實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)一體化技術(shù)在西枝江流域的應(yīng)用研究

田兆偉,劉金鳳,張 煒,宋利祥,解河海

(1.廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003;2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院,廣州 510610)

1 概述

西枝江流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，上游為廣東三大山脈之一的蓮花山脈。由于特殊地形地貌及氣候特點(diǎn)，西枝江歷來是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。2013年8月，流域暴雨中心高潭站最大24 h降雨達(dá)到906.0 mm；僅僅時(shí)隔5 a，2018年8月，流域暴雨中心高潭站最大24 h降雨達(dá)到1 056.7 mm，不僅打破2013年8月最大暴雨記錄，更是刷新了廣東省有氣象記錄以來最大24 h降雨的記錄，暴雨洪水嚴(yán)重威脅兩岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果往往只是某個(gè)水文站點(diǎn)某個(gè)時(shí)刻的水位、流量值，也未能與流域水工程調(diào)度有機(jī)結(jié)合，不能較好地將整條河流的洪水演進(jìn)及淹沒過程快速、直觀、形象、動態(tài)的展示出來，防汛決策技術(shù)支持有明顯短板，一套集洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)于一體的西枝江流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)亟需建設(shè)。

2 西枝江流域概況

西枝江是東江第二大支流，發(fā)源于惠東縣寶口鎮(zhèn)左坑村，流經(jīng)惠東縣、惠陽和惠城區(qū)，在惠城區(qū)東新橋匯入東江。流域面積為4 120 km2，河長為179 km，流域內(nèi)大于100 km2以上的支流有10條，有寶溪水、安墩水、白花河、淡水河等。流域上游建有1座大型水庫——白盆珠水庫，總庫容為12.2億m3，控制集水面積為856 km2，占整個(gè)流域的20.7%，是西枝江流域的控制性水利工程。流域中游平山縣城下游附近建有西枝江水利樞紐，為徑流式電站，正常運(yùn)行水位為16.5 m。西枝江流域目前有26個(gè)雨量站，10個(gè)水文(位)站。西枝江流域河流水系、主要水利工程、水文站點(diǎn)分布見圖1所示。

圖1 西枝江流域水系測站分布示意

3 技術(shù)路線

首先，利用流域DEM、防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)1∶10 000地形圖及1∶2 000河道地形圖等提取流域河流水系、劃分分布式預(yù)報(bào)模型網(wǎng)格、防洪保護(hù)區(qū)二維水動力模型計(jì)算網(wǎng)格、一維水動力模型河道剖面等，構(gòu)建數(shù)字西枝江。其次，接入實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)和QPF降雨數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水文氣象數(shù)據(jù)耦合輸入[1-2]。然后，構(gòu)建了基于新安江、TOPMODLE和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種計(jì)算方法的洪水預(yù)報(bào)模塊，各模型計(jì)算結(jié)果經(jīng)交互確認(rèn)后，作為水庫調(diào)度模型和河道演進(jìn)模型輸入。水庫調(diào)度根據(jù)“13.8”和“18.8”調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，分為規(guī)則調(diào)度、水位控制調(diào)度和下泄流量控制調(diào)度3種方式，經(jīng)統(tǒng)籌上、下游和水庫自身三方安全后，確定水庫出庫調(diào)度方案，并作為河道演進(jìn)的上邊界。河道演進(jìn)以水庫出庫、支流洪水預(yù)報(bào)及東江干流嶺下、博羅站為邊界，構(gòu)建了白盆珠水庫壩下～西枝江口的一維水動力模型；兩岸100年一遇洪水位加5 m裕度劃分保護(hù)區(qū)內(nèi)的二維水動力模型網(wǎng)格，一維、二維模型通過耦合邊界的水力連接條件來實(shí)現(xiàn)模型聯(lián)解，二維模型還采用了GPU并行高速計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)淹沒的快速實(shí)時(shí)模擬。最后，結(jié)合無人機(jī)實(shí)景三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域的淹沒模擬可視化。預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)一體化技術(shù)路線示意見圖2，西枝江流域模型構(gòu)建主要節(jié)點(diǎn)示意見圖3。

圖2 西枝江流域預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)一體化技術(shù)路線示意

圖3 西枝江流域預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)建模節(jié)點(diǎn)示意

4 洪水預(yù)報(bào)

洪水預(yù)報(bào)模塊引入概率預(yù)報(bào)理念，除實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)外，還接入了歐洲中心、日本、廣東省氣象局等多個(gè)氣象數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)輸入、水文氣象數(shù)據(jù)有機(jī)耦合；構(gòu)建了新安江、TOPMODLE、基于地形指數(shù)的分布式、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能等多個(gè)模型庫和方案庫，實(shí)現(xiàn)了多模型、多方案的計(jì)算模擬[3-4]。專家交互模塊則可供專家根據(jù)洪水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各模型優(yōu)缺點(diǎn)和適用性、歷史相似洪水特點(diǎn)及專家經(jīng)驗(yàn)等對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行交互修正和驗(yàn)證，并給出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。流域內(nèi)九洲水文站、白盆珠水庫水文站有多年歷史資料，可用于模型參數(shù)的率定，白花河、樓下水等支流無水文觀測站，區(qū)間來水預(yù)報(bào)模型采用九洲站參數(shù)移植方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)率定，九洲、白盆珠水庫新安江和TOPMODLE模型預(yù)報(bào)方案基本可以達(dá)到乙級精度，可用于洪水作業(yè)預(yù)報(bào)，分布式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方案達(dá)到丙級，可用于參考預(yù)報(bào)。九洲、白盆珠水庫新安江和TOPMODLE方案率定見表1所示。

表1 九洲、白盆珠水庫站預(yù)報(bào)方案誤差分析統(tǒng)計(jì)

5 水庫調(diào)度

水庫調(diào)度核心是進(jìn)行水庫洪水的調(diào)洪計(jì)算，即在入庫洪水過程、庫容曲線、泄洪建筑物的形式尺寸確定的條件下，推求下泄流量過程和庫水位過程。本次水庫調(diào)度融入了“2013.08”和“2018.08”兩場特大暴雨洪水的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了規(guī)則調(diào)度、庫水位控制、下泄流量控制等3種調(diào)度計(jì)算模型[5-8]。

規(guī)則調(diào)度是根據(jù)水庫建設(shè)時(shí)的防洪、供水[9]等目標(biāo)，按照設(shè)計(jì)洪水計(jì)算所確定的一套調(diào)度規(guī)則，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，水庫功能或者上下游的保護(hù)對象可能發(fā)生變化，當(dāng)時(shí)的調(diào)度規(guī)則可能不適用現(xiàn)實(shí)情況，或者是理論調(diào)度規(guī)則過于復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)操作可行性較差。

水位控制是給定調(diào)度期內(nèi)入庫洪水過程、水庫始水位和調(diào)洪過程中水位上下限，在考慮各種約束條件下，確定水庫的洪水調(diào)度過程，使得水庫各時(shí)段水位盡量滿足給定的上下限。一般適用于流域暴雨中心在上游時(shí)，上游防洪保護(hù)對象壓力大，以上游水位為主要控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)洪演算。

下泄流量控制是給定調(diào)度期內(nèi)入庫洪水過程、水庫始水位和調(diào)洪過程中出庫流量上下限，在考慮各種約束條件下，確定水庫的洪水調(diào)度過程，使得水庫各時(shí)段出庫流量盡量滿足給定的上下限要求。當(dāng)暴雨中心在下游時(shí)，在保證大壩安全前提下，以下游防洪安全泄量為目標(biāo)，盡量減小淹沒損失，將各時(shí)段水庫出庫流量控制在一定的范圍內(nèi)。

調(diào)度模型還將入庫洪峰、入庫總水量、最高庫水位、最大出庫流量、總出庫水量、攔蓄水量、削峰率等特征值進(jìn)行了實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，大大提高了防洪調(diào)度決策是效率。水庫調(diào)度界面見圖4所示。

圖4 系統(tǒng)水庫調(diào)度示意

6 洪水演進(jìn)

為考慮東江洪水對西枝江洪水的頂托作用[10]，本次對東江干流(嶺下站至博羅站)及西枝江干流(白盆珠水庫大壩～河口)進(jìn)行整體一維水動力建模[11-12]，對西枝江干流兩岸防洪保護(hù)區(qū)進(jìn)行二維水動力建模[13]。東江干流及西枝江干流整體一維水動力模型與防洪保護(hù)區(qū)二維水動力模型通過堤岸進(jìn)行耦合，模擬河道洪水及潰堤、漫堤洪水演進(jìn)過程[14]。

一維水動力模型以水庫調(diào)度模塊的白盆珠水庫出庫流量過程和東江干流嶺下站流量過程為上邊界；以博羅站流量過程為下邊界；以西枝江水利樞紐和東江水利樞紐為內(nèi)邊界。西枝江支流小瀝河、安墩水、樓下河、碧山河、白花河、梁化河、淡水河等支流的洪水預(yù)報(bào)模塊計(jì)算結(jié)果為區(qū)間輸入。根據(jù)西枝江干流和東江干流實(shí)測地形資料，確定河道左、右岸邊界，并以此為界按照與河道主流垂直的方向進(jìn)行河道斷面劃分。一維水動力模型共概化河道河長約160 km，剖分?jǐn)嗝?88個(gè)，斷面間距50～500 m不等。

由于西枝江干流河段較長，為進(jìn)一步提高模型的計(jì)算精度，加強(qiáng)模型的人機(jī)交互，本次還構(gòu)建了以平山為界的分段一維模型，平山站有實(shí)測水位、流量過程，有相對成熟預(yù)報(bào)方案，以其水位、流量為控制邊界，可靠程度會進(jìn)一步提高，并可加強(qiáng)對模型的人工交互校正。一維水動力模型斷面布置示意見圖5。

圖5 一維水動力模型斷面剖分示意

二維模型范圍為白盆珠水庫壩下至河口兩側(cè)防洪保護(hù)區(qū)，按河道堤防或天然河岸、以及100年一遇洪水位加上5 m裕度的地形等高線為界，包括惠東縣多祝鎮(zhèn)、平山街道、白花鎮(zhèn)、平潭圍、馬安圍、惠州大堤南堤防洪保護(hù)區(qū)等，模型范圍面積為787 km2。模型網(wǎng)格按防洪重點(diǎn)關(guān)注河段50 m進(jìn)行控制，其他河段按80 m控制，保護(hù)區(qū)外延邊界按250 m控制，用三角形進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共計(jì)劃分97 660個(gè)單元、51 083個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格最小面積為0.000 7 km2，最小邊長為28 m；網(wǎng)格最大面積為0.04 km2，平均面積為0.008 km2。通過GPU并行計(jì)算技術(shù)，西枝江流域6天洪水過程計(jì)算時(shí)間可在15 min內(nèi)完成。

以“08.6”、“13.8”、“18.8”3場洪水的嶺下、博羅、白盆珠水庫出庫實(shí)測資料為邊界，根據(jù)實(shí)測降雨和預(yù)報(bào)模型計(jì)算安墩水、樓下河、白花河、淡水河等支流來水，以干流多祝、平山、平潭站為控制站，對一維模型進(jìn)行率定。由圖6和圖7可知，計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，其中起漲和退水末段由于受西枝江水利樞紐和東江水利樞紐控制調(diào)節(jié)影響，精度稍差。“18.8”洪水二維模擬淹沒示意見圖8，白花鎮(zhèn)淹沒范圍、水深與洪水調(diào)查結(jié)果基本吻合。

圖6 平山站“08.6”洪水計(jì)算與實(shí)測水位、流量過程線示意

圖7 平山站“13.8”洪水計(jì)算與實(shí)測流量過程線示意

圖8 白花河“18.8”洪水計(jì)算淹沒示意

7 三維淹沒實(shí)景模擬技術(shù)

本系統(tǒng)對西枝江沿岸城鎮(zhèn)進(jìn)行了無人機(jī)傾斜攝影三維建模，并結(jié)合洪水二維水動力模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行洪水淹沒的三維可視化模擬，大大提高了洪水淹沒展示的可視化程度。洪水淹沒三維示意見圖9。

圖9 洪水淹沒三維示意

8 結(jié)語

西枝江流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)融入了多源數(shù)據(jù)輸入、氣象水文耦合及集合預(yù)報(bào)等理念，基于無人機(jī)傾斜攝影、GIS及GPU并行計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了集洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)于一體的流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)體系。系統(tǒng)提高了流域洪水預(yù)報(bào)精度，實(shí)現(xiàn)了河道洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)模擬、自動圈化洪水危險(xiǎn)區(qū)、淹沒三維實(shí)景模擬等功能，流域防汛搶險(xiǎn)決策可視化、自動化等技術(shù)水平顯著提高，為“四預(yù)”和“數(shù)字孿生流域”建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。西枝江流域規(guī)模適中，流域內(nèi)既有大型綜合性水利樞紐工程、有人工干預(yù)的影響，又有相對開發(fā)程度不是太高的天然下墊面狀態(tài)，代表性強(qiáng)，基于其建設(shè)的預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)一體化的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)體系具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。