百色水利枢纽洪水预报方案研究

柳文兵，祝秀平

（广西右江水利开发有限责任公司，南宁 530029）

1 流域及工程概况

右江是珠江流域西江水系最大支流郁江的干流，发源于云南省文山州广南县境内的杨梅山，源头段称达良河，向北流，与达央河汇合后称驮娘江，汇入云南省西洋江后称剥隘河，至百色市与澄碧河汇合称为右江，经田阳区、田东县城、平果市、隆安县城，在南宁市西郊宋村与郁江最大支流左江汇合始称郁江[1]。右江流域属于亚热带季风气候区，气候温和。右江流域降雨主要受海洋暖气团和内陆气团的影响，雨季暴雨天气较频繁，主要受副热带高压、热带低压、台风及西南低涡气旋影响所致，多年平均降雨量为1200 mm，一般多集中在6～9月，约占全年的65%，11 月至次年4 月为枯水期，降雨量占全年的20%以下。

百色水利枢纽工程位于右江上游河段，是一座以防洪为主，兼有发电、灌溉、航运、供水等综合效益的大型水利枢纽，也是治理和开发郁江的关键性工程和西部大开发的重要标志性工程。坝址以上集雨面积为19 600 km2，占右江流域面积的47.5%，流域内有西洋江、那马河、谷拉河、者仙河、乐里河五条较大支流汇入。百色水利枢纽上游建设有多座水电站，其中右江干流驮娘江流域已建水电站16座，最大的瓦村水电站总库容5.36 亿m3，具有季调节性能，其余水电站为日调节性能；最大支流西洋江上建设有洞巴、那比水电站，其中洞巴电站库容3.22 亿m3，具有年调节性能，那比为日调节性能电站；那马河上建设有坡令水电站；谷拉河上建设有天生桥、百达、那林等日调节性能电站。

根据百色水文站多年实测资料，右江洪水过程多为单峰型，洪水涨洪历时较短，从起涨到峰顶2 d左右，峰顶滞时5～8 h，峰后退水历时较长，约6 d。一场洪水过程在7～10 d之间，过程尖瘦，呈山区河流特性。一场洪水的洪量主要集中在7 d 左右，大洪水的7 d洪量约占15 d洪量的60%。

为开展洪水预报业务，百色水利枢纽水情自动测报系统建设随工程建设同步开展，自动采集流域内干支流重要节点的水位、雨量等水情信息，实时传输至中心站进行分析处理，供业务人员开展洪水预报作业。百色水利枢纽水情自动测报系统站网规模为1∶48，即1个中心站、48个遥测站，其中水文站9个、雨量站39个。

2 预报方案总体设计

2.1 预报断面配置

预报断面分为天然河道断面和电站断面。天然河道断面没有调蓄作用，而电站断面的水库往往具有一定的库容，对洪水具有调节作用，导致入库流量和出库流量不同，因此应对电站断面的入库洪水进行调洪演算，采用出库流量作为下一级断面的入流过程。

根据站点资料及水电站分布情况，百色水利枢纽以上流域共设置9 个预报断面，其中天然河道断面6 个，分别是定安、西洋街、谷拉、百达、田林、者仙；电站断面3个，分别是洞巴、瓦村、百色坝上。

流域面雨量是预报模型最重要的输入，考虑到百色水利枢纽库区降雨分布不均，为减少面雨量计算误差，对断面区间流域进行分单元产流计算。根据流域水系和遥测雨量站点分布情况划分单元，对雨量站较稀少的断面，考虑用单站控制面积产流，例如定安断面雨量站数目只有5 个，将其划分为5个计算单元，每个单元包含1个雨量站；对于包含有多个雨量站的断面，则可在单元中设置多个雨量站，采用泰森多边形法和人工经验设置其权重，例如百色坝上断面划分为2 个计算单元，第1 单元包含9个雨量站，第2单元包含4个雨量站。在计算面雨量时，部分站点位于单元边界上，对周边的单元均有影响，这些站点可以在多个单元中共用[2]。百色水利枢纽库区预报断面见表1。

表1 百色水利枢纽库区预报断面表

2.2 洪水预报流程

百色水利枢纽洪水预报流程应从上游到下游、从支流到干流逐断面进行预报。按照定安、西洋街、洞巴、瓦村、谷拉、百达、田林、者仙、百色坝上的顺序逐级计算。预报断面流量由上游断面流量和区间流量两部分组成，上游断面流量采用马斯京根法进行河道汇流计算，区间流量利用水雨情资料和降雨径流模型开展预报，最后采用断面实测流量对预报流量进行实时校正。电站断面预报出结果后，考虑到电站调度运行对河道汇流的影响，利用电站的水情信息、调度规则进行调洪演算，采用出库流量向下游断面演算。预报流程概化如图1 所示，方框中的数字表示断面区间面积（单位：km2）。

图1 百色水利枢纽洪水预报概化图

2.3 预报模型及方法

2.3.1 洪水预报模型

洪水预报模型分为产汇流模型和河道汇流模型两部分。一般南方流域产汇流模型以三水源新安江模型（见表2）效果最好[3]，分单元进行产汇流计算后，合成为断面的区间预报流量；河道汇流模型一般选用马斯京根法将上游断面的出流演算到预报断面。流域产汇流和河道汇流叠加得到断面的预报流量。

表2 三水源新安江模型

2.3.2 实时校正模型

实时校正是利用预报断面的实测流量对预报结果进行实时修正，使预报流量不断接近实测值[4]。实时校正模型采用误差序列实时校正模型，以预热期的实测流量与预报流量的误差序列建立自回归模型，采用最小二乘法估计自回归模型的参数，预测下一时段的误差。计算模型如下：

2.3.3 水库调洪演算

调节性能好的水电站对洪水过程具有调节作用，需要进行调洪演算后计算出库流量，以便进行下一级断面的洪水预报。调洪演算方法是：利用水量平衡原理，根据水位库容关系曲线，闸门泄流关系曲线，建立水量平衡方程，对预报入库流量过程进行调洪演算，得到库水位过程及出库流量过程。在计算时，可以通过给定控制水位、给定闸门运行方式、给定出库流量过程等进行调洪演算。

3 预报方案编制与应用

本次预报方案需收集整理9个预报断面的雨水情资料，分别率定模型参数、进行合格率统计及精度评定。

3.1 资料收集与处理

共收集到2012—2021 年百色水利枢纽库区48个遥测站的雨量资料及定安、西洋街、瓦村、谷拉、百达、田林、者仙、百色坝上等水文站的洪水资料，另收集到百色、瓦村水文站多年月平均蒸发资料。从收集的各断面历史洪水资料中，人工挑选出其中雨洪对应情况较好、符合自然规律、代表性较好的洪水作为预报模型参数率定的洪水资料。百色水利枢纽库区面积较大，因此本次洪水预报方案计算时段设置为3 h。

3.2 预报断面模型参数率定

采用粒子群算法[5]（PSO）进行新安江模型参数率定，在率定时，对于可以人工确定的参数如汇流时间Ke、河道分段数n、不敏感参数等，没有必要进行优选。因为需要优选的参数越多，计算量也越大，同时会带来异参同效的问题。本文采用人工经验及优化算法率定结合对参数进行率定，先用人工经验确定出不敏感参数，对断面的洪水过程进行分析，确定汇流时间以及河道分段数n，最后再用粒子群算法（PSO）率定敏感参数。

3.2.1 不敏感参数及河道分段数确定

新安江模型参数中，参数B、C、IM、EX为不敏感参数，按一般经验定值即可；马斯京根法中的Ke及n，可通过分析场次洪水的传播时间得出。剩余参数KC、UM、LM、WM、SM、KG、KI、CG、CI、CS、L、Xe通过优选得到。

统计各断面洪水的雨峰到洪峰出现时间，即可确定出该断面的流域汇流时间，根据各单元出口与断面出口的位置关系，即可估算出各单元出口至断面出口的汇流时间Ke。统计分析上下游相邻断面的洪水过程，即可分析判断出洪水在河道中的传播时间Ke。以Δt= 3 h 时段长进行河道分段，分别设置每块出口到断面出口的分段数n=Ke/Δt，根据实际情况对n进行取整。利用Xe、n，计算出参数C0、C1、C2，进而计算出河槽汇流系数Pmn，在预报中采用河槽汇流系数将入流过程演算到出口断面。各断面区间河道分段数及各断面到下游断面的河道分段数如表3所示。

表3 各断面河道分段数统计表

3.2.2 其余参数确定

其余参数通过粒子群算法（PSO）来率定。率定时由于采用的是次洪资料，低水点据较多，为突出高水部分的作用，目标函数采用误差的绝对值为目标函数，即

式中：BO为目标函数值，M(i)与Q(i)是实测与计算的洪水流量过程。

为需要率定的模型参数设置取值范围。在新安江模型中，具有结构性约束KG+KI=0.7，只需要率定其中一个，另外一个按照约束取值即可。河网汇流滞后时间L可近似取各断面区间汇流时间的一半。根据表3 中各断面区间河道分段数的取值，L的取值在0.5～1.5 之间，取整数为0～2，最终确定时可通过模拟洪水时峰现时间来定。L对峰现时间影响非常明显，实际预报中可通过对L 的调整来控制峰现时间。率定出的各断面模型参数值见表4。

表4 各断面新安江模型参数表

3.3 合格率统计与分析

根据《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）的规定，湿润地区进行洪水预报方案精度评定需要10 年的水文气象资料，并且湿润地区应不少于50场次洪水资料，当资料不足时，应使用所有的场次洪水资料。本次方案编制各断面的洪水场次较少，因此只进行参数率定，不进行参数检验。各断面合格率统计结果见表5。

表5 各断面合格率统计表

由表5可知，西洋街、谷拉断面的精度评定为甲级；定安断面的合格率较低，为69.2%，精度评定为丙级，可能原因为定安断面雨量站网密度较低，同时定安以上有多个中小电站的调蓄作用影响；其余断面精度评定为乙级。作为最终预报对象的百色坝上断面的合格率为83.3%，可以用于实时预报。同时需指出，本次方案编制用到的洪水场次较少，对合格率影响较大。

4 总结

本文编制了百色水利枢纽的洪水预报方案，从本次预报方案的编制结果、检验成果看，编制洪水预报方案合理，精度较高，可用于实时洪水预报。但是也存在以下问题：

（1）雨量站网密度明显偏低，并且各断面区间分布不均匀。流域内站网密度较低，19 600 km2的流域面积上布设有48 个雨量站，站网密度为408 km2/个，低于《水文站网规划技术导则》（SL 34-2013）规定的要求。同时各预报断面的站网密度极为不均匀，从184.5 km2/个到975.4 km2/个不等。定安、西洋街、田林断面的站网密度分别为975.4、847.7、903 km2/个，远低于规范要求。右江流域暴雨频发，较低的站网密度不能准确代表流域的降雨情况，会造成流域面雨量计算不准确，影响洪水预报精度。

（2）流域中小电站调蓄作用影响严重。百色水利枢纽以上流域水电开发较为充分，各条支流上具有多座中小水电站，在发生小洪水时，会对洪水进行拦截，而发生较大洪水时，往往又腾退库容，加大泄流。这些中小电站的信息往往难以掌握，对百色水利枢纽的洪水预报造成明显的影响。