巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預報系統設計及運用

劉啟松　鄧頌霖　徐志　劉應武　周苗

摘要：針對巴基斯坦卡洛特水電站施工期洪水預測預報問題，結合吉拉姆河流域特性，設計了巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預報系統。對預報系統結構、重要數學模型以及運行流程進行了介紹，并利用“20180420”和“20180807”洪水對預報系統的精確性進行了檢驗。結果表明：卡拉斯-帕坦區間兩場洪水平均洪峰相對誤差和峰時誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特壩址區間兩場洪水平均洪峰相對誤差和峰時誤差分別為0.55%和0.5h，結果均滿足要求。巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預報系統能較好地對汛期洪水進行預報，為卡洛特水電站施。工期防洪度汛提供了科學依據和技術保障。

關鍵詞：洪水預報系統;實時洪水預報;卡洛特水電站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中圖法分類號：P338 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.002

1研究背景

洪水預報系統在國內研究開發已超過30a[1]，一開始通過研究國外系統總結技術經驗，經過不斷探索，開發了大量洪水預報系統并不斷對其優化，如長江流域防洪調度系統2和黃河防洪調度決策支持系統引等洪水預報系統在我國流域防洪調度上發揮至關重要的作用。這些系統通過分析研究洪水特點及河床變形規律，采用水文學、水力學、河流動力學等相結合的方法，建立符合流域實際情況的洪水預報經驗方案和數學預報模型，輸人雨情和水情等信息，可對洪峰、洪量等洪水要素進行預報，為各級防汛指揮部門]提供決策依據4。

卡洛特水電站是“一帶一路”首個大型水電投資項目，也是“中巴經濟走廊”首個水電投資項目5。目前卡洛特水電站處于施工關鍵期且汛期洪水較多，因此對施工期洪水預報要求較高。為保證預報精度，預報員常需對多種預報模型計算結果進行對比，作業難度大且繁雜。為解決該水電站施工期洪水預測預報這一難題，提升預報員作業效率和精度，開發了卡洛特水電站實時洪水預報系統。本文重點介紹當前該系統設計思路、使用的方法及效果，并討論了系統面臨的問題和挑戰。

2卡洛特水電站實時洪水預報系統

卡洛特水電站實時洪水預報系統主要分為預報方案構建預報系統管理和洪水作業預報三大模塊（見圖1）。建設思路主要是以實時雨水情數據庫、歷史洪水數據庫、地理空間數據庫、氣象數據庫等信息資源作為基礎，依托計算機網絡環境，遵循統一的技術構架，具有系統管理、預報模型管理預報方案管理、模型參數率定實時交互式預報及河系洪水預報、預報評估等功能6。

2.1預報方案構建

卡洛特水電站實時洪水預報系統對壩址進行的水文預報是由千流河道流量演算和區間小流域降雨徑流預報方案組成。根據該電站壩址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，將壩址以上流域劃分為8個降雨徑流計算小區，吉拉姆河流域站網分布見圖2。

根據降雨徑流分區和分區預報方法，針對不同降雨徑流計算區間，預報模型計算與修正系統水文模擬計算和洪水演算的方法也不同。當前卡洛特水電站實時洪水預報系統中的預報模型與修正系統由多個部分構成，根據不同區間預報方法，系統可分成以下幾個部分。

（1）氣象預報。卡洛特水電站實時洪水系統中沒有氣象模型提供定量降雨預報，因此，定量降雨預報由巴基斯坦國家氣象局（PMD）提供。

（2）水文模擬。使用實時雨量與定量預報降雨值預測徑流量。使用的模型主要有API方法，單位線（UH）演算和新安江模型（XAJ）。

（3）洪水演算。使用模型預測徑流和實測徑流作為邊界條件，應用多個水力學模型和統計模型洪水演算程序計算不同站點的水位和流量。使用的模型有馬斯京根法，相關圖方案和水位流量關系轉換。

（4）參數率定。采用人工試錯和自動優選2種模型參數率定方式，對水文模擬模型和洪水演算模型參數進行率定，并將流域特征參數、屬性和率定后的模型參數配置到定制的預報方案中，構成應用支撐平臺中的方案實現類庫。

（5）后驗分析。即人工對模型結果進行分析的過程。結合不同模型給出的預報結果，考慮到人類活動或天氣動力帶來的不確定性，最終確定預報值，這是當前卡洛特洪水預報系統中非常重要的一不。

2.2預報系統管理

卡洛特水電站實時洪水預報系統具有完善的用戶管理、預報模型管理、預報方案管理和水文站點管理功能。

（1）數據管理。可對實時雨水情數據庫中的錯誤數據、輸入缺報的實時雨水情、假定的未來雨水情數據以及預報模型參數進行輸入和修改。

（2）水文站點管理。分為系統站點管理和方案站點管理2個部分。系統站點管理主要是在電子地圖上增加、刪除、修改水文站點的屬性;方案站點管理主要是管理預報方案中所用的預報根據站，定義區域輸入中用于計算面雨量的雨量站號，定義流量站的流量組合關系，由一般用戶管理。

（3）預報模型管理。可增加、刪除、修改預報模型，由管理員管理。

（4）預報方案管理。可刪除、修改預報方案及其屬性，由一般用戶管理。

2.3洪水作業預報

作業預報是卡洛特水電站實時洪水預報系統最主要的組成部分，依據人工輸入的流域定量降雨頁報、上游斷面洪水預報等數據做出預報斷面洪水預報。預報人員可根據實際需要選擇預報河系和預報斷面。實時洪水預報系統預報河系可選擇吉拉姆河尼拉姆河以及昆哈河，預報斷面有以下兩種選擇方式。

（1）河系洪水預報。在某一河河選擇多個預報斷面，每個斷面一個方案一次連續運算，即下游斷面依據上游斷面當次的預報結果進行預報。

（2）交互預報。在某一河系選擇一個預報斷面，多個預報方案一次運行。

根據原預報結果和最新的實測資料，需對洪水.預報結果進行實時校正以提高預報精度，還需要結合預報員經驗和預報會商，對模型計算的預報結果進行綜合分析，并提供對外發布的預報結果。

3實例計算

目前，卡洛特洪水預報系統由多種模型和方法組成，結合氣象預報，水文模擬和水力學洪水演算，加之預報員經驗分析，可為卡洛特水電站壩址提供6～12h洪水預報。在利用歷史資料對預報系統中的模型進行參數率定與驗證后，為驗證實時洪水預報系統預報洪水的可靠性和實用性，選取“20180420”和“20180807”洪水（見圖3～4）為典型洪水，利用該系統對吉拉姆河流域卡拉斯-帕坦區間和帕坦卡洛特壩址區間洪水進行檢驗，對洪峰、峰現時刻的相對誤差進行統計，最終評定總體效果見表1～2以及圖5～6。

由上述圖表可以看出，卡拉斯-帕坦區間檢驗*20180420”和“20180807”洪水的洪峰平均相對誤差和峰現誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特區間檢驗這兩種洪水的洪峰和峰現誤差分別為0.55%和0.5h，方案總體效果良好，預報洪水趨勢基本與實況洪水一致。計算洪峰流量值和峰現誤差與實況相差較小，洪峰預報、峰現時間預報效果良好。

4結語

本文介紹了卡洛特水電站實時洪水預報系統的結構、模型和運行流程，并利用2018年兩場典型洪水對系統預報的準確性進行了檢驗。實踐表明，卡洛特水電站實時洪水預報系統為吉拉姆河流域卡洛特水電站施工期提供了有效的洪水預報，預報精度滿足GB/T22482-2008《水文情報預報規范》們對洪峰和峰現時間預報精度的要求，可為卡洛特水電站施工期順利度汛提供科學依據和技術保障。

預報模型的參數直接影響洪水預報的精度，但由于近3a典型洪水較少，導致預報模型的參數未達到最優。隨著資料積累，洪水次數的增加，后續將對預報模型中的參數進行進一步優化，不斷提升卡洛特水電站洪水預報系統的洪水預報精度。

參考文獻：

[1]謝鳴超.基于新安江模型的洪水預報系統設計與實現[D].南昌：南昌航空大學，2018.

[2]喻杉，羅斌，張恒飛.長江流域防洪調度決策支持系統設計初探[J].人民長江，2015，46（21）：5-7，26.

[3]任偉，魏軍，楊濤.黃河防洪調度系統應用與展望[J].中國防汛抗旱，2011，21（3）：49-51.

[4]包為民.水文預報[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[5]鄧頌霖，楊軍，邴林，等.巴基斯坦卡洛特水電站施工期水文氣象服務實踐[J].水利水電快報，2019，40（8）：13-16，34.

[6]陸玉忠，胡宇豐，李匡，等.水電站施工期洪水預報系統設計與開發[J].水利水電技術，2017，48（4）：30-34.

[7]GB/T22482-2008水文情報預報規范[S].

（編輯：唐湘茜）