基于水旱災(zāi)害防御決策系統(tǒng)對(duì)州河江口水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)用分析

楊海燕,陶興玲,蔣金銘,萬(wàn) 芳

(1.四川省達(dá)州水文水資源勘測(cè)中心,四川 達(dá)州 635000;2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,鄭州 450046)

0 引言

四川省江口水庫(kù)位于達(dá)州市前河、中河、后河匯口處宣漢縣城,以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉、發(fā)電等功能,為州河流域僅有一定調(diào)蓄能力的水庫(kù),對(duì)州河下游城鎮(zhèn)(特別是達(dá)州市城區(qū))的防洪安全具有十分重要的作用。同時(shí)江口水庫(kù)以下人煙稠密,主要有羅江鎮(zhèn)、達(dá)州市城區(qū)、達(dá)州機(jī)場(chǎng)等,而州河為典型的山區(qū)河流,流域暴雨洪水頻繁,城市防洪能力較低,災(zāi)害嚴(yán)重,威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全,制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,對(duì)江口水庫(kù)入庫(kù)流量預(yù)報(bào)及水庫(kù)調(diào)度的模擬研究,為州河流域水庫(kù)的實(shí)時(shí)洪水調(diào)度提供有力有效的技術(shù)支撐,促進(jìn)水庫(kù)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,避免或盡量減少因洪水對(duì)人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)造成的損失,同時(shí),也有利于實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。本文基于近期投入使用的“四川省水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”,選取州河江口水庫(kù)為例,對(duì)江口水庫(kù)的入庫(kù)流量預(yù)報(bào)及調(diào)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究。

1 水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)概況

針對(duì)流域水旱災(zāi)害特點(diǎn)和流域水旱災(zāi)害防御決策指揮需求,近年來(lái)四川省水利廳投資建設(shè)的新平臺(tái)——“四川省水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”已于2022年逐步投入使用。該平臺(tái)融合了水務(wù)及水文等多重模塊,融合了實(shí)時(shí)雨水情、氣象網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)、流域洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)編制、流域防洪調(diào)度、洪水調(diào)查等內(nèi)容,為進(jìn)一步分析研判汛情風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)及水庫(kù)調(diào)度決策指揮提供多層次的信息服務(wù)和多種手段支持。

“四川省水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”的水文模塊中除了涵蓋原老平臺(tái)的雨水情查詢(xún)功能外,還添加了預(yù)報(bào)、調(diào)度、簡(jiǎn)報(bào)發(fā)布等多重功能模塊。其中“預(yù)報(bào)調(diào)度”模塊通過(guò)在平臺(tái)中構(gòu)建相應(yīng)的洪水預(yù)報(bào)模型,結(jié)合未來(lái)氣象數(shù)值預(yù)報(bào),即可預(yù)報(bào)水庫(kù)的入庫(kù)流量。在平臺(tái)中錄入水利工程基本信息后,便可在入庫(kù)流量預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水庫(kù)調(diào)度的動(dòng)態(tài)模擬。水庫(kù)的入庫(kù)流量預(yù)報(bào)及調(diào)度模擬將為流域水旱災(zāi)害防御工作提供科學(xué)的技術(shù)支撐,充分發(fā)揮水庫(kù)防洪蓄水治澇的能力,為防洪減災(zāi)和水資源合理利用發(fā)揮重要作用。

2 州河流域及江口水庫(kù)概況

2.1 流域概況

州河屬渠江左岸一級(jí)支流,上源分前、中、后河三支,均發(fā)源于大巴山南麓,河長(zhǎng)310 km,控制流域面積11 165 km2,經(jīng)宣漢、達(dá)縣至三匯鎮(zhèn)匯入渠江。前河為主流,發(fā)源于城口縣燕麥鄉(xiāng)光頭山,自東北向西南流,至宣漢縣城附近與后河匯合,主河道長(zhǎng)178 km,集水面積2 249 km2;中河發(fā)源于重慶城口縣白芷鄉(xiāng)的白芷山西南,中河流域面積1 402 km2,從源頭至匯合口河長(zhǎng)101.5 km;后河起源于萬(wàn)源市皮窩鄉(xiāng)趙家山下鐵鋪,于宣漢縣城東的江口處與前河相匯,注入州河,集水面積2 987 km2,河長(zhǎng)154 km。

州河流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,流域多年平均降水量1 308.4 mm。年內(nèi)降水主要集中在5-10月,降水量占全年總降水量的80%以上;而暴雨發(fā)生在7月、9月的概率較大,因此,年內(nèi)變化呈雙峰過(guò)程。

徑流在年內(nèi)的變化與降水的年內(nèi)變化相應(yīng)。5-11月為豐水期,該時(shí)段內(nèi)的多年平均徑流量占年徑流量的86.8%;其中7-9月最豐,占年水量的49.5%。暴雨洪水匯流時(shí)間短,州河洪水具有陡漲陡落、峰高量大、過(guò)程線尖瘦等特點(diǎn);過(guò)程線形狀單峰洪水歷時(shí)2～3 d,復(fù)峰歷時(shí)約5～6 d。

2.2 江口水庫(kù)概況

江口水庫(kù)樞紐工程系州河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第一級(jí),地處宣漢縣城區(qū)上游,前、后河匯合口下游約300 m州河源頭處,距離達(dá)州城區(qū)約51 km,是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉的骨干水利工程。集雨面積6 364 km2,總庫(kù)容2.77億m3,有效庫(kù)容1.48億m3,調(diào)洪庫(kù)容1.33億m3,具有不完全年調(diào)節(jié)性能[1]。

江口水庫(kù)擋水和泄水建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,洪峰流量12 500 m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇,洪峰流量為15 800 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位330.0 m,設(shè)計(jì)洪水位330.62 m,校核洪水位332.70 m,主汛期汛限水位327.00 m。

2.3 水文站網(wǎng)分布

水文站網(wǎng)是短期洪水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。州河上游分為前河、中河、后河主要三支流,江口水庫(kù)位于前河、中河、后河匯口處,前河上有南壩水文站,中河有黃金口水文站,后河有毛壩水文站,以及眾多的雨量監(jiān)測(cè)站。截至目前,達(dá)州水文中心在江口水庫(kù)以上流域基本建成了水情遙測(cè)站126處(其中基本水文站4處,中小河流水文站2處,中小河流水位站3處,雨量站117處)。流域水系及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1,站點(diǎn)分布全流域,站網(wǎng)密度大,滿足水庫(kù)入庫(kù)流量預(yù)報(bào)需求。

圖1 江口水庫(kù)所在流域水系及水文站網(wǎng)分布

3 河系預(yù)報(bào)方案

3.1 預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

河系預(yù)報(bào)主要為江口水庫(kù)以上流域支流各主要控制站點(diǎn)逐級(jí)演算至江口水庫(kù)處,并疊加區(qū)間流量過(guò)程得到江口電站的入庫(kù)流量。其中,河系方案中各一級(jí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)及區(qū)間來(lái)水采用新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型(SMS_3)和三水源滯后演算模型(LAG_3),各站點(diǎn)逐級(jí)演算采用馬斯京根河道流量演算法[2]。

本次方案主要借用“中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”分別率定前、中、后河各支流控制站點(diǎn)南壩、黃金口、毛壩三個(gè)基本水文站(即本河系預(yù)報(bào)方案中一級(jí)預(yù)報(bào)站點(diǎn))的新安江模型和馬斯京根河道演算各參數(shù),區(qū)間方案參數(shù)借用本流域具有相似流域下墊面條件站點(diǎn)已率定的新安江模型參數(shù),再通過(guò)“四川省水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”平臺(tái)中“預(yù)報(bào)調(diào)度”模塊構(gòu)建江口水庫(kù)的河系方案。河系預(yù)報(bào)方案概化圖見(jiàn)圖2。

圖2 江口水庫(kù)河系預(yù)報(bào)方案

3.2 預(yù)報(bào)方案檢驗(yàn)

由于江口水庫(kù)沒(méi)有長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水文資料,本次無(wú)法對(duì)該方案進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定,故只對(duì)本河系預(yù)報(bào)方案中一級(jí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)的新安江模型方案進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定,檢驗(yàn)評(píng)定見(jiàn)表1。檢驗(yàn)評(píng)定表明,各一級(jí)預(yù)報(bào)站的方案精度均可達(dá)到乙級(jí)以上。

表1 基本水文站新安江模型方案檢驗(yàn)評(píng)定

本次河系預(yù)報(bào)方案依據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008),利用江口水庫(kù)的多場(chǎng)次實(shí)測(cè)洪水入流過(guò)程對(duì)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行檢驗(yàn)后再做精度評(píng)定[3]:方案精度達(dá)乙級(jí)以上,可做預(yù)報(bào)及滾動(dòng)預(yù)報(bào)使用。

4 預(yù)報(bào)調(diào)度模擬應(yīng)用實(shí)踐

4.1 洪水概述

4.1.1 2021年“8·29”洪水

2021年8月28～29日,達(dá)州轄區(qū)普降大到暴雨、局部大暴雨,本次暴雨時(shí)空分布較均勻,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),暴雨中心主要集中在萬(wàn)源市、宣漢縣、達(dá)川區(qū)、開(kāi)江縣一帶;最大1h雨量為22.0 mm,最大日雨量為215.0 mm(28日);最大過(guò)程雨量為293.0 mm。受暴雨影響,28～29日,達(dá)州轄區(qū)境內(nèi)各干支流發(fā)生了不同程度的洪水過(guò)程。其中:江口水庫(kù)以上各支流發(fā)生較大洪水過(guò)程,其最大入庫(kù)流量8 600 m3/s,最高庫(kù)水位超汛限水位2.55 m。

4.1.2 2022年“10·5”洪水

2022年10月4～6日,達(dá)州市普降大到暴雨、局部大暴雨。暴雨中心主要集中在達(dá)川區(qū)、萬(wàn)源市、宣漢縣、通川區(qū)一帶,暴雨時(shí)間主要集中在4日0時(shí)至6日8時(shí)。達(dá)州轄區(qū)最大過(guò)程雨量為298.0 mm,最大日雨量為170.5 mm(4日),最大1 h雨量為4日16時(shí)35.0 mm。受強(qiáng)降雨影響,江口水庫(kù)以上河流發(fā)生了一次一般洪水過(guò)程,江口水庫(kù)最大入庫(kù)流量4 800 m3/s,最高庫(kù)水位超汛限水位2.39 m。

4.2 水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度模擬

根據(jù)渠江流域洪水預(yù)報(bào)多年經(jīng)驗(yàn),本文模擬實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程,以檢驗(yàn)方案預(yù)報(bào)調(diào)度是否合理可用,故預(yù)報(bào)時(shí)間為降雨開(kāi)始后、各一級(jí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)未出洪峰之前?！八拇ㄊ∷禐?zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”平臺(tái)的具體操作流程為:首先,用“預(yù)報(bào)調(diào)度”中“預(yù)見(jiàn)期降雨設(shè)置”模塊獲取未來(lái)氣象數(shù)據(jù),同時(shí),可對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修正,并保存雨量方案;其次,在“預(yù)報(bào)調(diào)度”模塊中選擇已構(gòu)建好的“江口水庫(kù)”的河系方案,在獲取雨量方案及其他數(shù)據(jù)后進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào),同時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢查和人工修正;最后,在江口水庫(kù)入庫(kù)流量預(yù)報(bào)結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過(guò)模擬不同的出庫(kù)方式,來(lái)演算水庫(kù)入庫(kù)流量、水庫(kù)水位等變化。

江口水庫(kù)動(dòng)態(tài)模擬中,“8·29”洪水以2021年8月28日22時(shí)為預(yù)報(bào)依據(jù)時(shí)間,“10·5”洪水以2022年10月4日20時(shí)為預(yù)報(bào)依據(jù)時(shí)間,前期預(yù)熱期為30 d,預(yù)見(jiàn)期時(shí)段長(zhǎng)為24個(gè)時(shí)段。利用已構(gòu)建的江口水庫(kù)河系預(yù)報(bào)方案,在獲取未來(lái)氣象數(shù)值天氣數(shù)據(jù)的前提下,進(jìn)行江口水庫(kù)的入庫(kù)流量預(yù)報(bào)。為了檢驗(yàn)水庫(kù)調(diào)度模擬是否與實(shí)際過(guò)程相符,本次的出庫(kù)流量模擬按照實(shí)際出庫(kù)流量設(shè)置,“8·29”“10·5”入庫(kù)流量及水庫(kù)調(diào)度動(dòng)態(tài)模擬見(jiàn)表2、表3。

表2 “8·29”洪水江口入庫(kù)流量及水庫(kù)調(diào)度動(dòng)態(tài)模擬

表3 “10·5”洪水江口入庫(kù)流量及水庫(kù)調(diào)度動(dòng)態(tài)模擬

由江口水庫(kù)入庫(kù)流量及水庫(kù)調(diào)度動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果分析:入庫(kù)流量動(dòng)態(tài)模擬中洪峰預(yù)見(jiàn)期可達(dá)7～10 h,入庫(kù)洪峰流量數(shù)值誤差小于5%,時(shí)間誤差為1h,誤差滿足預(yù)報(bào)要求;同時(shí),在入庫(kù)流量過(guò)程預(yù)報(bào)結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際出庫(kù)流量模擬得到的江口水庫(kù)水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與實(shí)際水位過(guò)程較吻合,效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)確可靠的水庫(kù)入庫(kù)流量及調(diào)度動(dòng)態(tài)模擬,可為及時(shí)、科學(xué)的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度提供有力的技術(shù)支撐,以達(dá)到削減洪峰流量、降低洪峰水位、實(shí)現(xiàn)水庫(kù)精細(xì)化調(diào)度、水資源科學(xué)配置等最終目的?；凇八禐?zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”平臺(tái)建立的江口水庫(kù)河系預(yù)報(bào)方案,實(shí)現(xiàn)了江口水庫(kù)的入庫(kù)流量預(yù)報(bào)及水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,為水庫(kù)的實(shí)時(shí)洪水調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐及直觀的圖形顯示,為類(lèi)似水庫(kù)的入庫(kù)流量預(yù)報(bào)調(diào)度提供參考?；凇八禐?zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”平臺(tái)模擬未來(lái)水情信息時(shí),對(duì)未來(lái)數(shù)字天氣預(yù)報(bào)依賴(lài)程度較高;同時(shí),該方法須基于已率定好模型參數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建方案,因此,須在構(gòu)建河系方案前做大量的模擬檢驗(yàn)率定工作,以得到較高預(yù)報(bào)精度方案參數(shù)。