柳文兵，祝秀平

（廣西右江水利開發(fā)有限責(zé)任公司，南寧 530029）

1 流域及工程概況

右江是珠江流域西江水系最大支流郁江的干流，發(fā)源于云南省文山州廣南縣境內(nèi)的楊梅山，源頭段稱達(dá)良河，向北流，與達(dá)央河匯合后稱馱娘江，匯入云南省西洋江后稱剝隘河，至百色市與澄碧河匯合稱為右江，經(jīng)田陽區(qū)、田東縣城、平果市、隆安縣城，在南寧市西郊宋村與郁江最大支流左江匯合始稱郁江[1]。右江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和。右江流域降雨主要受海洋暖氣團(tuán)和內(nèi)陸氣團(tuán)的影響，雨季暴雨天氣較頻繁，主要受副熱帶高壓、熱帶低壓、臺風(fēng)及西南低渦氣旋影響所致，多年平均降雨量為1200 mm，一般多集中在6～9月，約占全年的65%，11 月至次年4 月為枯水期，降雨量占全年的20%以下。

百色水利樞紐工程位于右江上游河段，是一座以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等綜合效益的大型水利樞紐，也是治理和開發(fā)郁江的關(guān)鍵性工程和西部大開發(fā)的重要標(biāo)志性工程。壩址以上集雨面積為19 600 km2，占右江流域面積的47.5%，流域內(nèi)有西洋江、那馬河、谷拉河、者仙河、樂里河五條較大支流匯入。百色水利樞紐上游建設(shè)有多座水電站，其中右江干流馱娘江流域已建水電站16座，最大的瓦村水電站總庫容5.36 億m3，具有季調(diào)節(jié)性能，其余水電站為日調(diào)節(jié)性能；最大支流西洋江上建設(shè)有洞巴、那比水電站，其中洞巴電站庫容3.22 億m3，具有年調(diào)節(jié)性能，那比為日調(diào)節(jié)性能電站；那馬河上建設(shè)有坡令水電站；谷拉河上建設(shè)有天生橋、百達(dá)、那林等日調(diào)節(jié)性能電站。

根據(jù)百色水文站多年實(shí)測資料，右江洪水過程多為單峰型，洪水漲洪歷時(shí)較短，從起漲到峰頂2 d左右，峰頂滯時(shí)5～8 h，峰后退水歷時(shí)較長，約6 d。一場洪水過程在7～10 d之間，過程尖瘦，呈山區(qū)河流特性。一場洪水的洪量主要集中在7 d 左右，大洪水的7 d洪量約占15 d洪量的60%。

為開展洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，百色水利樞紐水情自動測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)隨工程建設(shè)同步開展，自動采集流域內(nèi)干支流重要節(jié)點(diǎn)的水位、雨量等水情信息，實(shí)時(shí)傳輸至中心站進(jìn)行分析處理，供業(yè)務(wù)人員開展洪水預(yù)報(bào)作業(yè)。百色水利樞紐水情自動測報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)模為1∶48，即1個中心站、48個遙測站，其中水文站9個、雨量站39個。

2 預(yù)報(bào)方案總體設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)報(bào)斷面配置

預(yù)報(bào)斷面分為天然河道斷面和電站斷面。天然河道斷面沒有調(diào)蓄作用，而電站斷面的水庫往往具有一定的庫容，對洪水具有調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致入庫流量和出庫流量不同，因此應(yīng)對電站斷面的入庫洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，采用出庫流量作為下一級斷面的入流過程。

根據(jù)站點(diǎn)資料及水電站分布情況，百色水利樞紐以上流域共設(shè)置9 個預(yù)報(bào)斷面，其中天然河道斷面6 個，分別是定安、西洋街、谷拉、百達(dá)、田林、者仙；電站斷面3個，分別是洞巴、瓦村、百色壩上。

流域面雨量是預(yù)報(bào)模型最重要的輸入，考慮到百色水利樞紐庫區(qū)降雨分布不均，為減少面雨量計(jì)算誤差，對斷面區(qū)間流域進(jìn)行分單元產(chǎn)流計(jì)算。根據(jù)流域水系和遙測雨量站點(diǎn)分布情況劃分單元，對雨量站較稀少的斷面，考慮用單站控制面積產(chǎn)流，例如定安斷面雨量站數(shù)目只有5 個，將其劃分為5個計(jì)算單元，每個單元包含1個雨量站；對于包含有多個雨量站的斷面，則可在單元中設(shè)置多個雨量站，采用泰森多邊形法和人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)置其權(quán)重，例如百色壩上斷面劃分為2 個計(jì)算單元，第1 單元包含9個雨量站，第2單元包含4個雨量站。在計(jì)算面雨量時(shí)，部分站點(diǎn)位于單元邊界上，對周邊的單元均有影響，這些站點(diǎn)可以在多個單元中共用[2]。百色水利樞紐庫區(qū)預(yù)報(bào)斷面見表1。

表1 百色水利樞紐庫區(qū)預(yù)報(bào)斷面表

2.2 洪水預(yù)報(bào)流程

百色水利樞紐洪水預(yù)報(bào)流程應(yīng)從上游到下游、從支流到干流逐斷面進(jìn)行預(yù)報(bào)。按照定安、西洋街、洞巴、瓦村、谷拉、百達(dá)、田林、者仙、百色壩上的順序逐級計(jì)算。預(yù)報(bào)斷面流量由上游斷面流量和區(qū)間流量兩部分組成，上游斷面流量采用馬斯京根法進(jìn)行河道匯流計(jì)算，區(qū)間流量利用水雨情資料和降雨徑流模型開展預(yù)報(bào)，最后采用斷面實(shí)測流量對預(yù)報(bào)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。電站斷面預(yù)報(bào)出結(jié)果后，考慮到電站調(diào)度運(yùn)行對河道匯流的影響，利用電站的水情信息、調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)洪演算，采用出庫流量向下游斷面演算。預(yù)報(bào)流程概化如圖1 所示，方框中的數(shù)字表示斷面區(qū)間面積（單位：km2）。

圖1 百色水利樞紐洪水預(yù)報(bào)概化圖

2.3 預(yù)報(bào)模型及方法

2.3.1 洪水預(yù)報(bào)模型

洪水預(yù)報(bào)模型分為產(chǎn)匯流模型和河道匯流模型兩部分。一般南方流域產(chǎn)匯流模型以三水源新安江模型（見表2）效果最好[3]，分單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算后，合成為斷面的區(qū)間預(yù)報(bào)流量；河道匯流模型一般選用馬斯京根法將上游斷面的出流演算到預(yù)報(bào)斷面。流域產(chǎn)匯流和河道匯流疊加得到斷面的預(yù)報(bào)流量。

表2 三水源新安江模型

2.3.2 實(shí)時(shí)校正模型

實(shí)時(shí)校正是利用預(yù)報(bào)斷面的實(shí)測流量對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使預(yù)報(bào)流量不斷接近實(shí)測值[4]。實(shí)時(shí)校正模型采用誤差序列實(shí)時(shí)校正模型，以預(yù)熱期的實(shí)測流量與預(yù)報(bào)流量的誤差序列建立自回歸模型，采用最小二乘法估計(jì)自回歸模型的參數(shù)，預(yù)測下一時(shí)段的誤差。計(jì)算模型如下：

2.3.3 水庫調(diào)洪演算

調(diào)節(jié)性能好的水電站對洪水過程具有調(diào)節(jié)作用，需要進(jìn)行調(diào)洪演算后計(jì)算出庫流量，以便進(jìn)行下一級斷面的洪水預(yù)報(bào)。調(diào)洪演算方法是：利用水量平衡原理，根據(jù)水位庫容關(guān)系曲線，閘門泄流關(guān)系曲線，建立水量平衡方程，對預(yù)報(bào)入庫流量過程進(jìn)行調(diào)洪演算，得到庫水位過程及出庫流量過程。在計(jì)算時(shí)，可以通過給定控制水位、給定閘門運(yùn)行方式、給定出庫流量過程等進(jìn)行調(diào)洪演算。

3 預(yù)報(bào)方案編制與應(yīng)用

本次預(yù)報(bào)方案需收集整理9個預(yù)報(bào)斷面的雨水情資料，分別率定模型參數(shù)、進(jìn)行合格率統(tǒng)計(jì)及精度評定。

3.1 資料收集與處理

共收集到2012—2021 年百色水利樞紐庫區(qū)48個遙測站的雨量資料及定安、西洋街、瓦村、谷拉、百達(dá)、田林、者仙、百色壩上等水文站的洪水資料，另收集到百色、瓦村水文站多年月平均蒸發(fā)資料。從收集的各斷面歷史洪水資料中，人工挑選出其中雨洪對應(yīng)情況較好、符合自然規(guī)律、代表性較好的洪水作為預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定的洪水資料。百色水利樞紐庫區(qū)面積較大，因此本次洪水預(yù)報(bào)方案計(jì)算時(shí)段設(shè)置為3 h。

3.2 預(yù)報(bào)斷面模型參數(shù)率定

采用粒子群算法[5]（PSO）進(jìn)行新安江模型參數(shù)率定，在率定時(shí)，對于可以人工確定的參數(shù)如匯流時(shí)間Ke、河道分段數(shù)n、不敏感參數(shù)等，沒有必要進(jìn)行優(yōu)選。因?yàn)樾枰獌?yōu)選的參數(shù)越多，計(jì)算量也越大，同時(shí)會帶來異參同效的問題。本文采用人工經(jīng)驗(yàn)及優(yōu)化算法率定結(jié)合對參數(shù)進(jìn)行率定，先用人工經(jīng)驗(yàn)確定出不敏感參數(shù)，對斷面的洪水過程進(jìn)行分析，確定匯流時(shí)間以及河道分段數(shù)n，最后再用粒子群算法（PSO）率定敏感參數(shù)。

3.2.1 不敏感參數(shù)及河道分段數(shù)確定

新安江模型參數(shù)中，參數(shù)B、C、IM、EX為不敏感參數(shù)，按一般經(jīng)驗(yàn)定值即可；馬斯京根法中的Ke及n，可通過分析場次洪水的傳播時(shí)間得出。剩余參數(shù)KC、UM、LM、WM、SM、KG、KI、CG、CI、CS、L、Xe通過優(yōu)選得到。

統(tǒng)計(jì)各斷面洪水的雨峰到洪峰出現(xiàn)時(shí)間，即可確定出該斷面的流域匯流時(shí)間，根據(jù)各單元出口與斷面出口的位置關(guān)系，即可估算出各單元出口至斷面出口的匯流時(shí)間Ke。統(tǒng)計(jì)分析上下游相鄰斷面的洪水過程，即可分析判斷出洪水在河道中的傳播時(shí)間Ke。以Δt= 3 h 時(shí)段長進(jìn)行河道分段，分別設(shè)置每塊出口到斷面出口的分段數(shù)n=Ke/Δt，根據(jù)實(shí)際情況對n進(jìn)行取整。利用Xe、n，計(jì)算出參數(shù)C0、C1、C2，進(jìn)而計(jì)算出河槽匯流系數(shù)Pmn，在預(yù)報(bào)中采用河槽匯流系數(shù)將入流過程演算到出口斷面。各斷面區(qū)間河道分段數(shù)及各斷面到下游斷面的河道分段數(shù)如表3所示。

表3 各斷面河道分段數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 其余參數(shù)確定

其余參數(shù)通過粒子群算法（PSO）來率定。率定時(shí)由于采用的是次洪資料，低水點(diǎn)據(jù)較多，為突出高水部分的作用，目標(biāo)函數(shù)采用誤差的絕對值為目標(biāo)函數(shù)，即

式中：BO為目標(biāo)函數(shù)值，M(i)與Q(i)是實(shí)測與計(jì)算的洪水流量過程。

為需要率定的模型參數(shù)設(shè)置取值范圍。在新安江模型中，具有結(jié)構(gòu)性約束KG+KI=0.7，只需要率定其中一個，另外一個按照約束取值即可。河網(wǎng)匯流滯后時(shí)間L可近似取各斷面區(qū)間匯流時(shí)間的一半。根據(jù)表3 中各斷面區(qū)間河道分段數(shù)的取值，L的取值在0.5～1.5 之間，取整數(shù)為0～2，最終確定時(shí)可通過模擬洪水時(shí)峰現(xiàn)時(shí)間來定。L對峰現(xiàn)時(shí)間影響非常明顯，實(shí)際預(yù)報(bào)中可通過對L 的調(diào)整來控制峰現(xiàn)時(shí)間。率定出的各斷面模型參數(shù)值見表4。

表4 各斷面新安江模型參數(shù)表

3.3 合格率統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）的規(guī)定，濕潤地區(qū)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)方案精度評定需要10 年的水文氣象資料，并且濕潤地區(qū)應(yīng)不少于50場次洪水資料，當(dāng)資料不足時(shí)，應(yīng)使用所有的場次洪水資料。本次方案編制各斷面的洪水場次較少，因此只進(jìn)行參數(shù)率定，不進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)。各斷面合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 各斷面合格率統(tǒng)計(jì)表

由表5可知，西洋街、谷拉斷面的精度評定為甲級；定安斷面的合格率較低，為69.2%，精度評定為丙級，可能原因?yàn)槎ò矓嗝嬗炅空揪W(wǎng)密度較低，同時(shí)定安以上有多個中小電站的調(diào)蓄作用影響；其余斷面精度評定為乙級。作為最終預(yù)報(bào)對象的百色壩上斷面的合格率為83.3%，可以用于實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。同時(shí)需指出，本次方案編制用到的洪水場次較少，對合格率影響較大。

4 總結(jié)

本文編制了百色水利樞紐的洪水預(yù)報(bào)方案，從本次預(yù)報(bào)方案的編制結(jié)果、檢驗(yàn)成果看，編制洪水預(yù)報(bào)方案合理，精度較高，可用于實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)。但是也存在以下問題：

（1）雨量站網(wǎng)密度明顯偏低，并且各斷面區(qū)間分布不均勻。流域內(nèi)站網(wǎng)密度較低，19 600 km2的流域面積上布設(shè)有48 個雨量站，站網(wǎng)密度為408 km2/個，低于《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（SL 34-2013）規(guī)定的要求。同時(shí)各預(yù)報(bào)斷面的站網(wǎng)密度極為不均勻，從184.5 km2/個到975.4 km2/個不等。定安、西洋街、田林?jǐn)嗝娴恼揪W(wǎng)密度分別為975.4、847.7、903 km2/個，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。右江流域暴雨頻發(fā)，較低的站網(wǎng)密度不能準(zhǔn)確代表流域的降雨情況，會造成流域面雨量計(jì)算不準(zhǔn)確，影響洪水預(yù)報(bào)精度。

（2）流域中小電站調(diào)蓄作用影響嚴(yán)重。百色水利樞紐以上流域水電開發(fā)較為充分，各條支流上具有多座中小水電站，在發(fā)生小洪水時(shí)，會對洪水進(jìn)行攔截，而發(fā)生較大洪水時(shí)，往往又騰退庫容，加大泄流。這些中小電站的信息往往難以掌握，對百色水利樞紐的洪水預(yù)報(bào)造成明顯的影響。