浑江流域梯级电站GFS预报结果应用分析

李福威 ，王本德 ，袁晶

（1.国电电力和禹水电开发公司，辽宁 桓仁县 117201；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

1 流域概况

浑江全长432 km2，流域面积为15000 km2。从上至下一次建有桓仁、回龙山、太平哨等电站。桓仁电站坝址以上流域面积为10400 km2，占全流域面积的三分之二。坝址以上河流长247 km，占全河长二分之一强。

该流域属于温带季风型大陆性气候，多年平均降量为876 mm，汛期6～9月降雨量占全年降雨量的70%以上，特大暴雨主要在7，8月发生。降雨成因主要为气团交绥和气压系统影响所至，形成暴雨天气系统计有锋面、气旋或低压、高压边缘及台风四种。流域地形对降雨也起一定作用，即流域山走向、（和）夏季东南风来向垂直和流域地形逐级抬升致使偏南气流流入形成降雨。

桓仁、回龙山、太平山三站的设计引用流量分别为 480 m3/s、330 m3/s、550 m3/s。由于设计上先天不足，回龙山电站满发时引用流量小于上游桓仁电站。桓仁电站满发情况下回龙电站将出现弃水。因此对径流预测是做好浑江流域梯级电站优化调度的关键。只有将将气象预报与水文预报相耦合，延长来水预报的预见期，通过风险调度提高抗洪减灾能力。

2 美国全球预报系统（GFS）

2.1 美国全球预报系统（GFS）简介

GFS（Global Forecasting System），由美国国家环境预报中心研制的全球降水预报模式，该模式是全球应用较为广泛的数值预报业务模式之一。天气在线网站（t7online.com）按照格林威治时间，于每日00、06、12和18时（北京时间为当日08、14、20和次日2时）向公众发布未来1～15 dGFS模式计算的全球各地区降水情况，降水区用等雨量线标出。GFS预报由于是数值预报，克服了人为因素，客观反映实际降雨。

GFS降水预报模型分为两个部分，一部分为预报精度较高的未来1～8 d降水预报模式，以6 h为间隔进行数值预报；另一部分为精度较低的未来9～15 d降水预报模式，以12 h为间隔进行数值预报。为结合旬径流预报，文中重点研究1～10 d降水预报。

2.2 GFS降水数值预报信息的获取

为了分析并使用GFS降水预报数据，需要从网站数据服务器中下载GFS降水预报等值线（面）图，然后对所研究流域，进行降水预报数据的读取和储存。

针对天气在线网站（t7online.com）发布的GFS降水数值预报信息图，首先需要对所研究流域的位置与站点情况进行统计，利用ArcGIS工具将所研究流域的流域图和降水预报信息图进行处理。其次需要设计相应信息数据的自动获取系统，从而实现降水预报图像的自动下载、自动读取降水量数值和自动存储到数据库等功能。其中，降水数值预报信息的获取是通过计算站点所处位置与相邻等雨量线的之间的垂直距离，进行加权平均所得。

3 桓仁水库流域降水数值预报精度

3.1 预报样本

读取桓仁流域10个雨量站点GFS降水预报数据，按面积加权方法计算桓仁流域GFS预报面雨量，以便于与流域实际降水量资料进行比较。

按照收集整理的数据情况，考虑GFS图片下载、读取数据可利用的时效性，选择2001年5月至2010年12月，GFS每日北京时间8:00发布的次日8时开始的未来1～10d预报降水量作为样本（亦与旬调度计划时间协调）。

3.2 GFS各量级预报降水的实际降水量频率分布

据GFS发布的桓仁流域未来1～10 d降水预报信息，分析对应某一量级预报降水的实际降水量频率分布规律。考虑到样本的差异，该研究分析了GFS未来1 d的无、小、中、大雨量级预报降水的实际降水量频率分布；分析了2 d（分四级：Ⅰ级（0～5 mm），Ⅱ级（5～20 mm），Ⅲ级（20～40 mm），IV级（＞40 mm）预报降水的实际降水量频率分布；还分析了GFS未来3～10 d（分四级：Ⅰ级（0～10 mm），Ⅱ级（10～45 mm），Ⅲ级（45～90 mm），IV级＞90 mm）的预报降水量级的实际降水量频率分布规律。

3.2.1 GFS未来1 d预报降水量级的实际降水量频率分布

统计分析桓仁流域GFS未来1 d预报降水量级的实际降水量频率分布成果，如表1所示。可知：

GFS预报桓仁流域未来1 d无雨时，桓仁流域实际发生无雨的频率约为90%；预报小雨时，实际发生小雨及以下量级降水的频率约为91%；预报中雨，实际发生中雨及以下量级降水的频率约为84%；预报大雨，实际发生大雨及以下量级降水的频率约为90%。

表1 桓仁流域GFS未来24h预报降水量级的实际降水量频率分布

3.2.2 GFS未来2 d预报降水量级的实际降水量频率分布

桓仁流域GFS未来48 h预报降水量级的实际降水量频率分布成果，见表2所示。可知：

GFS预报桓仁流域未来2 d降水量为Ⅰ级时，实际降水量为Ⅰ级的频率约75%；预报Ⅱ级时，实际发生Ⅱ级及以下量级降水量的频率约为90%；预报Ⅲ级时，实际发生Ⅲ级及以下量级降水量的频率约为82%；预报IV级时，实际发生IV级及以下量级降水量的频率约为92%。

GFS预报未来1 d和2 d为大雨以下量级降水时，其预报信息可利用。

表2 桓仁流域GFS未来48h预报降水量级的实际降水量频率分布

3.2.3 GFS未来3～10 d预报降水量级的实际降水量频率分布

未来3～10 d预报降水量级的实际降水量频率分布表（本文略），统计分析桓仁流域GFS未来3～10 d的各量级降水预报结果，可得出如下标准：预报降水量级为Ⅰ级，确率80%以上为“可信度很高”、确率70%以上为“可信度较高”、确率60%以上为“可信度中等”、确率60%以下为“可信度较低”；预报降水量级为Ⅱ、Ⅲ级，若以确率和空报一级空报率之和作为可信度指标，则频率85%以上为“可信度很高”、频率75%以上为“可信度较高”、频率65%以上为“可信度中等”、频率65%以下为“可信度较低”。基于此，桓仁流域GFS未来3～5 d的降水预报“可信度较高”，未来6～10 d的降水预报“可信度为中等”。随预见期的增加，桓仁流域GFS降水预报准确程度降低。在实际应用中,对调度决策影响要根据不同时期进行决策。主汛期可采用“可信度中等”作为调度决策依据，后汛期则要采用“可信度很高”为决策依据。

4 实际应用

4.1 来水与决策过程

2013年7月8日，当时水库水位292.37 m，入库流量245.6 m3/s。根据GFS统计预报，未来10日流域平均降雨累计119 mm，降雨概率65%。经过假拟预报，预测出未来流域10 d桓仁水库平均入库流量超过1180 m3/s；结合《7-8月浑江梯级水电站发电组合调度规则集》，当桓仁水库水位在【292，294】m之间，未来入库流量预计超过1000 m3/s时，可以采取桓仁电站机组满发、回龙山电站机组满发并弃水的运行方式，未来流量符合预报规则集标准。由于当时处于主汛期，和禹公司经过会商后决定将桓仁水库机组运行方式调整为满发，回龙山电站开始弃水。

按照常规调度方式，桓仁电站15日开始满发，根据天气预报过程及当时水位情况。这次调度主要提前7 d，当时桓仁水库水位较低，桓仁水库满发，回龙山电站弃水，需要承担一定风险。但主要是主汛期，考虑到GFS预报，预报概率可以在65%以上就可以应用。

实际情况是7月15日浑江流域发生明显降雨过程，18—20日再次出现降雨过程，累计降雨量超过150 mm；7月20日水位达到296.60 m，入库流量4367.3 m3/s；7月20日18时桓仁电站开始弃水。

4.2 效益计算依据

采取预报方式机组提前加大出力，常规方式16日开始加大出力，20日流域发生弃水。在8日到16日期间桓仁机组电量与常规调度方式电量之差为增发效益。桓仁电站机组提前七天满发，减少后期弃水8194.1万m3，由于在桓仁电站满发的情况下回龙山电站已经开始弃水，因此桓仁电站后期减少的弃水，主要是桓仁电站和太平哨电站利用了这部分水量，相当于桓仁、太平哨两电站增加电量1432.2万kW·h，按照上网电价0.347元/（kW·h）计算，相当于增加效益497万元。

表3 采用GFS预报调度与常规调度成果比较表

5 初步结论

从上面应用可以看出：浑江梯级电站应用GFS预报成果效益比较明显。如果预报本次降雨比实际偏小，回龙电站弃水将损失一部分电量，同时增加桓仁水库后期蓄不满的风险。但回龙电站电量损失和梯级增加电量相比，比例较小；桓仁水库后期蓄不满，可以在汛后适当减小桓仁电站机组出力来弥补。在应用中还应不断加强研究，尽量减少因预报失误带来的损失。

［1］梁国华，王国利，王本德，董霞 GFS可利用性研究及其在旬径流预报中的应用［J］.水电能源科学，2009，2.

［2］王国利，彭勇，何斌,梁国华.GFS降雨预报在大伙房水库实时跨流域调水决策的应用研究［J］.水资源与水工程学报 2010，4.

［3］周惠成，唐国磊，王峰，王雅军，蹇德平GFS未来10 d数值降雨预报信息的可利用性分析［J］.水利发电学报，2010，4.

［4］王国利，梁国华，娄莉莉，习树峰.GFS降雨预报信息用于实时跨流域引水决策可行性初析［J］.南水北调与水库科技，2012，2.