丰满水库洪水预报的不确定性分析与建议

姜 涛

（松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春130021）

丰满水库位于吉林市上游24 km 处，控制流域面积42 500 km2，占第二松花江流域面积的55%。白山水库位于丰满水库上游约200 km，控制流域面积19 000 km2，占丰满水库以上流域面积的44.7%。白山、丰满水库总库容168.98×l08m3，占松花江流域内已建成的各类水库总库容（315.00×l08m3）的53.6%，是第二松花江干流上最重要的防洪控制性工程。特别是在2010年，第二松花江发生流域性特大洪水时，白山、丰满水库实施科学精细化联合调度，充分发挥了水库拦洪削峰作用，削减洪峰达79%，有效减轻了下游河段的防洪压力。

1 问题的提出

“科学精细化联合调度”的一个关键环节就是做好丰满水库入库过程预报，预报结果是否准确直接决定了水库调度成败。但在2010年丰满水库实时洪水预报作业过程中，发现多个异常水文现象和突发事件，有的违背自然径流规律，有的对预报调度产生直接影响，截至目前还没有数据可以证明其合理性、规律性及可预测性。对实时洪水预报作业而言，做好不确定性过程分析工作是最大的困难和挑战。本文以2010年发生的多个异常水文现象和事件为例，采用大量实测数据从定性的角度对丰满水库入库过程的不确定性进行分析。主要的异常水文现象和突发事件有：

1）峰量重现期差距过大。2010年7月29日，丰满水库最大6 h 天然入库流量21 000 m3/s，重现期为150年，最大3 d 天然入库洪量28.69×l08m3，重现期为45年。明显呈现峰高量小且量级相差极大现象。

2）雨洪不对应，径流系数大于“1”。据丰满水库统计：2010年丰满水库最大7 d 天然入库洪量47.19×l08m3，重现期为60年，最大7 d 洪量径流系数高达2.83。

3）水文测报设施水毁严重，实时报汛数据缺失严重。据汛后统计：丰满水库以上流域各类报汛站共计46 处，水毁26 处，大多报汛站3 d 之后才恢复报汛，给预报调度带来很大不确定性。

总之，2010年大量实测数据表明：丰满入库流量过程既受到符合降雨径流规律的天然确定性因素的作用，又受到随机因素的影响，是二者过程叠加形成，其产生是十分错综复杂的。因此研究丰满水库预报的不确定性对开展丰满水库预报和调度具有重要意义。

2 不确定性过程模拟

丰满水库实测入库过程是由白山水库出库过程和白山水库至丰满水库区间（以下简称白丰区间）径流过程组合形成。白山水库出库过程一般为已知过程或为常量，因而确定研究的重点是分析白丰区间过程的不确定性。为了分析研究白丰区间过程的不确定性，必须对2010年丰满水库入库过程进行模拟和分解，从中将不确定性过程单独分离出来并对其进行分析研究。

首先，1）假定丰满入库过程由天然径流过程（包含白山水库出库过程）和不确定性过程叠加形成，基于该假定条件的白丰区间不确定过程=丰满水库实测过程（已知）-白丰区间天然径流过程-白山水库出库过程（已知）；2）假定文中采用的新安江模型参数是符合流域特性的，是基本准确的，基于该假定条件的白丰区间天然径流过程是确定的、是符合降雨径流规律的、是可以模拟计算的过程。

然后，利用中国预报系统，采用率定好的模型参数，将2010年整编后的降雨资料作为输入条件，对2010年最大一场洪水过程进行重现模拟，模拟的丰满水库入库实测过程、天然过程、不确定性过程见图1、表1。从计算结果来看：1）不确定性过程最大洪峰流量为3 766 m3/s，峰现时间为7月29日2 时，占丰满水库实测洪峰流量25%。值得注意的是不确定性过程在7月30日14 时开始出现负值，这是由于不确定性过程的实质是人类活动（水库调度等）对洪水过程产生影响的过程，只是一个概念，没有实际物理意义，可以简单理解为：丰满水库最大入库流量出现前，各地防汛指挥部门要求辖区内大中小水库泄洪，洪峰过后开始拦蓄洪水，因而反映在过程线上（图1）就是基本随丰满水库实测过程涨落，在洪水回落一定量级时，水库开始蓄水进而出现负值。2）不确定性过程最大7 d 洪量为1×l08m3，占丰满水库实测最大7 d 洪量（42.28×l08m3）的1.5%。

图1 2010年丰满水库不确定性过程

3 不确定性过程分析

在2010年大洪水过程中出现的不确定性，可以认为是一种随机过程，它出现的时间和大小是不确定的，但又与理论上的随机过程不同。因为大量的中小水库塘坝拦、泄洪水没有任何监测数据，但对丰满水库入库过程的影响是客观存在的事实，因此很难用随机水文学、模糊数学等方法来模拟预测。下面从定性的角度，结合上面的各种分析数据，给出不确定性过程形成的向个原因：

1）部分水库垮坝、水毁形成不确定性过程洪峰。据吉林省水文局洪水调查统计：丰满水库以上小型水库水毁51座，其中桦甸市大河水库垮坝，最大溃坝流量高达5 800 m3/s，对丰满水库时段最大入库流量产生重大影响。在表1中计算的不确定性过程时段长为6 h 的洪峰为3 766 m3/s，基本符合当时流域的水势特征。

2）众多的中小水库和塘坝集中泄洪产生的短历时随机洪水过程是径流系数大于1 的原因之一。当径流系数大于1，也意味着现有的场次降雨径流规律被破坏，人类活动影响作用明显，但从表1中的计算结果可知径流系数略微大于1，主要是文中使用的数据为整编后的降雨数据和调查统计数据，与当时的实际报汛数据有较大偏差，另外与丰满水库使用的报汛站网也有较大关系。虽然不确定性过程总体水量对洪量影响不大，但却是导致丰满水库入库过程“峰高量小”的主要原因之一。

表1 2010年丰满水库不确定性过程分析表

3）由于水文设施水毁严重，实时预报作业时计算的面雨量可能与实际情况相差较大。例如2010年7月27日20时至28日20 时，丰满水库以上流域面雨量实际报汛数据计算为69.6 mm，汛后结合洪水调查数据面雨量计算为88.2 mm，实时报汛数据偏小21%。

4）一些水文现象产生的机理尚未明确。例如：2010年丰满水库在持续高水位状态下，多次出现在无降雨情况下，退水过程变“涨水过程”；2010年8月3日丰满水库入库洪水过程，出现流域基本无降雨，但6 h 入库流量达4 400 m3/s，为此向各有关单位专家进行咨询，但没有明确意见，也无具体推算方法。

4 对洪水预报的影响

丰满水库不确定性过程的形成原因主要是由流域内数量众多的中小型水库、塘坝调蓄洪水以及溃坝洪水组合导致，这种客观事实决定了现有任何技术和方法很难对其进行精细化模拟和预测，在2010年和2013年的实时预报作业过程中，预报员只能根据已发生的现象和经验，并结合当前水势特征来推测或“猜测”不确定性过程的大小和时间，即在确定的预报结果上附加上一定量级的不确定性过程，这种处理方法给开展丰满水库洪水预报工作带来很大的不确定性和风险，但同时也警示我们：今后再发生类似2010年特大洪水，不考虑这种不确定性过程带来的影响，很有可能对调度决策造成重大影响。

5 建 议

精细化调度对预报成果的精度要求很高，而准确的预报成果需要全面的、及时的、准确的数据支撑。目前，第二松花江流域中型水库尚未完全实现汛期报送实时信息制度，小型水库和塘坝的实时信息更加难以掌握，在这种有限的信息量支撑条件下，实现精细化预报是极其困难的。限于多种数据的缺少和部分尚未明确的水文机理，本文从定性的角度，提出3 条建议供从事水文预报和水库调度的技术人员参考。

1）当流域内雨量站累计雨量出现多站超100 mm 时，利用卫星云图等信息修正降雨。应密切关注卫星云图、天气图，及时判断雨量高值区大致范围，若雨量高值区附近没有监测站或监测站较少，实际计算的面雨量必然偏小，在进行预报作业时必须修正流域面雨量。例如：2010年7月27日20 时至28日20 时，白丰区间预报采用的面雨量为118 mm，较实际报汛雨量偏大69.5%。

2）当预报过程较实际过程明显偏小时，且未来几天有较强降水过程时，建议适当对降水过程或洪水过程进行适当放大，放大比例一般控制在10%～25%。因为中小水库及塘坝在主汛期一遇有强降水过程时，一般会提前1～2 d 泄洪，必然导致实测过程明显较预报过程偏大。

3）建议当丰满水库长期维持在高水位时，应密切关注入库过程退水段变化，可能会发生流域无降雨但入库过程“止落回涨”现象，虽然明显与水文规律相背离，但产生的原因目前尚不明确，在预报作业时应注意防范。

6 结 语

本文从定性的角度对丰满水库入库的不确定性进行了分析并给出了一些建议，但限于资料的缺少及模型结构的误差，无法从定量的角度提出具体的解决方案，因而具有一定局限性。随着国家防总对全国中小水库报汛问题的日益重视，在不久的将来实现丰满水库精细化预报正逐渐成为可能。