克孜尔水库洪水调度系统在防洪减灾中的应用

张宏科

（新疆克孜尔水库管理局，新疆库车842313）

0 前言

新疆克孜尔水库洪水调度系统于2000年汛前投入试运行，同年9月23日通过了国家防总组织的预验收，并于2003年1月9日通过了自治区防总组织的终验，项目竣工决算总投资161.7万元。

克孜尔水库洪水调度系统在渭干河上游16637 km2的流域面积上布设了6个水位站和13个雨情站点，且多数雨量站点布设在海拔2000 m左右的前山区。目前系统已经过10个汛期的运行。

1 系统功能结构

（1）信息采集传输子系统：遥测自动收集水雨情信息、超短波信息，自动解码与数据核查、滤错，水雨情动态监视与报警，数据上传、下载等功能模块。

（2）洪水预报子系统：通过建立洪水预报模型库，应用预报成果实时修正技术，实现自动与人工交互预报，进行实时交互式洪水预报与假拟未来降雨洪水预报。包括水雨情数据处理、实时洪水预报、假想洪水预报、预报成果管理等功能模块。

（3）洪水调度子系统：建立调度模型库，实现自动与交互两种方式推求水库的洪水调度方案，并对方案进行多目标模糊优选，提供快速方便的洪水调度决策辅助功能。包括常规经验调度、交互式洪水调度、水库优化调度等功能模块。

（4）数据库管理及信息服务子系统：在数据库的设计和开发中采用Client/Server结构体系，使系统既可用于网络系统，又可用于单机系统，便于系统的集成。包括水雨情数据处理、水雨情数据查询、水雨情数据报表、数据图形查询等功能模块。

2 技术创新点

（1）根据克孜尔水库流域的水文地理和气象特征，按分块流域分别应用大伙房汇流模型、变时段汇流模型和广义相关融雪模型;利用经验单位线、模式单位线、马斯京根法和合成流量法，研制了考虑上游水利工程影响的入库洪水计算方法、洪水预报模型库、实时洪水预报综合修正技术；开发了基于图形界面的实时交互综合修正、假拟降雨预报等交互式标准功能模块。

（2）研制开发了规划调度、优化调度、闸门控制调度等水库洪水调度模型；建立了克孜尔水库洪水调度模型库；实现了模型与经验有机结合的洪水调度决策技术和多阶段多目标水库防洪调度决策的模糊优选模型技术。用户可依据不同的约束条件生成洪水调度方案，通过人机交互方式灵活多样、直观方便地实现洪水模拟仿真、多方案优选，为会商决策提供技术支持。

（3）创建数据库事务对象实现多个模型和数据源的自由选择。允许各个水库或防洪控制点断面所在河流增加系统没有提供的预报模型，或原来预报模型的变异。在系统使用环境上，通过对数据库数据流的有效划分，系统可非常方便地应用于单机或网络系统，以适应所在流域计算机应用环境。

（4）系统可扩展性和可移植性处理方法。通过优化的数据库设计和面向对象编程，使系统适应复杂的环境变化，具有很好的可扩展性。

3 应用情况及效益分析

3.1 洪水预报精度及削峰率统计

系统2000年6月投入运行以来，成功预报并拦蓄大于4年重现期流量400 m3/s的洪水共计5次、10年重现期流量1312 m3/s的洪水共计6次、仅次于20年重现期流量1885 m3/s的洪水2次、50年重现期流量2718 m3/s的洪水1次、100年重现期流量3380 m3/s的洪水2次。表1为对2001～2010年发生的洪峰流量大于1000 m3/s的6场次洪水所做的预报精度分析。表1反映出：洪峰流量平均预报精度为88.2%，洪水总量预报精度为82.6%，平均预见期为8 h，该洪水预报系统对渭干河洪水的预报是可信的，其预报成果具有较高的应用价值。

表2统计了2001～2010年6场次洪水发生期间的水库削峰率。数据表明，水库通过预泄、削峰等综合调度后，削峰率至少在63%以上，既确保了水库工程安全度汛，又减轻了下游库车、沙雅、新和三县的防洪压力，保证了防洪区内人民的生命财产及交通、水利、石油等重要基础设施的安全，防洪减灾效益显著。

3.2 实例分析

克孜尔水库洪水调度系统在2010年“7·29”大洪水中发挥了重要作用，为决策者正确决策提供了强有力的支持，创造了明显的效益。

表1 2001～2010年实际作业预报精度统计表Table 1:Accuracy of flood forecast during 2001～2002

（1）防洪效益

进入2010年7月下旬、8月上旬以来，水库坝址以上盆地降雨偏多，平均降雨量均达到或超过历史同期最高水平，其中单站日降雨量达65.0 mm。水情自动测报系统及时、准确地为洪水预报、洪水调度工作提供了水、雨情信息，大大增长了洪水预见期。从7月29日～8月3日，共进行了11次洪水预报，均做出了相应洪水调度方案，增长洪水预见期8～48 h，为上级防汛部门的调度决策提供了科学依据。

2010年“7·29”洪水使克孜尔水库洪水调度系统经历了实践的检验。经克孜尔水库工程经济效益评价，2010年水库防洪减灾效益为43.23亿元。按常规划分，非工程措施效益即洪水调度系统效益占防洪总效益的5%～10%，按7%计为3.03亿元。可见洪水调度系统的防洪效益是显著的。

表2 2001～2010年洪峰1000 m3/s以上洪水削峰率统计表Table 2:Peak cut for the floods above 1000 m3/s during 2001～2010

（2）发电效益

7月29日8 时～9月20日8时水库泄流期间，电站4台机组基本满发，累计发电1224.0万kW·h，合人民币294.0万元。汛末根据实际情况，经科学调度，逐步减小泄量并及时关闸蓄水，减少了弃水，使水库超蓄0.40亿m3，此水量可增加灌区秋灌供水量。

（3）社会效益

在“7·29”大洪水中，水库不仅保护了渭干河下游库车、新和、沙雅3个县24万ha农田、塔河油田、70万人的生命财产安全，而且确保了314国道、南疆铁路、南疆通讯光缆的畅通。

在抗御2010年渭干河流域重现期百年大洪水中，利用该系统共完成洪水预报（包括实时修正、假拟降雨预报）11余次，洪水过程预报合格率达90%以上，及时生成数十个调度方案，优化出4个，极大支持了调度决策，为下游抗洪抢险赢得了宝贵时间，取得了显著的社会效益和经济效益。

4 应用中存在的问题

（1）水库上游流域缺少土壤含水量监测点,在洪水预报中,不能及时准确得到土壤饱和程度数据,影响洪水预报的准确性。

（2）现有的洪水预报模型在汇流计算时未采取流域划分水源（划分地面水、壤中水和地下水三种水源）的方法；同时未根据克孜尔水库的实际情况将汛期划分为前汛期、主汛期和后汛期几个阶段，在各个阶段确定几条不同的经验单位线推算出流过程，而是采用一条经假定、均化、概化的单位线推算流域出流过程，与流域实际情况不完全相符。

（3）克孜尔水库流域为地形变化较大的山区,降雨、蒸发等水文要素时空分布差异较大。但模型中雨量站点在易产生降雨的黑孜河、卡拉苏河上游布置过于稀疏,无法真实反映降雨的空间分布不均匀性。如黑孜河上游黑孜站控制面积为3342 km2,卡拉苏河上游卡拉苏站控制面积为1114 km2,权重控制如此大的雨量站,暴雨发生时很难真实反映雨量的分布,使预报产生较大的误差。

（4）①在率定模型参数的过程中,融雪计算未利用气象部门提供的历年山区降雪量、降雪范围、雪线高度、高空零度层等资料对融雪模型参数实时进行修正。②汇流计算没有考虑到流域的调蓄作用,致使计算成果与实测系统产生偏差。③模型未充分考虑退水曲线呈季节性变化及小洪水与大洪水、孤立洪水与连续洪水退水规律不同等因素，模型中采取统一退水曲线，计算得R（透水面积上的产流量）与实际值不相符合。

5 建议

根据克孜尔水库的实际情况及多年的洪水预报经验，做出了符合渭干河流域洪水产生机理及特点的分布式洪水预报模型,一方面为水库安全度汛、防洪调度提供科学参考，另一方面为汛末水库蓄水提供参考依据。为提高洪水预报精度，建议:

（1）建立卡尔曼滤波模型参数修正，依据卡尔曼滤波在水文预报方面的应用成果，利用已建立的各支流水位站出口断面流量，对各预报子单元预报值进行实时修正。

（2）利用GIS空间数据处理功能,采用数字高程模型推求流域平均汇流路径长度和坡度等特征值，对流域的汇流做更准确的数值模拟和应用分析。

（3）在现有雨水情遥测系统的基础上,在卡拉苏河、黑孜河上游易产生暴雨洪水的区域适当增设雨量站,更好地预报雨量在空间上的不均匀分布。

6 结语

克孜尔水库洪水调度系统是水利建设专项基金项目，是该基金项目在我国西北地区第二批试点水库建设项目，系统中的几项关键技术均属开创性研究。该系统从根本上解决了以前克孜尔水库实时洪水预报、洪水调度中存在的靠手工计算、凭经验决策的状况，增强了克孜尔水库洪水预报、洪水调度决策的实时性和科学性。同时，克孜尔水库洪水调度系统不仅理论上先进，且有非常好的实用性，研究成果可以推广应用到类似大、中型水库的防洪调度决策中，其推广应用前景非常好。■