巴基斯坦卡洛特水电站实时洪水预报系统设计及运用

刘启松　邓颂霖　徐志　刘应武　周苗

摘要：针对巴基斯坦卡洛特水电站施工期洪水预测预报问题，结合吉拉姆河流域特性，设计了巴基斯坦卡洛特水电站实时洪水预报系统。对预报系统结构、重要数学模型以及运行流程进行了介绍，并利用“20180420”和“20180807”洪水对预报系统的精确性进行了检验。结果表明：卡拉斯-帕坦区间两场洪水平均洪峰相对误差和峰时误差分别为11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特坝址区间两场洪水平均洪峰相对误差和峰时误差分别为0.55%和0.5h，结果均满足要求。巴基斯坦卡洛特水电站实时洪水预报系统能较好地对汛期洪水进行预报，为卡洛特水电站施。工期防洪度汛提供了科学依据和技术保障。

关键词：洪水预报系统;实时洪水预报;卡洛特水电站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中图法分类号：P338 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.002

1研究背景

洪水预报系统在国内研究开发已超过30a[1]，一开始通过研究国外系统总结技术经验，经过不断探索，开发了大量洪水预报系统并不断对其优化，如长江流域防洪调度系统2和黄河防洪调度决策支持系统引等洪水预报系统在我国流域防洪调度上发挥至关重要的作用。这些系统通过分析研究洪水特点及河床变形规律，采用水文学、水力学、河流动力学等相结合的方法，建立符合流域实际情况的洪水预报经验方案和数学预报模型，输人雨情和水情等信息，可对洪峰、洪量等洪水要素进行预报，为各级防汛指挥部门]提供决策依据4。

卡洛特水電站是“一带一路”首个大型水电投资项目，也是“中巴经济走廊”首个水电投资项目5。目前卡洛特水电站处于施工关键期且汛期洪水较多，因此对施工期洪水预报要求较高。为保证预报精度，预报员常需对多种预报模型计算结果进行对比，作业难度大且繁杂。为解决该水电站施工期洪水预测预报这一难题，提升预报员作业效率和精度，开发了卡洛特水电站实时洪水预报系统。本文重点介绍当前该系统设计思路、使用的方法及效果，并讨论了系统面临的问题和挑战。

2卡洛特水电站实时洪水预报系统

卡洛特水电站实时洪水预报系统主要分为预报方案构建预报系统管理和洪水作业预报三大模块（见图1）。建设思路主要是以实时雨水情数据库、历史洪水数据库、地理空间数据库、气象数据库等信息资源作为基础，依托计算机网络环境，遵循统一的技术构架，具有系统管理、预报模型管理预报方案管理、模型参数率定实时交互式预报及河系洪水预报、预报评估等功能6。

2.1预报方案构建

卡洛特水电站实时洪水预报系统对坝址进行的水文预报是由千流河道流量演算和区间小流域降雨径流预报方案组成。根据该电站坝址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，将坝址以上流域划分为8个降雨径流计算小区，吉拉姆河流域站网分布见图2。

根据降雨径流分区和分区预报方法，针对不同降雨径流计算区间，预报模型计算与修正系统水文模拟计算和洪水演算的方法也不同。当前卡洛特水电站实时洪水预报系统中的预报模型与修正系统由多个部分构成，根据不同区间预报方法，系统可分成以下几个部分。

（1）气象预报。卡洛特水电站实时洪水系统中没有气象模型提供定量降雨预报，因此，定量降雨预报由巴基斯坦国家气象局（PMD）提供。

（2）水文模拟。使用实时雨量与定量预报降雨值预测径流量。使用的模型主要有API方法，单位线（UH）演算和新安江模型（XAJ）。

（3）洪水演算。使用模型预测径流和实测径流作为边界条件，应用多个水力学模型和统计模型洪水演算程序计算不同站点的水位和流量。使用的模型有马斯京根法，相关图方案和水位流量关系转换。

（4）参数率定。采用人工试错和自动优选2种模型参数率定方式，对水文模拟模型和洪水演算模型参数进行率定，并将流域特征参数、属性和率定后的模型参数配置到定制的预报方案中，构成应用支撑平台中的方案实现类库。

（5）后验分析。即人工对模型结果进行分析的过程。结合不同模型给出的预报结果，考虑到人类活动或天气动力带来的不确定性，最终确定预报值，这是当前卡洛特洪水预报系统中非常重要的一不。

2.2预报系统管理

卡洛特水电站实时洪水预报系统具有完善的用户管理、预报模型管理、预报方案管理和水文站点管理功能。

（1）数据管理。可对实时雨水情数据库中的错误数据、输入缺报的实时雨水情、假定的未来雨水情数据以及预报模型参数进行输入和修改。

（2）水文站点管理。分为系统站点管理和方案站点管理2个部分。系统站点管理主要是在电子地图上增加、刪除、修改水文站点的属性;方案站点管理主要是管理预报方案中所用的预报根据站，定义区域输入中用于计算面雨量的雨量站号，定义流量站的流量组合关系，由一般用户管理。

（3）预报模型管理。可增加、删除、修改预报模型，由管理员管理。

（4）预报方案管理。可删除、修改预报方案及其属性，由一般用户管理。

2.3洪水作业预报

作业预报是卡洛特水电站实时洪水预报系统最主要的组成部分，依据人工输入的流域定量降雨页报、上游断面洪水预报等数据做出预报断面洪水预报。预报人员可根据实际需要选择预报河系和预报断面。实时洪水预报系统预报河系可选择吉拉姆河尼拉姆河以及昆哈河，预报断面有以下两种选择方式。

（1）河系洪水预报。在某一河河选择多个预报断面，每个断面一个方案一次连续运算，即下游断面依据上游断面当次的预报结果进行预报。

（2）交互预报。在某一河系选择一个预报断面，多个预报方案一次运行。

根据原预报结果和最新的实测资料，需对洪水.预报结果进行实时校正以提高预报精度，还需要结合预报员经验和预报会商，对模型计算的预报结果进行综合分析，并提供对外发布的预报结果。

3实例计算

目前，卡洛特洪水预报系统由多种模型和方法组成，结合气象预报，水文模拟和水力学洪水演算，加之预报员经验分析，可为卡洛特水电站坝址提供6～12h洪水预报。在利用历史资料对预报系统中的模型进行参数率定与验证后，为验证实时洪水预报系统预报洪水的可靠性和实用性，选取“20180420”和“20180807”洪水（见图3～4）为典型洪水，利用该系统对吉拉姆河流域卡拉斯-帕坦区间和帕坦卡洛特坝址区间洪水进行检验，对洪峰、峰现时刻的相对误差进行统计，最终评定总体效果见表1～2以及图5～6。

由上述图表可以看出，卡拉斯-帕坦区间检验*20180420”和“20180807”洪水的洪峰平均相对误差和峰现误差分别为11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特区间检验这两种洪水的洪峰和峰现误差分别为0.55%和0.5h，方案总体效果良好，预报洪水趋势基本与实况洪水一致。计算洪峰流量值和峰现误差与实况相差较小，洪峰预报、峰现时间预报效果良好。

4结语

本文介绍了卡洛特水电站实时洪水预报系统的结构、模型和运行流程，并利用2018年两场典型洪水对系统预报的准确性进行了检验。实践表明，卡洛特水电站实时洪水预报系统为吉拉姆河流域卡洛特水电站施工期提供了有效的洪水预报，预报精度满足GB/T22482-2008《水文情报预报规范》们对洪峰和峰现时间预报精度的要求，可为卡洛特水电站施工期顺利度汛提供科学依据和技术保障。

预报模型的参数直接影响洪水预报的精度，但由于近3a典型洪水较少，导致预报模型的参数未达到最优。随着资料积累，洪水次数的增加，后续将对预报模型中的参数进行进一步优化，不断提升卡洛特水电站洪水预报系統的洪水预报精度。

参考文献：

[1]谢鸣超.基于新安江模型的洪水预报系统设计与实现[D].南昌：南昌航空大学，2018.

[2]喻杉，罗斌，张恒飞.长江流域防洪调度决策支持系统设计初探[J].人民长江，2015，46（21）：5-7，26.

[3]任伟，魏军，杨涛.黄河防洪调度系统应用与展望[J].中国防汛抗旱，2011，21（3）：49-51.

[4]包为民.水文预报[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[5]邓颂霖，杨军，邴林，等.巴基斯坦卡洛特水电站施工期水文气象服务实践[J].水利水电快报，2019，40（8）：13-16，34.

[6]陆玉忠，胡宇丰，李匡，等.水电站施工期洪水预报系统设计与开发[J].水利水电技术，2017，48（4）：30-34.

[7]GB/T22482-2008水文情报预报规范[S].

（编辑：唐湘茜）