中國洪水預報系統在賀江流域河庫聯合調度預報中的應用

劉文麗

（廣西壯族自治區水文中心，南寧 530023）

1 流域概況

1.1 流域水系

賀江，西江左岸1級支流，發源于富川縣麥嶺鎮大壩村茗山（又名湖園嶺，海拔430 m）西南麓，經步頭鎮、合面獅水庫、信都鎮和鋪門鎮后，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，河網密度0.222 km/km2。賀江干流上廣西境內現有富陽、賀州、信都水文站。

1.2 水文站網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，實測最大流量966 m3/s，發生于1956年，調查最大流量1700 m3/s，發生于1915年7月8日；信都水文站建于1955年，位于八步區信都鎮，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，實測最大流量5840 m3/s，發生于1994年7月23日，調查最大流量6430 m3/s，發生于1908年；賀州水文站建于2000年，位于賀州市城區，控制流域面積2444 km3（扣除龜石水庫控制面積后區間集水面積為1190 km3），占賀江流域面積的21.1%，平均年徑流量約25.2億m3，實測最高水位105.85 m，發生于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（八步區信都鎮上游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，發電裝機容量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 中國洪水預報系統在賀江流域的應用

2.1 中國洪水預報系統簡介

中國洪水預報系統是水利部信息中心研究開發的一套具有通用性強、功能全面的洪水預報系統，基于規范化、標準化的軟硬件環境和數據庫管理系統，采用模塊化結構的洪水預報系統，集成蓄滿產流模型（SMS）、流域滯后演算法（LAG）、馬斯京根演算法（MSK）等產匯流模型，建立了統一的預報模型庫，采用通用的預報方案構建技術，統一的模型參數率定，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，沿海主要潮位站等構建不同預報方案，在獲取實測雨水情數據及未來降雨量定量分析的基礎上，通過計算機人機交互界面，將入庫預報成果跟水庫指令調度相結合，實現實時交互式作業預報，提高預報的精度并延長預報預見期，滿足各地防洪減災工作對洪水預報的需求[1]。

為了提高賀江流域河庫聯合調度預報精度，并延長預見期，本文就該系統在賀江流域河庫聯合調度預報的應用進行研究探討。

2.2 預報方案構建

2.2.1 方案構建

通過中國洪水預報系統，采用三水源產流模型（SMS_3）、三水源滯后演算模型（LAG_3）、馬斯京根河道分段連續演算（MSK）等產匯流模型構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報方案并進行參數率定和檢驗（賀江流域作業預報示意圖見圖2）。以合面獅水庫預報方案構建為例進行說明，其他各站不再一一列出。

圖2 賀江流域作業預報示意圖

預報方案設置2個方案輸入：賀州（80900150）和區間809007001A（賀州站集水面積2444 km2，合面獅水庫集水面積6260 km2，兩個站的區間控制面積3816 km2）。賀州站輸入采用馬斯京根模型（MSK），區間輸入采用蓄滿產流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3）；圈化流域邊界，各雨量站控制權重采用泰森多邊形法。方案計算時段為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流模型、三水源滯后演算模型；

方案輸入：賀州（80900150）和區間809007001A以金腰口、里松等31個雨量資料方案輸入；

方案輸出：合面獅水庫入庫流量過程。

（2）方案屬性

預報站碼：合面獅；

時段長度：1 h；

預見期：72個時段；

預熱期：30 d；

輸出類型：入庫流量；

輸入個數：2個；

輸入類型：1個河道輸入和1個流域輸入。

2.2.2 參數率定

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

首先率定流域蒸散發折算系數K，K的參數率定通常將目標函數固定為多年水量平衡再計算而得，選取至少連續4年資料進行率定，率定結果見圖3。率定K值后，采用單純形法，目標函數設定為確定性系數，選取有較大場次洪水年份資料進行其他參數率定并進行檢驗計算。合面獅水庫預報方案率定期及檢驗期場次洪水統計見表1。

表1 合面獅水庫預報方案率定期及檢驗期場次洪水統計表

圖3 合面獅水庫流域蒸散發折算系數K率定結果圖

2.2.3 方案評定

預報方案精度按《水文情報預報規范》（GB/T 22482—2008）進行評定，擬合精度以該規范規定的兩種目標函數表達為標準，即確定性系數準則和合格率準則[2]。確定性系數DC主要用于對洪水過程預報進行評定，合格率QR主要用于對洪峰流量預報進行評定。降雨徑流預報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差。預報項目的精度按合格率或確定性系數的大小分為3個等級，預報項目精度等級按表2規定確定。

表2 預報項目的精度

由表1可知，水量平衡，率定確定性系數0.845，檢驗確定性系數0.874，洪水過程擬合效果良好，各參數符合該地區的洪水特性，據4年實時資料4場洪水率定結果統計，3場洪峰流量誤差小于20%，合格率為75%，評定該預報方案為乙級，可用于洪水作業預報。

3 實例應用

采用中國洪水預報系統，對賀江流域富陽、賀州水文站及龜石、合面獅水庫進行預報方案構建，計算時段長KK均選為1 h，方案構建后，可進行流域作業預報，即從實時庫自動獲取實時雨水情數據，同時獲取降雨數值預報成果，從賀江上游富陽水文站河段流量預報至下游合面獅水庫入庫流量預報，并結合水庫調度指令，實現賀江流域河庫人機交互作業預報。以賀江流域2019年6月洪水為例，采用中國洪水預報系統進行河庫聯合調度實例應用。

3.1 暴雨洪水概況

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

3.2 河庫聯合調度預報

河庫聯合調度的基本思路，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安全泄量控制下泄，當庫水位達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，當最大入庫流量出現后，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行[3]。

本次降雨過程，從2019年6月12日18時開始～13日02時主雨峰止，啟動中國洪水預報系統，選擇流域作業預報，預報時間選擇6月13日02時，對流域內雨量站、水文（位）站水位流量及水庫站出入庫流量數據進行質量檢查，自動獲取歐洲氣象中心未來7d降雨數值預報，從上游至下游依次進行人機交互河庫聯合調度預報。

首先對富陽站進行作業預報，只有一個區域輸入，調整LAG匯流參數及CS、SM產流等敏感參數，最優擬合起漲段預報與實測流量過程線，預計富陽站將于2019年6月13日04時前后出現650 m3/s左右的洪峰流量。

選擇富陽站最新預報成果作為龜石水庫預報上游輸入，進行輸入貢獻分析，調整相關敏感參數，預報龜石水庫在6月13日09時前后出現1170 m3/s左右的最大入庫流量，對龜石水庫進行指令調度，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時龜石水庫出現最大入庫流量1170 m3/s時，則從6月13日09時起，開始逐步加大下泄流量至500 m3/s，預計6月14日22時前后出現181.57 m左右的最高庫水位，6月14日23時起按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。

根據龜石水庫預報結果，預報下游賀州站河道流量過程，調整LAG、CS等敏感參數，最優擬合賀州站起漲段及前期流量過程線，預計賀州水文站將于6月13日09時前后出現830 m3/s左右的洪峰流量，洪峰水位104.00 m左右（見圖5），保存結果，以便用于下游合面獅水庫入庫流量預報。

圖5 賀江流域作業預報賀州站預報結果圖

根據賀州水文站預報成果，預報合面獅水庫入庫流量過程。重新選擇預報時間6月13日04時（合面獅入庫水位起漲段），對合面獅水庫進行單站作業預報。首先進行輸入貢獻分析，調整相關敏感參數，預報合面獅水庫在6月13日10時前后出現3700 m3/s左右的最大入庫流量，對合面獅水庫進行指令調度，為保證下游防洪安全，從6月13日04時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，預計6月13日16時前后出現88.60 m左右的最高庫水位，保存預報結果（見圖6）。

圖6 合面獅水庫預報及指令調度過程圖

3.3 預報結果分析

6月12日～14日洪水期間，采用中國洪水預報系統對賀江流域進行河庫聯合調度，預計合面獅水庫6月13日10時前后出現3700 m3/s左右的最大入庫流量，6月13日16時前后出現88.60 m左右的最高庫水位，超汛限水位2.6 m左右；實測合面獅水庫實際于6月13日14時出現3820 m3/s的最大入庫流量，于6月13日14時出現88.12 m的最高庫水位，超汛限水位2.12 m。此次河庫聯合調度將實際上游來水量約3800 m3/s的洪水削峰至2700 m3/s，降低了下游賀州八步區、廣東南豐水文站洪峰水位約1.0 m，防洪效果顯著。

此次預報結果最大入庫流量及最高庫水位預報精度均在預報許可誤差內，預報時間誤差較大，原因可能為受水庫錯峰控泄影響。

4 結語

采用中國洪水預報系統編制賀江流域各主要水文站、水庫站預報方案，自動獲取未來7 d降雨數值預報成果及實時雨水情數據，通過流域河庫聯合調度預報，通過人機交互功能，提高了預報的自動化水平，有效延長了預報的預見期，提升了預報的精度，為水庫提前研判雨水情形勢，水庫調度科學決策，緩解下游防洪壓力，減少人民群眾生命財產損失提供了更有力的信息支撐，對研究入庫洪水預報方法及河庫聯合調度預報有一定參考價值。