三峡入库站含沙量预报方法初探与试预报

王世平 王渺林 许全喜 熊金和

(1.长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局, 重庆 400014；2.长江水利委员会水文局, 湖北 武汉 430010)

水文水资源

三峡入库站含沙量预报方法初探与试预报

王世平1王渺林1许全喜2熊金和1

(1.长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局, 重庆 400014；2.长江水利委员会水文局, 湖北 武汉 430010)

为满足三峡水库实时调度和管理需求，针对较小含沙量的预报，初步建立了以上下游站含沙量关系模型为基础、结合短期水雨情预报的三峡入库站含沙量预报体系和方法；提出了含沙量预报精度评价指标；介绍了2012年汛期泥沙试预报情况和预报精度评价结果。评价结果表明，含沙量预报与实际值较贴近，说明建立的预报体系和方法具有较好的可行性和时效性，预报精度满足三峡水库泥沙调度要求。

水库泥沙;水文预报；预报体系；入库含沙量；模型研究；三峡水利枢纽

1 概 述

水库泥沙淤积是三峡水库科学调度所面临的关键问题之一。

目前，三峡水库实时调度和管理所依据的水文气象信息多以水情预报成果为主，缺乏相应的泥沙预报成果。开展三峡入库泥沙预报技术研究工作，不仅可及时掌握了解三峡水库不同预见期内来沙量信息，而且可填补少沙河流上大型水库泥沙预报的空白，对于推动我国泥沙学科发展和水电工程泥沙问题研究均具有重要的理论和应用价值。

近年来，含沙量预报研究主要针对黄河流域，采用的预报方法包括输沙单位线法、响应函数法、神经网络法、水力学法等[1,2]。如针对黄河中游吴堡-龙门区间泥沙量过程的特点，基于统计模型方法，建立了多输入、单输出的龙门站含沙量过程预报方案；针对黄河中游龙门-潼关河段, 建立了基于BP 神经网络的潼关站含沙量过程预报模型，且为提高预报模型的预报精度，利用误差序列建立了相应的误差自回归模型对预报结果进行校正。对三峡泥沙预报主要针对三峡库区，建立了基于一维水沙模型的三峡库区泥沙预报方法和作业预报方案[5,6]。

就入库含沙量预报而言，国内一些专家学者针对黄河小浪底水库尝试进行了洪峰含沙量大小(沙峰含沙量大多在200 kg/m3以上)及峰现时间的预报工作，获得了一定的研究成果和工作经验，但对于长江上游特别是三峡入库主要控制站-小含沙量(沙峰含沙量大多在3 kg/m3以下)的泥沙实时预报尚属空白。

为满足三峡水库实时调度和管理需求，本文提出了以上下游站含沙量关系模型为基础，结合短期水雨情预报的三峡入库站含沙量预报体系和方法，并介绍了2012年汛期泥沙试预报及其精度评价结果。

2 预报体系

三峡水库入库沙量的主要控制站有朱沱、北碚、寸滩和武隆站。根据长江上游流域特性和水情预报分区状况，为了满足泥沙预报需要，将以下几个预报节点作为基本预报控制站，即金沙江的向家坝站；岷江的高场站；嘉陵江的小河坝、武胜、罗渡溪、北碚站；乌江的武隆站；长江上游干流的朱沱、寸滩和清溪场站。预报体系和流程图见图1。

2.1 泥沙报汛方法

传统的悬移质含沙量测量方法具有耗时、耗人力及物力的特点，需经过取样、沉淀、烘干称重等环节，一般需5～7 d才能获取含沙量资料，且资料的时效性不能满足三峡水库入库泥沙预报的要求，因而需要寻求新的方法。

20世纪80年代以来，随着科技的不断进步，各种现场物理快速测沙方法不断涌现，为泥沙实时监测开辟了新的途径，这些方法主要有同位素测沙仪、振动式测沙仪、光电测沙仪及超声波测沙仪等。其中光电测沙仪是利用光的穿透能力、后向反射衍射原理，并将其转化为光电流，通过建立光电流与含沙量之间的关系来测量水体中的含沙量。

常用的一些快速测量含沙量的仪器主要有：基于激光衍射的现场测沙仪(LISST-100X)及基于比浊法的浊度计等。但是这些仪器均不能直接测量含沙量，而是利用其施测的物理量(LISST-100X为激光能量、浊度计为浊度)与含沙量建立相关关系的方法，从而来间接推求含沙量。

现场测沙仪(LISST-100X)在泥沙颗粒较细的情况下，由于激光光束难以穿透水体中的泥沙小颗粒，而导致测量失效。浊度仪(HACH 2100)测沙即通过接收红外辐射光的散射量监测悬浮物质，然后通过相关分析，建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系，进行浊度与泥沙浓度的转化，得到泥沙含量。浊度仪测沙操作简单，能够快速、实时、连续测量。

2010年以来，长江水利委员会(以下简称长江委)水文局在朱沱、寸滩、清溪场、北碚、武隆、黄陵庙、宜昌等三峡水库进出库主要控制站,重点开展了2 000余次悬移质泥沙浊度仪比测试验，以及泥沙实时预报技术的研究工作，通过不断摸索和总结经验，建立了各站含沙量与浊度的非线性回归模型。

2011年5月，开始进行三峡水库主要控制站点的泥沙实时报汛工作。2012年5月起，在上述各个站点,利用浊度仪(HACH 2100)开展泥沙实时监测与报汛工作。

2.2 泥沙预报体系和方法

查阅和研究前人有关研究成果，建立便于操作的预报经验模型，使之适应预报作业中有限信息的实际情况来预报含沙量。下游站点的含沙量主要受上游干支流来水来沙的影响，因此，可以采用上游站含沙量、流量等参数，用水文学方法建立经验相关关系。

本文研究的技术路线为：

(1) 收集相关水文资料，包括流量、含沙量、级配资料等。

(2) 对所收集的资料进行分析，包括洪水流量、含沙量大小、传播时间。

(3) 采用水文学方法建立含沙量预报模型，从可操作性、预报资料的要求和预报效果等方面选定模型。

根据泥沙报汛站监测信息开展泥沙预报，不同站点的预报方法如下。

(1) 上游边界站(向家坝、高场、武胜、罗渡溪、小河坝站)。利用未来48～72 h的流量预报成果，采用根据资料拟合的流量-含沙量相关关系查算,以得到未来含沙量预报。

(2) 北碚站。采用武胜、罗渡溪、小河坝至北碚站上下游含沙量关系模型，考虑传播时间推求北碚站含沙量。当草街电站调度运行时，根据草街电站调度排沙计划分析北碚站含沙量。

(3) 朱沱站。采用向家坝、高场至朱沱站上下游含沙量关系模型，考虑传播时间推求朱沱站含沙量。

(4) 寸滩站。采用朱沱、北碚至寸滩站上下游含沙量关系模型，考虑传播时间推求寸滩站含沙量。

(5) 武隆站。根据上游电站调度排沙计划或结合流量-含沙量相关关系，推算武隆站含沙量。

(6) 清溪场站。采用寸滩、武隆至清溪场站上下游含沙量关系模型，考虑传播时间推求清溪场站含沙量。

3 上下游站含沙量关系模型

根据泥沙预报体系，需要建立向家坝、高场至朱沱；武胜、罗渡溪、小河坝至北碚；朱沱、北碚至寸滩以及寸滩、武隆至清溪场站共4个区间的上下游含沙量关系。合成含沙量计算公式如下：

(1)

按流量传播时间计算合成含沙量。以朱沱、北碚至寸滩区间为例，多年的洪水预报实践证明，该河段的洪水传播时间比较稳定。朱沱至寸滩相距150km，洪水传播时间为14h左右；北碚至寸滩河长为67km，洪水传播时间为6h左右。朱沱、北碚至寸滩区间上游合成含沙量计算公式为

(2)

利用2000年以来径流、泥沙资料，建立上下游站含沙量关系。以朱沱、北碚至寸滩区间为例，按照长江干流朱沱站、嘉陵江北碚站不同来水情况分别建立上下游站含沙量关系。

(1) 长江干流、嘉陵江均涨水情形。共选取203次涨水过程，经分析得出，合成沙峰传播时间为6～12h。朱沱、北碚至寸滩含沙量关系分析见图2(a)，寸滩站含沙量计算公式为

ρ寸滩=0.843 4ρ上游合成+0.133 3，

相关系数R2=0.87

(3)

(2) 仅长江干流涨水情形。共选取92次涨水过程，经分析得出，合成沙峰传播时间为6～12h。朱沱、北碚至寸滩站含沙量关系分析见图2(b)，寸滩站含沙量计算公式为

ρ寸滩=0.899ρ上游合成+0.0305，

相关系数R2=0.89

(4)

4 泥沙试预报

4.1 泥沙预报精度评价指标

应从2个方面检验预报模型，即模型是否可用以及预报结果的精度。通常,以预报结果与实际发生结果的相似程度作为预报精度的评价标准。由于含沙量变化的不确定性因子多于洪水的不确定性因子，目前尚缺乏评价含沙量预报模型性能的合理标准。

参照GB/T22482—2008中关于洪峰流量预报许可误差20%的要求，本次研究确定含沙量预报精度评价指标为：含沙量过程预报许可误差按实测含沙量的30%，预报误差小于许可误差为合格，反之为不合格。沙峰、次洪输沙量预报也按照实测沙峰的30%作为许可误差。

4.2 泥沙试预报结果

利用实时监测滚动资料、水雨情预报结果，结合水库调度方案，在2012年汛期采用上述建立的三峡入库泥沙预报方法进行泥沙试预报工作，并采用泥沙预报精度标准来评价试预报成果。

2012年7～9月共完成36期三峡水库入库泥沙预报。寸滩站24h过程预报平均相对误差为24%，预报合格率为78%。寸滩站2012年含沙量预报对比见图3，预报结果与实测值基本相符。

2012年7～9月库区沙峰主要集中于7月和9月，8月份无较大沙峰出现，其中9月份由于上游地区普降暴雨及二滩水电站下闸放水，寸滩站最大含沙量达到6.06kg/m3(9月5日)。对寸滩站预报的沙峰峰值和峰现时间与实时监测数据进行了对比，结果见表1。寸滩站平均预报误差比为21%，最大误差比为53%(7月18日预报)，平均峰现时间误差为12h，最大峰现时间差为20h。整体沙峰预报合格率为75%。

2012年寸滩站预报输沙总量与实测值(浊度仪报汛数据)对比见表2。2012年寸滩站输沙总量误差比平均为15%，最大预报误差比为36%(7月17～19日输沙总量预报)。整体预报合格率为83%。

5 结 论

考虑到可操作性、预报资料的要求和预报效果，建立了三峡入库站含沙量预报体系和方法，并介绍了泥沙试预报情况。该体系的建立，使入库泥沙预报也能像流量预报一样具有很强的针对性和时效性，可运用于三峡入库泥沙预测，对指导水库泥沙实时调度具有重要的应用价值。

(1) 结合现有泥沙报汛站点状况，提出了三峡入库泥沙预报方法和体系。

(2) 利用2000年以来径流、泥沙资料，建立上下游站含沙量关系模型，实践证明，模型具有较高的精度。

(3) 提出含沙量预报精度评价指标，含沙量过程、沙峰、次洪输沙量预报按照实测值的30%作为许可误差。

(4) 2012年汛期泥沙试预报结果表明：预报方法可操作性强，预报与实际值较贴近，输沙量的预报合格率为83%；预报精度满足三峡水库泥沙调度要求。

(5) 研究的创新点在于针对较小含沙量的预报，构建了以上下游站含沙量关系模型为基础，结合短期水雨情预报的三峡入库含沙量预报体系和方法。

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2015-01-20

三峡水库科学调度关键技术研究2012年课题五“三峡入、出库泥沙预测预报技术研究”(2012020007);国家重点基础研究发展计划(973计划)课题一“长江中游通江湖泊江湖关系演变过程与机制”(2012CB417001)

王世平，男，长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，高级工程师.

1006-0081(2015)05-0011-04

P332.5

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