確定

新安江模型參數(shù)中，參數(shù)B、C、IM、EX為不敏感參數(shù)，按一般經(jīng)驗定值即可；馬斯京根法中的Ke及n，可通過分析場次洪水的傳播時間得出。剩余參數(shù)KC、UM、LM、WM、SM、KG、KI、CG、CI、CS、L、Xe通過優(yōu)選得到。

統(tǒng)計各斷面洪水的雨峰到洪峰出現(xiàn)時間，即可確定出該斷面的流域匯流時間，根據(jù)各單元出口與斷面出口的位置關系，即可估算出各單元出口至斷面出口的匯流時間Ke。統(tǒng)計分析上下游相鄰斷面的洪水過程，即可分析判斷出洪水在河道中的傳播時間Ke。以Δt= 3 h 時段長進行河道分段，分別設置每塊出口到斷面出口的分段數(shù)n=Ke/Δt，根據(jù)實際情況對n進行取整。利用Xe、n，計算出參數(shù)C0、C1、C2，進而計算出河槽匯流系數(shù)Pmn，在預報中采用河槽匯流系數(shù)將入流過程演算到出口斷面。各斷面區(qū)間河道分段數(shù)及各斷面到下游斷面的河道分段數(shù)如表3所示。

表3 各斷面河道分段數(shù)統(tǒng)計表

3.2.2 其余參數(shù)確定

其余參數(shù)通過粒子群算法（PSO）來率定。率定時由于采用的是次洪資料，低水點據(jù)較多，為突出高水部分的作用，目標函數(shù)采用誤差的絕對值為目標函數(shù)，即

式中：BO為目標函數(shù)值，M(i)與Q(i)是實測與計算的洪水流量過程。

為需要率定的模型參數(shù)設置取值范圍。在新安江模型中，具有結構性約束KG+KI=0.7，只需要率定其中一個，另外一個按照約束取值即可。河網(wǎng)匯流滯后時間L可近似取各斷面區(qū)間匯流時間的一半。根據(jù)表3 中各斷面區(qū)間河道分段數(shù)的取值，L的取值在0.5～1.5 之間，取整數(shù)為0～2，最終確定時可通過模擬洪水時峰現(xiàn)時間來定。L對峰現(xiàn)時間影響非常明顯，實際預報中可通過對L 的調(diào)整來控制峰現(xiàn)時間。率定出的各斷面模型參數(shù)值見表4。

表4 各斷面新安江模型參數(shù)表

3.3 合格率統(tǒng)計與分析

根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》（GB/T 22482-2008）的規(guī)定，濕潤地區(qū)進行洪水預報方案精度評定需要10 年的水文氣象資料，并且濕潤地區(qū)應不少于50場次洪水資料，當資料不足時，應使用所有的場次洪水資料。本次方案編制各斷面的洪水場次較少，因此只進行參數(shù)率定，不進行參數(shù)檢驗。各斷面合格率統(tǒng)計結果見表5。

表5 各斷面合格率統(tǒng)計表

由表5可知，西洋街、谷拉斷面的精度評定為甲級；定安斷面的合格率較低，為69.2%，精度評定為丙級，可能原因為定安斷面雨量站網(wǎng)密度較低，同時定安以上有多個中小電站的調(diào)蓄作用影響；其余斷面精度評定為乙級。作為最終預報對象的百色壩上斷面的合格率為83.3%，可以用于實時預報。同時需指出，本次方案編制用到的洪水場次較少，對合格率影響較大。

4 總結

本文編制了百色水利樞紐的洪水預報方案，從本次預報方案的編制結果、檢驗成果看，編制洪水預報方案合理，精度較高，可用于實時洪水預報。但是也存在以下問題：

（1）雨量站網(wǎng)密度明顯偏低，并且各斷面區(qū)間分布不均勻。流域內(nèi)站網(wǎng)密度較低，19 600 km2的流域面積上布設有48 個雨量站，站網(wǎng)密度為408 km2/個，低于《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術導則》（SL 34-2013）規(guī)定的要求。同時各預報斷面的站網(wǎng)密度極為不均勻，從184.5 km2/個到975.4 km2/個不等。定安、西洋街、田林斷面的站網(wǎng)密度分別為975.4、847.7、903 km2/個，遠低于規(guī)范要求。右江流域暴雨頻發(fā)，較低的站網(wǎng)密度不能準確代表流域的降雨情況，會造成流域面雨量計算不準確，影響洪水預報精度。

（2）流域中小電站調(diào)蓄作用影響嚴重。百色水利樞紐以上流域水電開發(fā)較為充分，各條支流上具有多座中小水電站，在發(fā)生小洪水時，會對洪水進行攔截，而發(fā)生較大洪水時，往往又騰退庫容，加大泄流。這些中小電站的信息往往難以掌握，對百色水利樞紐的洪水預報造成明顯的影響。