新安江模型在亭下水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘 要】亭下水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)提升了洪水預(yù)報(bào)精確度，強(qiáng)化了亭下水庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加了水庫(kù)的綜合效益。本文以新安江模型為切入點(diǎn)，對(duì)其在定下水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)，特別是洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題做出了較為詳細(xì)的分析與闡述，希望能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)研究與實(shí)踐工作的開展提供一定意見與建議。

【關(guān)鍵詞】新安江模型；亭下水庫(kù)；洪水調(diào)度系統(tǒng)；洪水預(yù)報(bào)

從理論上來(lái)說(shuō)，水庫(kù)的洪水調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)多目標(biāo)、多階段的檢測(cè)與決策過(guò)程中，它需要兼顧水庫(kù)所在流域上下游的防洪矛盾以及防洪工程與興利之間的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，洪水調(diào)度系統(tǒng)所指定的各項(xiàng)調(diào)度據(jù)側(cè)在洪水過(guò)程的不同發(fā)展階段也有著一定差異，這也正是我們和諧處理這些矛盾的出發(fā)點(diǎn)與歸宿。在全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程不斷加劇與城市化建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的推動(dòng)作用下，水庫(kù)以其防洪、蓄水、供水、發(fā)電等特殊性能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中所占據(jù)的地位日益關(guān)鍵，其洪水調(diào)度系統(tǒng)需要考慮的防洪因素也越來(lái)越多，諸多風(fēng)險(xiǎn)因素與誤差因素會(huì)嚴(yán)重干擾到水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)行，新安江模型作為我國(guó)最具世界影響力的水文模型，以其寬泛的適應(yīng)能力與高效率的運(yùn)算處理能力，已成為各類型水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化中不可或缺的一大組成部分。筆者現(xiàn)結(jié)合所供職的亭下水庫(kù)實(shí)際水文情況與水質(zhì)參數(shù)，就這一模型在亭下水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用情況談一談自己的看法與體會(huì)。

1 亭下水庫(kù)基本概況

亭下水庫(kù)位于我國(guó)浙江省奉化市，是一座以防洪與灌溉為主，綜合發(fā)電、供水、養(yǎng)殖以及旅游等職能的國(guó)家大二型水利工程。亭下水庫(kù)大壩壩頂長(zhǎng)317m，壩頂高程93.05m。壩頂設(shè)有6孔8m溢洪道，最大下泄流量3580msup3;/s。亭下水庫(kù)控制流域集水面積為176kmsup2;，屬于多年調(diào)節(jié)型大型水利工程，是整個(gè)奉化江流域治理規(guī)范戰(zhàn)略中的一項(xiàng)關(guān)鍵性工程。

2 亭下水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)概述

就亭下水庫(kù)而言，整個(gè)洪水調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用客戶服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)與集成，水雨情信息采集子系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)以及洪水調(diào)度子系統(tǒng)這四大組成部分在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)洪水信息的往互式交換與輸入輸出。整個(gè)洪水調(diào)度系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖1）。

圖1 亭下水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)示意圖

首先，水雨情信息采集子系統(tǒng)能夠?qū)νは滤畮?kù)所在奉化江流域的水雨情信息進(jìn)行自動(dòng)采集與錄入，是整個(gè)洪水調(diào)度系統(tǒng)中的基礎(chǔ)信息庫(kù)；其次，洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)能夠根據(jù)水雨情信息采集子系統(tǒng)所提供的雨量、蒸發(fā)量、水位線等指標(biāo)參數(shù)對(duì)洪水總量與洪峰發(fā)生時(shí)間作出預(yù)測(cè)，并及時(shí)發(fā)出人工干預(yù)洪水預(yù)報(bào)信號(hào)，是整個(gè)洪水調(diào)度系統(tǒng)中的基礎(chǔ)構(gòu)成；再次，洪水調(diào)度子系統(tǒng)能夠根據(jù)洪水預(yù)報(bào)所提供的洪水信息，針對(duì)水庫(kù)基本運(yùn)行情況對(duì)防洪形勢(shì)進(jìn)行分析，并自動(dòng)生成最佳的洪水調(diào)度方案；最后，信息查詢子系統(tǒng)能夠?yàn)榻K端操作用戶提供各種調(diào)度數(shù)據(jù)信息的查詢功能，并以各種專門性軟件輸出相應(yīng)的洪水調(diào)度報(bào)表資料。可以說(shuō)，洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)在整個(gè)洪水調(diào)度系統(tǒng)中起到了決定性的作用，其洪水預(yù)報(bào)信息質(zhì)量的好壞將直接關(guān)系到調(diào)動(dòng)決策的制定。筆者接下來(lái)對(duì)亭下水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)中所選用的新安江模型做詳細(xì)分析與探討。

3 新安江模型在亭下水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

亭下水庫(kù)所處奉化江流域位于我國(guó)南方沿海濕潤(rùn)地區(qū)，降雨充沛，奉化江利庫(kù)域內(nèi)年降雨總量可達(dá)到1800mm以上。該流域內(nèi)植被覆蓋良好，有效覆蓋山林面積可達(dá)13498畝，其中大部分山林均屬于生態(tài)涵養(yǎng)林，這也就意味著該流域內(nèi)表土下滲能力比較強(qiáng)，地下徑流與壤中流豐富。基于以上這些客觀原因，選取新安江模型對(duì)亭下水庫(kù)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)與研究。

3.1 亭下水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模型分析。相關(guān)工作人員需要差異性選取地表徑流與地下徑流、壤中徑流的匯流模型計(jì)算方式，形成整個(gè)亭下水庫(kù)奉化江流域產(chǎn)匯流模型系統(tǒng)，如下圖所示（見圖1）。

圖2 亭下水庫(kù)奉化江流域產(chǎn)匯流模型系統(tǒng)示意圖

3.1.1 新安江模型下亭下水庫(kù)地下徑流計(jì)算方程。整個(gè)亭下水庫(kù)所處的奉化江流域地下徑流如上圖所示采取線性水庫(kù)蓄泄模型計(jì)算方式對(duì)其匯流過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)可按照如下公式進(jìn)行運(yùn)算。方程一中的Rg（j）代表該流域內(nèi)平均壤中流凈雨深，而其徑流流量消退系數(shù)則用ki來(lái)代替。

方程一：

3.1.2 新安江模型下亭下水庫(kù)壤中徑流計(jì)算方程。同上述地下徑流的計(jì)算方式一樣，亭下水庫(kù)壤中徑流的計(jì)算方式同樣選取線性水庫(kù)調(diào)蓄計(jì)算模型的方法對(duì)其匯流過(guò)程進(jìn)行模擬，并按照如下方程進(jìn)行運(yùn)算。

方程二：

3.1.3 新安江模型下亭下水庫(kù)地面徑流計(jì)算方程。在新安江模型中有著明確規(guī)定：在匯流計(jì)算過(guò)程中，單元面積的地面徑流匯流需要優(yōu)先采用單位線法，其中又以Nash單位線法為第一選擇。這種方式下所構(gòu)建出的模型結(jié)果與運(yùn)算結(jié)果在實(shí)際洪水預(yù)報(bào)工作中顯得比較及時(shí)與全面，是我們研究的重心。我們令Rs（k）表示某一時(shí)段內(nèi)地面凈雨深深度，k為現(xiàn)行水庫(kù)的調(diào)蓄系數(shù)，n意指線性水庫(kù)的實(shí)際工作個(gè)數(shù)，而地面徑流匯流瞬時(shí)單位線則用Ui來(lái)表示。那么Nsah單位線法下亭下水庫(kù)地面徑流的基本模型與運(yùn)算方程可做如下表述。

模型一：

方程三：

3.2 參數(shù)率定優(yōu)選。當(dāng)相關(guān)工作人員按照上述方程模型確定亭下水庫(kù)所在奉化江流域產(chǎn)匯流模型之后，下一步關(guān)鍵的工作在于利用該流域現(xiàn)有的水文水質(zhì)資料，結(jié)合運(yùn)算方程得出產(chǎn)匯流模型的關(guān)鍵參數(shù)。新安江模型所涉及的參數(shù)眾多，一部分參數(shù)位于整個(gè)影響系統(tǒng)的中心，對(duì)整個(gè)模型洪水預(yù)報(bào)信息輸出的準(zhǔn)確性與可靠性有著決定性的影響，而一部分參數(shù)屬于弱化參數(shù)，并不會(huì)對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，正確處理好這兩類指標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系是我們的工作任務(wù)之一。敏感參數(shù)優(yōu)選、弱化參數(shù)依經(jīng)驗(yàn)確定是當(dāng)前比較合理的一種解決方式。針對(duì)亭下水庫(kù)所處流域特殊的地理環(huán)境與水文特征，我們選用基因法德優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行初選，羅森布瑞克法與單純形法進(jìn)行二度篩選的方式確定防洪預(yù)報(bào)中的參數(shù)率定。以亭下水庫(kù)的某次次洪模型參數(shù)率定為例，相關(guān)工作人員需要以不同的目標(biāo)函數(shù)率定次洪的需要率定參數(shù)，進(jìn)而獲取相應(yīng)的次洪模型參數(shù)，最終獲取該次洪期的率定期與檢驗(yàn)期結(jié)果，詳情如下圖所示（見圖3）

圖3 次洪模型率定期、檢驗(yàn)期模擬結(jié)果示意圖

3.3 洪水預(yù)報(bào)的實(shí)施校正分析。伴隨著水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建議，作業(yè)預(yù)報(bào)所獲取的實(shí)時(shí)水文信息也越來(lái)越具體。洪水調(diào)度系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)充分把握這一發(fā)展趨勢(shì)，在現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)之上，利用一定的數(shù)學(xué)技術(shù)與處理能力賦予水文預(yù)報(bào)模型相應(yīng)的校正能力，進(jìn)而使洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠?yàn)檎麄€(gè)調(diào)度系統(tǒng)提供更高精度的洪水預(yù)報(bào)信息一般來(lái)說(shuō)，我們需要根據(jù)預(yù)報(bào)信息按新安江模型進(jìn)行有效參數(shù)的估計(jì)，據(jù)此推斷出參數(shù)中的增益因子，并建立起相應(yīng)的斜方差陣，以此根據(jù)洪水變化靈活調(diào)整模型中的可變遺忘因子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)精度的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用新安江模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的亭下水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了洪水預(yù)報(bào)質(zhì)量與時(shí)效的提升，為洪水調(diào)度工作及其調(diào)度決策的開展提供了可靠性支持。與此同時(shí)，它也提升了整個(gè)水庫(kù)發(fā)電、供水、養(yǎng)殖的功能的突破，獲取了良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，值得大力推廣與借鑒。

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