王家廠水庫洪水調度系統問題與建議

何銀才

（澧縣王家廠水庫管理處常德市415500）

1 基本情況

王家廠水庫座落在澧水一級支流涔水干流王家廠鎮，1960年建成蓄水，總庫容2.78億m3，集雨面積484 km2，占全流域的41%，壩址以上河長48.5 km，河道坡降3.5‰。其中南支蓮花堰水文站以上河長29.6 km，集雨面積163 km2，北支閘口水文站以上河長32.7 km，集雨面積161 km2，閘口－蓮花堰－王家廠區間集雨面積160 km2。

王家廠水庫洪水調度系統是國家防總在1998年全國16座大型水庫進行的洪水調度系統工程試點之一，洪水調度系統工程于1999年4月1日投入試運行。

王家廠水庫洪水調度系統主要包括水文自動測報系統和洪水實時預報調度系統兩個部分。

水文自動測報系統由北京燕禹新技術開發公司承建，系統設1個中心站、7個終端站，通信頻率為228.575 MHz，中心站設在水庫管理處防汛摟。

大壩（水庫站）、閘口（北支入庫站）、蓮花堰（南支入庫站）3個水文站采用DY1090A型遙測雨量計、WFH-2型細井式遙測水位計及YCZ-PS自報式水位終端機等設備；城關、劉家灣、東門、洞市4個雨量站，采用DY1090A型遙測雨量計。當水位變化1 cm、雨量變化1 mm時，終端機自動向中心站傳數，另每隔5個小時終端機向中心站傳數一次。

洪水實時預報調度系統由當時的武漢水利電力大學設計、安裝、調試。水庫洪水預報方案由流域產流模型、流域匯流模型和洪水實時預報校正模型三部分組成。

流域產流模型采用三水源新安江流域產流模型；匯流模型采用流域分散入流非線性匯流模型；洪水實時校正模型是采用洪水預報殘差自適應校正模型。

在洪水實時預報調度系統軟件編制時，降雨及洪水資料采用1980～1997年資料，其中1980～1992年為預報方案評定期模型參數率定資料，1994～1997年為預報方案檢驗資料，入庫洪水流量過程線采用水量平衡方程推算，計算時段為3小時。

2 系統存在的問題

王家廠水庫洪水調度系統建成以來，總的來說對王家廠水庫的調度工作起到了重要的作用，結束了長達40年來以人工測報、人工預報調度的歷史，但系統本身所暴露的問題也不少，主要存在如下幾個方面：

（1）系統未完建。

由于水文測報站點主要分布在水庫上游，只覆蓋涔水全流域面積的41%，而對下流澧陽平原和涔北丘崗區共700 km2未納入監測范圍，也未對下游降雨、徑流及河網匯流模型進行研究，水庫下泄流量還是采用人工經驗判斷，不利于王家廠水庫錯峰、削峰和下游補償調節功能發揮，對下游淞澧大圈和水庫本身安全有不利影響。

（2）水庫庫容曲線使洪水預報模型產生系統誤差。

王家廠水庫自建成以來，運行50年來沒有重新測量庫容，由于原始測量誤差加上多年淤積、沖刷影響，誤差在所難免，庫容誤差在給水庫日常調度帶來不利影響的同時，也造成了洪水調度系統先天不足。筆者查找到水庫管理處不同時期采用的水位～面積、水位～庫容關系圖表，在此為方便說明，分別將其命名為1961年版（1961年圖紙）、1985年版（1985年水利部編印基本資料）和1996年版（水庫管理處1996年編基本資料），各版本數據有所不同(表1)，差別主要集中在75.0 m高程左右，在75.0 m高程時，不同版本水面積相差大于1 km2、庫容相差大于100萬m3，其它高程處也有不同程度變化。由于時間久、人事變動等原因沒有留下相關資料，變更的具體時間和變更依據已無從查考，但總體來說不同版本的水位～庫容關系圖表差別相對較少，水庫管理處及湖南水文部門目前使用的為1996年版的圖表。

表1 王家廠水庫管理處不同時期采用的水位～面積、水位～庫容關系圖表

筆者曾使用1996年版水位～面積關系圖表推算出一套水位～庫容關系圖表，結果與1996年版水位～庫容關系圖表存在差別，最大差值為340萬m3，在75.5高程，而以1996年版水位～庫容關系圖表反算水位～面積關系圖表，得出的結果不僅與1996年版的水位～面積圖表不符，而且發現面積與水位關系呈鋸齒狀，與現狀不符，說明本套圖表在原始測量或庫容計算環節產生了誤差，1998年洪水實時預報調度軟件編寫時使用的1996年版水位～庫容圖表必然產生系統誤差。

這一問題在本洪水調度實時預報軟件編寫時就已出現，由于兩個入庫站控制集雨面積為324 km2，只占水庫總集雨面積的67%，還有160 km2的區間匯流無法由入庫站監測。軟件編寫時歷史入庫洪水過程采用了水庫水量平衡方法進行推算，即采用公式Q入=Q出+（V末-V初）/Δt+Q損計算，這個公式雖然是推算已建水庫入庫洪水的經典公式，但它的精度依賴于所采用的參數的精度，由于水位～庫容關系誤差及水文記錄以整厘米為單位記錄等因素影響（1 cm影響庫容約為10～20萬m3）。軟件編寫時曾采用過Δt=1 h方案進行計算，發現入庫流量出現負值和洪水過程呈現鋸齒狀情況較多，后改用Δt=3 h進行計算，入庫流量出現負值和洪水過程呈現鋸齒狀情況大為減少，遂采用Δt=3 h反推入庫洪水流量為基礎，并參照兩個入庫站實測按流域面積放大流量過程，以修正入庫過程線，但這種“修正”必然造成了推求的入庫洪水過程線失真（表2），據此流量過程編寫的洪水實時預報調度系統不可避免地會產生系統誤差，雖然系統具有洪水預報校正功能，但由于存在系統誤差，此功能發揮作用有限。

表2 由水量平衡計算公式推算的入庫流量造成洪水過程線失真

（3）水文測報設備硬件方面存在不足。

設備故障頻繁。各水文測報設備屬專用設備，投入運行幾年后故障頻發，每到汛期水庫管理處都要多次派人搶修，一旦專用設備（如主板、放大器等）發生故障，由于附近沒有維修點，只能寄到制造廠家，維修不及時、不可靠，影響了水庫正常調度。2005年初水庫管理處被迫將水庫下游一個雨量站（城關雨量站）全套設備拆下后作為備品備件。

通信傳輸受阻。系統僅采用無線通信，無其它備用通信方式，可靠性差。主要影響因素：一方面由于各測站天線采用的是高增益定向天線，方向感很強，受風吹影響天線在發生較小偏移的情況下就無法通信；另一方面無線電波穿透、繞射能力差，因房屋和樹木阻擋導致通信中斷的情況年年發生。

（4）系統老化失修。

2002年底，即系統運行滿4年時，預留的備品備件已基本用完，從2003年起，系統的洪水實時預報調度系統部分已徹底癱瘓，在不斷搶修的情況下，整個系統只有水文測報部分勉強維持運行，目前在通信方面能和管理處中心站保持正常聯系的站只的蓮花堰、劉家灣、洞市、東門四個站，閘口水文站由于建筑物和樹木阻隔，雖經我們加裝放大器、加高發射天線等方式處理，仍無法通信。

在雨情測報方面，由于閘口水文站通信障礙，雨水信息無法傳送到水庫中心站，目前系統可自動采集雨情數據的測站只有蓮花堰、劉家灣、洞市、東門；在水情監測方面，蓮花堰水文站因自記井老化水位數據誤差大、可信度差，閘口水文站因通信故障造成水位數據無法傳送。

由于中心站電子主設備已運行10多年，服務器、電腦也因多年運行“光榮退休”，原來采用的Windows98和Windows NT4.0系統早已更新為Windows XP和Windows server 2003,而洪水實時預報調度系統軟件還是原來老版本，有些功能已無法在新電腦系統上實現。目前，洪水預報和調度方案編制恢復到系統建設前的人工經驗預報模式，洪水實時預報和調度方案優選無法自動完成。

土建工程設施老化失修嚴重，王家廠水庫水文、雨量站土建設施主要有兩種：一是原省水文局所建站房及測流設施移交給水庫管理處；二是租用民房。閘口、蓮花堰兩個入庫水文站是省水文局20世紀70年代所建的站房和自記井，經過40年運行，房屋老化失修已成危房，嚴重威脅工作人員及設備安全，自記井由于多年運行，滲漏、垮塌嚴重，蓮花堰站自記井由于滲漏，井內水位受山體滲水影響，長期高于河道內水位，即使在外河處于高水位時也有較大差別，涔水南支來水流量實時觀測數據已嚴重失真。

洞市站、劉家灣站、東門3個站雨量站系委托雨量站，于1965年投入使用，一直租用民房，劉家灣站由于住戶現已移居山下，原房屋（雨量設備安置處）未住人，而附近又沒有合適人家遷移，為保證設備安全，從明年開始該測站設備將不得不相應下移，該站無線通信將受到嚴重影響。

3 建議

（1）水文測報方面。

完建涔水流域水文測報網點，采用專門成套設備。這方面氣象、水文等有關部門已開發出成熟技術和產品，通信方面采用無線通信和公共通信（固話或手機）方式互為備用，制約只是資金問題。

另建中繼站方案也是解決通信故障的可行方案之一，由于王家廠水庫中心站高程在100 m左右，涔水下游地面高程順50 m以下，位于水庫上游的太青山、天供山、刻木山有較大地理優勢，其中太青山最高點高程在1 000 m左右，為澧縣最高點，可覆蓋全澧縣，但交通不便、路程遠，設備維護難度大；刻木山最高點高程的500 m左右，距水庫管理處最近，交通方便；天供山最高點高程在400 m左右，距管理處中心站10 km，交通最方便，這三點都可作為中心站備用地點，基本上都可覆蓋涔、澹水全流域。

從可靠性保障角度來看，建議最好采用中繼站+手機的通信方式，這一方面能保證各測報站點與水庫管理處中心站水文測報數據可靠傳輸，另一方面還有一個好處：由于三地分別距湖南張家界、湖北松滋縣距離不遠，加上地理位置較高，天供山、太青山被湖北荊州市手機信號覆蓋，刻木山被張家界市手機信號覆蓋，在澧水或洞庭湖其它流域發生特大洪水、地質災害造成長沙－常德－澧縣通信光纜中斷時，不但能保證水庫與上級防汛調度部門水文、調度數據可靠傳輸，還可作為水庫管理處與省防辦、長江委緊急聯系通道。

近年來，氣象部門已在全省范圍內建立了一套中小尺度天氣資料應用系統，這套系統分布的很廣，基本上覆蓋了全省各鄉鎮，經一年來與水文測報系統對照使用，發現相鄰地點兩套系統所觀測雨量數據差別較大，這個問題有待進一步與氣象部門共同研究解決，如能較好地解決這個問題，可直接將氣象部門自動觀測數據導入水庫水文測報系統數據庫，這樣相當于加密了水文自動測報網點，達到提高雨量監測精度和增加系統可靠性的目的。

（2）軟件方面。

①對涔水全流域降雨、產流、匯流模型進行研究，建立起一套覆蓋涔、澹水全流域的洪水實時預報模型，編制水庫優化調度軟件，充分發揮水庫調洪作用和下游河道、北民湖調蓄能力，對下游進行補償調節，保證水庫及下游堤防安全。這項工作的難度最大，主要原因是水庫下游的涔、澹水流域（包括澧陽平原）布設的水文網點少，缺乏實時觀測資料。現在涔、澹水下游常德水文局雨量網點只有澹水中和鋪站和涔水流彭家廠，澧陽平原雨量站點只有有澧縣站（2008年新建）、津市站，歷史上還有張公廟、樟柳河站。澧縣水利局涔、澹水流域各鄉鎮水利站有汛期雨量或水位觀測資料，但這些資料精度和完整性較差，也沒經過系統整編，觀測人員水平也參差不齊，參考作用有限。為徹底搞清涔、澹水下游水雨情及產匯流情況，還有很多工作要做，但不管怎樣，這項工作必須盡早著手。

②為消減庫容誤差引起的系統誤差，王家廠水庫庫容測量在所難免，越早完成越好，這項工作沒有技術屏障，但工作量很大。為避免庫容計算環節和水位觀測環節誤差造成的入庫洪水誤差，入庫洪水過程線推算建議將公式進行如下變形后采用。

先將水量平衡公式Q入=Q出+（V末-V初）/Δt+Q損進行如下變換：

在Δt取值較小時，忽略Q損的影響，再將上式進一步變換為：

式中ω（z）——水庫在某一水位時的水面積（直接由水位～面積圖表查得）；

tg（β）——水位～時間變化曲線（水庫站水位自記紙上的曲線）的導數；

k——常數（由于自記紙采用時間、水位與流量單位不統一，故在此加入轉換系數）。

如需推求某時刻入庫流量，先在庫水位自記記錄紙上查得相應點瞬時水位，再查得曲線在該點切線與水平線的角度，求得正切值，直接代入上式計算瞬時入庫流量。經筆者實際采用2009年4月19日的王家廠水庫水位自記曲線進行入庫流量推算，發現這種方法有如下好處：避免由于庫水位～庫容關系誤差對入庫流量造成的系統誤差；避免由于水位觀測誤差（如觀測錯誤、水位記錄以整厘米為單位造成的影響等）帶來的偶然誤差；避免了人為規定Δt對洪峰分割造成不利影響（坦化）；可求出水庫任何時刻的瞬時入庫流量，不受Δt取值制約；求得的入庫流量曲線連續，不會出現因Δt取值不同造成推算出的入庫流量過程線產生變異，流量過程線上也不會有負值、鋸齒波等情況出現。

③軟件盡量做到與上級防汛部門和水文部門軟件相互兼容，便于自動上傳、下載水文數據，避免重復建設，減少工程投資和維護成本。

與專業軟件公司合作開發應用軟件，人機界面與Windows相似，按鍵功能設置盡量與Windows一致，便于不太熟悉的人員也可盡快熟悉操作。軟件編制完成后，請專業公司對軟件系統的穩定性和可靠性進行評測，提高軟件系統運行的可靠性。

④預報方案模型參數盡量采用所有發生過的典型降雨徑流資料，而不僅采用1980～1992年12年資料作為評定期模型參數率定資料，預報方案檢驗資料采用系列也應相應延長，以提高洪水預報精度。

（3）管理方面。

管理是一個重要因素，是保障整個系統正常工作的重要條件，由于整套設備屬于專用設備，涉及專業多，故障判斷處理難，一般人員很難維修，只能作簡單維護處理，這方面還有待廠家和水庫管理處共同解決，一方面加強人員培訓力度，提高管理人員技術水平，加強工作責任心；另一方面加大資金投入，保證設備完好，與設備制造廠家和軟件編制單位簽訂長期服務協議，對設備搞好跟蹤服務，對軟件定期升級，保證系統高效運行。

4 結語

王家廠水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼顧發電、養魚等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫，每年平均為澧陽平原提供灌溉水1億m3，灌溉農田面積2.67萬hm2（40萬畝），在預留0.51億m3防洪庫容條件下，能將20年一遇洪水（最大流量1 710 m3/s）按107 m3/s下泄，是淞澧大圈重要防洪工程，是事關澧縣人民生命財產安全和保證澧縣經濟發展的重要民生工程，社會效益巨大。隨著澧縣經濟社會發展，科學防洪對我們工作提出了更高的要求，覆蓋涔水全流域洪水調度系統是王家廠水庫抵御洪水不可缺少的輔助決策工具，系統升級換代迫在眉睫。