臨近流域替代法在巴基斯坦卡洛特水電站壩址洪峰流量預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

劉啟松 鄧頌霖 徐志 劉應(yīng)武

摘要：為延長巴基斯坦卡洛特水電站施工期壩址洪水預(yù)見期，利用臨近流域替代法和API模型估算印控克什米爾地區(qū)區(qū)間來水，實(shí)現(xiàn)卡洛特水電站短期壩址流量預(yù)報(bào)計(jì)算或估算。選取“20170406”“20180420”和“20180807”等3場洪水實(shí)測降雨資料和預(yù)報(bào)降雨資料對該方法的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：以上3場洪水實(shí)測降雨估算洪峰流量結(jié)果與實(shí)測洪峰流量最大相對誤差均在許可誤差的20%內(nèi)，預(yù)報(bào)降雨計(jì)算結(jié)果受預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率影響，導(dǎo)致“20180807”洪水計(jì)算結(jié)果偏小。在獲得流域準(zhǔn)確降雨預(yù)報(bào)時(shí)，該方法能較好地預(yù)估洪峰范圍，延長洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期，可為卡洛特水電站安全度汛提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：洪水預(yù)報(bào);臨近流域替代法;API模型;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：P338 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.enki.slsdkb.2020.04.002

1研究背景

卡洛特水電站是“一帶一路”首個(gè)大型水電投資項(xiàng)目，位于巴基斯坦吉拉姆河流域，壩址以上流域面積26700km²，其中13500km²處于印控克什米爾地區(qū)，其控制站為恰可迪（Chakothi）站。受多種因素的綜合影響，無法在印控克什米爾地區(qū)建立水文站以掌握該地區(qū)來水。由于洪水從恰可迪站傳播至壩址時(shí)間小于24h，在中高水時(shí)小于12h，導(dǎo)致壩址洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期有限。以上因素給巴基斯坦卡洛特水電站施工期防洪度汛帶來巨大困難，因此迫切需要估算印控克什米爾地區(qū)區(qū)間洪水和延長壩址洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期。吉拉姆河流域站網(wǎng)分布見圖1。

本文采用臨近流域替代法對印控克什米爾地區(qū)來水進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)該電站短期壩址洪峰流量預(yù)報(bào)計(jì)算或估算，延長洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期，提前預(yù)報(bào)災(zāi)害性洪水，為電站安全度汛提供技術(shù)支撐。

2研究方法

2.1預(yù)報(bào)分區(qū)

卡洛特水電站壩址采用卡洛特（專用）站作為控制站。尼拉姆（Neelum）河用穆扎法拉巴德（Mu-zaffarabad）站作為控制站。昆哈（Kunhar）河用塔哈塔（Talhatta）站作為控制站。

根據(jù)水系特點(diǎn)，將整個(gè)流域劃分為4個(gè)預(yù)報(bào)分區(qū)，基于預(yù)報(bào)分區(qū)的卡洛特壩址洪峰流量預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)見圖2。

2.2預(yù)報(bào)方法

臨近流域替代法計(jì)算壩址流量具體分4個(gè)步驟。

（1）獲取流域內(nèi)短期面平均日降雨預(yù)報(bào)信息，目前只能得到1～3d相對準(zhǔn)確的面降雨資料。1～3d短期降雨預(yù)報(bào)是基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，參考實(shí)況天氣探測信息，如地面、天氣和氣象衛(wèi)星、雷達(dá)等，經(jīng)氣象預(yù)報(bào)員綜合分析、會商討論等完成，具體預(yù)報(bào)產(chǎn)品為上述區(qū)域1～3d的逐日面雨量預(yù)報(bào)范圍及傾向值。

（2）根據(jù)各區(qū)前期實(shí)況和未來1～3d的降雨預(yù)報(bào)傾向值，計(jì)算流域上游各區(qū)（見表1）前期及未來1～3d內(nèi)逐日雨前土壤含水量（Pa）值，并基于各區(qū)降雨徑流相關(guān)圖，計(jì)算未來1～3d各區(qū)日產(chǎn)流量。

（3）利用各區(qū)24h單位線，計(jì)算各區(qū)未來1～3d日平均徑流過程;

（4）將恰可迪、塔哈塔、穆扎法拉巴德、阿扎帕坦（Azad Pattan）區(qū)間流量累加，將結(jié)果再累加至卡洛特（專用）站近日日平均流量，完成卡洛特（專用）站逐日平均流量過程計(jì)算。

將上述計(jì)算得到的卡洛特（專用）站平均流量，再考慮安全系數(shù)，得到壩址日平均流量和洪峰流量。臨近流域替代法流程見圖3。

2.324h單位線

根據(jù)預(yù)報(bào)分區(qū)及其預(yù)報(bào)模型，將相應(yīng)分區(qū)內(nèi)1h單位線利用S曲線轉(zhuǎn)換法和各分區(qū)面積進(jìn)行時(shí)段轉(zhuǎn)換，得到各區(qū)24h單位線，各區(qū)單位線及降雨徑流相關(guān)圖見表2、圖4和圖5。由于流域內(nèi)中高洪水傳播時(shí)間小于12h，計(jì)算時(shí)不考慮錯(cuò)時(shí)計(jì)算問題。

2.4折減系數(shù)與安全系數(shù)

（1）區(qū)間流量折減系數(shù)。為保證各區(qū)計(jì)算區(qū)間流量更符合實(shí)際情況，各區(qū)計(jì)算區(qū)間流量時(shí)均乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)取值范圍為0.01～1.00。為確定各區(qū)期間流量時(shí)折減系數(shù)，采用試錯(cuò)法對2016～2018年發(fā)生的各場洪水進(jìn)行試算，得到各區(qū)間流量折減系數(shù)結(jié)果見表3。1區(qū)期間流量計(jì)算時(shí)，采用結(jié)果為區(qū)間流量計(jì)算結(jié)果的0.02倍;2區(qū)和3區(qū)期間流量計(jì)算時(shí)，采用結(jié)果為區(qū)間流量計(jì)算結(jié)果的0.10倍;4區(qū)期間流量計(jì)算時(shí)，采用結(jié)果為區(qū)間流量計(jì)算結(jié)果的0.50倍。

（2）日平均流量與洪峰轉(zhuǎn)換系數(shù)。經(jīng)過對2016～2018年多場次洪水分析，發(fā)現(xiàn)吉拉姆河流域洪峰流量一般是日平均流量的1.1～1.5倍。本文對計(jì)算日平均流量進(jìn)行1.0～1.5倍放大，估算洪峰。原則為：當(dāng)預(yù)報(bào)日降雨量較大，且降雨可能較集中時(shí)，計(jì)算日平均流量可放大1.3-1.5倍，即為洪峰流量;當(dāng)預(yù)報(bào)日降雨量一般，且降雨時(shí)間較長時(shí)，計(jì)算日平均流量可放大1.0～1.3倍，即為洪峰流量。通過對“20170406”“20170220”和“20170711”洪水進(jìn)行實(shí)例分析可得，轉(zhuǎn)換系數(shù)取1-3一般效果較好，所以本文取轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.3。

3實(shí)例分析

利用臨近流域替代法對“20170406”“20180420”和“20180807”洪水進(jìn)行檢驗(yàn)，為提高檢驗(yàn)成果的可靠性，利用以上3次洪水的實(shí)測降雨資料和預(yù)報(bào)降雨資料（巴基斯坦國家氣象局提供的流域分區(qū)降雨預(yù)報(bào)）進(jìn)行計(jì)算。

利用卡洛特壩址各場洪水實(shí)測降雨資料和預(yù)報(bào)降雨資料，以及降雨前初始Pa，查P-Pa-R曲線可知各個(gè)區(qū)間降雨時(shí)段凈雨，再根據(jù)各區(qū)單位線進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4～5。

從表5可知，以上3場洪水實(shí)測降雨資料估算洪峰流量與實(shí)際洪峰流量最大相對誤差分別為10%、1.O%和6.1%，預(yù)報(bào)降雨資料估算洪峰流量與實(shí)際洪峰流量最大相對誤差分別為14.5%、1.7%和25.7%?！?0180807”洪水預(yù)報(bào)降雨資料計(jì)算結(jié)果為25.7%，不滿足GB/T 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》允許范圍（降雨徑流預(yù)報(bào)以實(shí)測洪峰流量的20%作為許可誤差），這與預(yù)報(bào)降雨量偏小有關(guān)。其他洪水計(jì)算結(jié)果均較好地預(yù)估了洪峰范圍，滿足規(guī)范要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)流域各區(qū)間3～7d降雨預(yù)報(bào)成果，利用臨近流域替代法可估算卡洛特水電站壩址未來1～3d洪峰流量或洪水漲落趨勢，提前預(yù)報(bào)災(zāi)害性洪水。

4結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)有資料及技術(shù)條件，采用氣象水文相結(jié)合的方法，對卡洛特水電站壩址以上日平均流量進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過洪水檢驗(yàn)，證明該方法正確可行，對提高洪水遇見期具有較好的實(shí)用價(jià)值，主要結(jié)論如下。

（1）按照該方案計(jì)算，上下游洪水都遭遇的最惡劣情況，計(jì)算值一般偏大。

（2）目前所收集的洪水中，雨洪關(guān)系較好的洪水較少，區(qū)間流量折減系數(shù)和日平均流量與洪峰轉(zhuǎn)換系數(shù)還有優(yōu)化空間。

（3）通過“20170406”等洪水實(shí)測降雨和預(yù)報(bào)降雨資料檢驗(yàn)，證明該方法正確可行，能實(shí)現(xiàn)卡洛特水電站1～3d壩址流量預(yù)報(bào)成果的計(jì)算或估算，豐富了卡洛特水電站壩址洪水預(yù)報(bào)手段。

（4）該方法估算壩址洪峰流量準(zhǔn)確率與預(yù)報(bào)降雨量準(zhǔn)確率關(guān)系密切，隨著流域各分區(qū)降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提升，計(jì)算洪峰流量與實(shí)測洪峰流量的誤差將逐漸減小。