金沙江金沙水电站水情预报方案综述

何 开 朝， 单 俊， 杨 珂

(四川省能投攀枝花水电开发有限公司,四川 攀枝花 617068)

1 概 述

金沙江流域地处青藏高原、云贵高原和四川盆地西部边缘，位于东经90°～105°、北纬24°～36°之间，呈东西短、南北长的狭长形状。金沙江中游地处横断山脉地带，地形高差悬殊，地势由北向南倾斜，气候在水平和垂直方向差异很大，立体气候明显，夏秋季节西南暖湿气流加强，降雨偏多，强度较大。多年平均年降水量为300～1 500 mm，多年平均气温为5.6 ℃～14.5 ℃，多年平均年蒸发量为1 490～2 320 mm。据资料统计，金沙江流域丰水期(6～11月)径流量占全年的81.1%，其中7～9月为降雨最集中季节，其径流量占全年的53.9%，枯水期(12月～次年5月)径流量占全年的18.9%，年最小流量多发生在3～4月。

金沙水电站是金沙江中游(石鼓～攀枝花)河段规划“一库十级”中的第九级水电站，上距观音岩电站28.9 km，下距攀枝花中心城区10.3 km,计划于2021年完建。

2 流域水文资料的收集

2.1 流域测站情况

金沙江石鼓～金沙水电站区间面积达44 716 km2，可收集到2014～2016年序列水文资料，共收集到有可用资料的水文站11个，分别为金沙江石鼓、阿海、金安桥、中江、攀枝花水文站、硕多岗河下桥头水文站、五郎河总管田水文站、漾弓江鹤庆水文站、桑园河大惠庄水文站、渔泡江地索水文站、新庄河石龙坝水文站；水库站6个，分别为梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩水库站；3个金沙水电站施工期专用水位站分别为老库滩、导流明渠进口、导流明渠出口水位站；另外有雨量站67个，各站分别隶属于云南省水文局、四川省水文局、长江委水文局和金沙江中游梯级水电开发公司。

2.2 资料的收集与处理

由于各水库运行时间不同，所收集到的水库出、入库资料系列亦不相同，因此，水库入库预报方案使用资料与本水库资料时间一致。受资料条件所限，部分站点在编制方案时能够采纳的同步资料系列较短，暂无法对所编方案进行严格审定和检验。水库预报方案主要采用水库遥测站网资料，水文站预报方案主要使用整编资料，无整编资料时使用报汛资料。

3 预报体系的构建

3.1 预报需求分析

主要研究金沙江中游梯级水电站建成运行情况下的流域产汇流特性和洪水传播特性，根据最新实测水文资料，结合流域水文气象特性和河网分布情况，增加水库预报节点，补充编制和完善已有水情预报方案以提高水情预报的精度，为金沙水电站水情预报工作提供可靠的技术支持和保障。因此，在预报体系构建中，应以金沙江中游流域已建水库为预报对象，系统编制各断面预报方案，预报方案能模拟金沙江石鼓至金沙水电站区间各干流水库的来水和出流。

3.2 预报体系与分区

金沙江石鼓～金沙水电站河段有梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩6座梯级水库。因水库的修建，河道产汇流特性发生改变，为满足金沙水电站水情预报的需要，应建立一套以各梯级水库为控制节点、考虑水库库区洪水传播特性的预报方案体系。

预报方案以金沙江梨园水库、阿海水库、金安桥水库、龙开口水库、鲁地拉水库、观音岩水库为节点，同时，为控制较大支流来水，减少无控区间面积，对有出口控制站的主要支流进行预报方案编制。预报体系见图1。

3.3 水情预报方法模型

水情预报主要包括流域降雨产流预报、流域汇流预报、河道汇流三部分，根据多年实际预报经验，流域产汇流主要适用的模型为API模型及单位线、三水源新安江模型；天然河道演算方案主要适用的为相应流量法、合成流量法。对于水库调洪，一般采用静库容调洪演算方法，可以满足金沙江各主要水库调洪计算需要。

3.3.1 降雨径流模型

API(前期雨量指数)用于流域产流的预报是一种传统的方法。最初，由于该方法主要是针对独立的次洪水产流量计算，故称其为次洪API模型(配合单位线法预报汇流)。

降雨产流量预报是在成因分析与统计相关结合的基础上、用每次降雨的流域平均雨量(P)和相应产生的径流总量(R)以及影响的主要因素(Pa)所建立起来的一种定量相关图，这种经验相关图具有使用简便、精度可靠和便于与专家经验结合、校正等优点。该方案的编制使用三变数P～Pa～R经验相关图。

流域汇流预报是研究流域地面径流、表层流和地下径流如何汇集为出口断面的流量过程。常采用单位线法，系指在特定的流域上单位时段内均匀分布的单位净雨量所形成的流域出口站的地面径流过程线。单位净雨深一般取10 mm，单位时段主要依据流域特性而定，一般取1 h、3 h、6 h。本次方案编制采用单位净雨深R=10 mm、△t=1 h。

3.3.2 河道流量预报

河道流量预报包括相应流量法与合成流量法。

相应流量法是在上、下游断面水位(流量)过程线的同位相水位(流量)之间峰谷特征定量关系及其传播速度的变化规律基础上建立经验相应关系，据此作出由上站水位(流量)预报一定时间后的下站水位(流量)。

合成流量法是在有支流入汇的河段，将干流水文站及支流水文站的相应流量按其到下站的传播时间错开叠加，表示合成后的流量能同时到达下站，从而建立合成流量与下站相应水位(流量)相关图进行预报。

3.3.3 水库调洪

水库调洪是在水量平衡和动力平衡的支配下进行的。水量平衡可表示为水库水量平衡方程，动力平衡可由水库蓄泄方程(或蓄泄曲线)反映。从起调开始，逐时段连续求解这两个方程，即可由入库流量Q-t过程求得出库流量过程q-t,这就是水库调洪计算所遵循的基本原理。在某一时段△t内，入库水量减去出库水量应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量，对此可写出如下水量平衡方程：

式中Q1、Q2为时段Δt始、末的入库流量(m3/s)；q1、q2为时段Δt始、末的出库流量(m3/s)；V1、V2为时段Δt始、末的水库蓄水量(m3)；Δt为计算时段，其长短的选择应以能较准确地反映洪水过程线的形状为原则。

调洪计算的具体方法有很多种，目前最常用的是列表试算法：

(1)根据库容曲线Z-V和拟定的泄洪建筑物类型、尺寸，用水力学公式计算和绘制水库的蓄泄曲线q-V；

(2)分析并确定调洪开始时的起始条件，即起调水位和与之相应的库容、下泄流量。如果是无闸溢洪道，为安全计，在设计条件下均取起调水位与溢洪道堰顶齐平；

(3)从调洪开始，按试算法列表解算各时段末的V2、q2。试算从第一时段开始，逐时段连续进行。对于第一时段的Q1、Q2、q1、V1及△t均为已知，假设q2可由上述水量平衡方程求得V2，由V2在q-V线上又可查得q2’，若q2≤q2’且根据库容曲线Z-V查得Z不超过所限制的库水位，则所假设可作为出库流量；计算出的V2、q2又作为第二时段的q1、V1，再假设q2可由上述水量平衡方程求得V2，如此连续计算下去即得所需要的q-t；

(4)在非常时期(即最高库水位可能达到水库校核水位时)，所点绘的Q-t及q-t过程线应使最大出库流量qm正好落在两线交点处。

利用预报进行预泄，可在洪水到来之前腾出一部分汛限水位以下的库容，从而减少预留防洪库容，增加兴利效益。当水库建立了降雨径流预报方案、在水库得到降雨的情报之后，便可通过产流、汇流计算求出入库的径流过程。水库可以根据预报预先加大泄量，降低水库水位，腾出一部分库容，以便拦蓄洪水，削减洪峰。

汛末抓住蓄水的时机，及时拦蓄洪水余量，使水库水位达到正常高水位，争取汛末水库蓄满非常重要。汛末关闸回蓄的时间通常要根据洪水的特性、水库调度的经济、结合中短期水文预报确定。

4 金沙水电站水情预报方案

4.1 传播时间分析

经对观音岩水电站坝下水位与老库滩洪峰水位建立相关关系并经分析后得知：传播时间为1 h的实际出现概率为10次，2 h的出现概率为12次，3 h的出现概率为2次，4 h的出现概率为1次。采用平均法得出传播时间为1.76 h。使用时需结合降雨径流过程、流量的大小等影响因素合理调整洪峰出现的时间。特征水位相关关系见图2，传播时间分析见图3。

4.2 河道流量预报方案

合成流量法是将各个上游站流量按其各自到

图2 特征水位相关关系图

图3 传播时间分析图

图4 金沙水电站坝上水位与观音岩水电站坝下、新庄河合成流量相关关系图

下游断面的传播时间合成，从而建立上游合成流量与下游站相应流量相关关系来进行下游断面的洪水预报。

金沙水电站水情预报方案的编制是从上游石鼓站至金沙水电站坝上河段。金沙水电站坝址洪水组成主要由上游观音岩水电站的下泄流量与新庄河流量汇流而成。金沙水电站坝上洪峰流量计算公式为：

Q金沙t=Q观音岩t+n+Qt石龙坝t+n

式中n为各站洪峰流量到金沙水电站坝上的传播时间。

4.3 水位预报方案

金沙水电站坝上水位预报采用2016年底截流后～2017年4月与观音岩水电站坝下、新庄河实时流量数据合成后与金沙水电站坝上水位多次洪峰水位样本，建立金沙水电站坝上水位与观音岩水电站坝下、新庄河合成流量水位流量相关关系(图4)。

坝下水位预报采用坝上与坝下水位落差建立相关关系。在使用中根据坝上、坝下水位的变化进行实时修正。

5 结 语

金沙江中游流域梯级水库的建设，改变了金沙江原有的天然河道特性。要做好金沙水电站的水情预报，首先应加强与上游水电站的合作，动态掌握各水电站的调度情况；其次，要不断摸索受水利工程影响后的流域水文特性，进一步完善预报方案；最后，要收集更多的流域水文资料，摸索新的预报方法，不断提高洪水预报精度，延长预报预见期。