基于致洪暴雨預報的三峽水庫洪水預估系統(tǒng)及試驗評估*

金 琪，王繼竹，高 琦，孟英杰，陳良華

(1.長江流域氣象中心，湖北武漢430074;2.三峽梯調通信中心，湖北宜昌443133)

基于致洪暴雨預報的三峽水庫洪水預估系統(tǒng)及試驗評估*

金 琪1，王繼竹1，高 琦1，孟英杰1，陳良華2

(1.長江流域氣象中心，湖北武漢430074;2.三峽梯調通信中心，湖北宜昌443133)

介紹了一種基于致洪暴雨預報，結合水文控制站水位、流量信息，運用多元統(tǒng)計回歸模型開展的三峽水庫洪水程度分級預估的方法。通過歷史回代和2010、2011年預估試驗應用表明:該預估系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適用于三峽水庫洪水程度預估，對三峽上游暴雨引發(fā)的洪水程度能進行準確的預估，而且對三峽上游支流的暴雨洪水預測也有一定的預見性。應用該系統(tǒng)三峽水庫的洪水預見期可達3 d以上，能為防汛決策和三峽水庫防洪調度贏得時間。

致洪暴雨;洪水程度;預估系統(tǒng);三峽水庫

1900年來，隨著生態(tài)環(huán)境的迅速惡化，長江流域的洪澇災害更加頻繁。隨著經濟的發(fā)展，特大洪水所造成的經濟損失也在不斷增加［1－3］。如1990年代長江流域相繼發(fā)生了5次洪水，特別是1998年的洪水，受災面積達2 120萬hm2，直接經濟損失達1 700多億元［3］。2010年長江上游出現(xiàn)超1998年的罕見洪峰，其重要支流嘉陵江、岷江、沱江、漢江進入21世紀以來也頻繁出現(xiàn)洪澇災害。

圖1 三峽水庫上游六大流域分布

本文所指的三峽水庫上游流域范圍大致為99°～111.2°E、26°～35°N，主要包括岷沱江、嘉陵江、烏江、宜賓－重慶、重慶－萬州、萬州－宜昌等長江上游六大流域(圖1)。上述流域分布在四川、貴州、湖北省及重慶市境內，地形、地貌十分復雜，天氣變化劇烈，暴雨頻繁易使長江成為一條雨洪河流，從而形成全流域或區(qū)域性洪水，嚴重影響三峽庫區(qū)調度及中下游防汛［4－5］。大型江河的洪水預報主要由流域降水徑流預報和河道洪水預報組成，而洪水的發(fā)生主要還是由于強降水所造成，兩者之間存在直接的因果關系［6］。因此，文中應用氣象部門的致洪暴雨實況和預報，結合長江上游重要水文控制站的水位、流量資料，建立了基于面雨量的三峽水庫及上游支流洪水程度分級預估模型，開展了洪水程度預估試驗和評估，試驗結果在2010、2011年長江流域氣象防汛決策服務中起到了很好的技術支撐和應用。

1 洪水預估方程的建立

1.1 資料的計算與整理

1.1.1 面雨量的計算

面雨量表示一定區(qū)域內或范圍的平均降水量，能較客觀地反映整個區(qū)域的降水情況。面雨量計算和預報是各級政府組織防汛抗洪以及水庫調度等決策的重要依據(jù)，也是水利部門洪水預報非常重要的參數(shù)，是氣象部門開展水文氣象服務的重要內容。面雨量可表示為:式中:為面雨量;A為特定區(qū)域的面積;P為有限元dA上的雨量。面雨量的計算方法主要有泰森多邊形法、算術平均法、等雨量線法、逐步訂正格點法等，其中算術平均法因為簡便易行，適用于測站多且分布較為均勻的流域，應用十分廣泛，其數(shù)學表達式是:式中:n為總站數(shù);Pi為各站雨量。秦承平等人［7］利用算術平均法對長江上游干流及各主要支流面雨量進行過探討，結果表明對氣象測站分布比較均勻、雨量資料較為齊全的三峽區(qū)間來說，算術平均法簡單易行。

結合前人的研究成果［8－9］，選擇算術平均法并利用氣象部門1971－2009年氣象站點逐日24 h雨量實況資料，計算并整理出岷沱江、嘉陵江、烏江、宜賓－重慶、重慶－萬州、萬州－宜昌等長江上游六大流域逐日面雨量，其中各流域代表站點遵循氣象部門《全國七大江河流域面雨量預報業(yè)務規(guī)定》執(zhí)行。

1.1.2 水文資料的整理

針對岷沱江、嘉陵江、烏江、宜賓 －重慶、重慶－萬州、萬州－宜昌六大流域，結合長江流域水文站的分布，分別選取高場、北碚、武隆、寸灘、萬州、宜昌水文站作為上述流域的控制站;利用《中華人民共和國水文年鑒》資料，整理1971－2009年上述流域控制站逐日水位、流量數(shù)據(jù)。其中由于三峽水庫從2006年開始蓄水，宜昌水文站流量、水位變化與三峽水庫調蓄密切相關。因此，2006年以后宜昌水文資料改為三峽水庫水位、入庫流量。

1.2 洪水預估方程的建立

1.2.1 預報因子初選

研究分析發(fā)現(xiàn)，長江上游致洪暴雨有一定的規(guī)律性［6，10］，其主要發(fā)生在6月下旬到8月下旬，且長江上游洪澇一般由大面積暴雨造成，過程持續(xù)時間一般在3 d以上。因此本文普查長江上游六大流域6－8月逐日面雨量，同時結合前人長江上游六大流域面雨量特征分析成果［8－10］，選取上述流域歷史上主要致洪暴雨過程，其標準如下:岷沱江3 d面雨量≥50 mm，嘉陵江3 d面雨量≥50 mm，烏江3 d面雨量≥50mm，宜賓－重慶3 d面雨量≥60 mm，重慶－萬州3 d面雨量≥60mm，萬州－宜昌3 d面雨量≥60 mm。采取3 d前后滑動法篩選出暴雨過程，初步建立各流域預報因子序列:岷沱江流域67次、嘉陵江流域68次、烏江流域73次、宜賓－重慶45次、重慶－萬州61次，萬州－宜昌79次。

由于流量與水位有很好的相關性，且水位的高低也能反映水勢的大小，因此本文也引入水位作為預報因子。針對上述個例流域暴雨過程，選取三天內各流域控制站最低水位建立相應的因子序列。

流域徑流系數(shù)也是表征雨洪關系的重要因子之一，但由于該系數(shù)歷史數(shù)據(jù)缺乏，因此選取暴雨發(fā)生前7 d面雨量之和表征流域土壤飽和程度，即徑流系數(shù)，從而組成各流域致洪暴雨過程的第三組預報因子序列。

1.2.2 預報量的建立

本文研究的對象是暴雨產生的洪水，而暴雨到洪峰形成往往有一定時間的滯后，因此統(tǒng)計各流域暴雨過程中及其結束后7 d內流域控制站最大流量和最小流量，二者之差認為是該場暴雨過程產生的凈流量，從而分別建立預報量序列。由于研究的是暴雨引發(fā)的洪水，而因為流域水庫等人工干預影響，有少數(shù)個例在暴雨發(fā)生后控制站流量增量不明顯，因此上述個例不參與方程建模。又由于三峽大壩蓄水后萬州水文站水位、流量受三峽水庫的蓄放水影響，流量無明顯的變化規(guī)律，因此放棄萬州流量預估，改將重慶－萬州、萬州－宜昌合并為重慶—宜昌流域進行預估。經篩選后各流域建模個例數(shù)分別為:岷沱江流域64次、嘉陵江流域61次、烏江流域67次、宜賓－重慶29次、重慶－宜昌42次。

1.2.3 建立方程

利用MATLAB，建立各流域凈流量與面雨量等預報因子之間的多元一次回歸預報模型(表1)。通過對各個流域暴雨致洪歷史個例進行回代，洪峰預估的擬合平均相對誤差低于20%，其中重慶－萬州區(qū)間最低為13.61%。

表1 三峽水庫上游主要流域凈流量回歸預測方程

上述流域或區(qū)間流量匯集構成三峽水庫入庫流量，則其計算式為:

式中:Q高場、Q北碚、Q武隆、Q宜賓分別為岷沱江控制站高場、嘉陵江控制站北碚、烏江控制站武隆及干流宜賓站暴雨前初始流量。由于各流域洪峰到宜昌傳播時間各有不同，經調研三峽水庫調度部門，結合氣象部門面雨量預報的時空分辨率，式(3)分別按照岷沱江前48 h流量預估、嘉陵江、烏江前24 h流量預估、宜賓－重慶前24 h流量增量、重慶－宜昌當日流量增量及宜賓前48 h流量代入計算。

由于本文預估研究的主要對象是三峽水庫入庫洪水程度，經普查長江上流歷史洪峰資料，結合相關文獻［11－14］及水文部門的標準，制定以下標準對洪水進行分級(表2)。通過上述模型計算后，按照表2開展三峽水庫入庫洪水預估，為決策服務提供參考。

表2 三峽水庫暴雨洪水程度分級

2 洪水預估方程的檢驗及評估

2010年汛期長江流域中上游發(fā)生大范圍洪水，其中嘉陵江、岷沱江及上游干流由于強降水過程頻繁，多次引起支流及干流出現(xiàn)超警戒水位洪水，三峽水庫出現(xiàn)三次洪峰超50 000 m3/s的大洪水，特別是三峽水庫出現(xiàn)建庫以來最大洪水，入庫峰值高達70 000 m3/s。2011年盡管長江流域降水總體偏少，水勢平穩(wěn)，但上游嘉陵江、烏江等支流均發(fā)生明顯洪水，引起三峽水庫出現(xiàn)兩次較大洪峰。針對近兩年三峽水庫出現(xiàn)的五次明顯洪峰及其主要支流發(fā)生的洪水，對洪水預估方程進行評估及預報試驗。

2.1 預估方程的檢驗

應用面雨量實況數(shù)據(jù)和水文資料，針對2010、2011年三峽水庫上游五次暴雨引起的洪峰及支流洪水，對預估方程的可靠性進行檢驗評估，表3所示為檢驗對比結果。通過檢驗對比可以發(fā)現(xiàn):利用面雨量實況和水文數(shù)據(jù)演算的洪峰與實況相比基本吻合，2010、2011年三峽水庫的5次洪水過程中，有4次與實況完全一致，1次預估程度大于實況，但相差僅一個量級。進一步分析流量預測的相對誤差，5次洪水過程預測的相對誤差均小于10%，最大為8.9%，最小為1.8%，特別是2010年7月20日三峽建庫以來的最大洪峰，其等級和流量預估結果與實況均十分接近。此外，三峽水庫洪水預估的中間結果－上游各子流域洪峰估算，與實況對比也表明，預估方程能準確地對各支流洪峰過程進行預估。

表3 2010－2011年三峽水庫及上游支流暴雨洪水歷史個例檢驗

雖然洪水估算與洪水實況接近，但也存在一定誤差。由于造成洪鋒誤差有很多方面原因，比如上游水庫、水利工程的人為調度，各支流洪水傳播時間估算較為粗略，從降水到形成徑流與流域的植被、地形走勢及環(huán)境關系密切，而上述因子也未進行詳盡考慮。盡管誤差存在，但由于該系統(tǒng)僅開展洪水程度的預估，并不針對洪峰流量做出具體預報。通過檢驗對比，其程度估算準確可信，因此利用氣象部門的面雨量和水文部門的水位數(shù)據(jù)建立的三峽水庫洪水預估系統(tǒng)是可靠的，其結果可為水文氣象決策服務提供參考。

2.2 預估試驗及評估

前文利用面雨量實況數(shù)據(jù)對預估方程的可靠性進行了評估。在實際應用中，使用武漢中心氣象臺逐日面雨量預報數(shù)據(jù)開展2010、2011年預估試驗及應用評估。

表4所示為2010－2011年三峽水庫及上游支流暴雨洪水預估試驗結果，可以發(fā)現(xiàn)利用面雨量預報對三峽水庫近兩年洪水程度開展預估，其對三峽上游暴雨引發(fā)的洪水能起到明顯的預報作用，5次洪峰中有3次洪水等級與預報完全一致，對2010年7月20日出現(xiàn)的70 000 m3/s特大洪峰做出的預測相對誤差僅為4.2%。而且另外2次洪水預測只相差1個等級，對于洪水的發(fā)生也有十分強的預見性。同樣可見，運用面雨量預報制作三峽上游支流的洪水預測也有一定的參考性。

表4 2010－2011年三峽水庫及上游支流暴雨洪水預估試驗

值得指出的是，面雨量預報與實況存在一定的誤差，可導致洪水程度預估誤差變大。但從業(yè)務試驗的結果來看，盡管預報與實況有所誤差，但洪水程度預估與實況基本一致，能準確地把握暴雨引發(fā)的洪水過程，包括2010年7月28日、2011年9月21日兩次洪水過程中雖然由于岷沱江、嘉陵江面雨量預報與實況相比偏小，導致洪水程度預估出現(xiàn)偏差，但由于把握住致洪暴雨過程的定性預報，因此預估結果仍反映出洪水的發(fā)生、發(fā)展趨勢。

由于預估方程是基于三峽上游各支流或區(qū)間致洪暴雨預報基礎上的，因此一旦某個支流或區(qū)域達到前文所述的面雨量標準，則啟動該模型開展預估，且實際應用中隨著預報時效的不斷臨近，面雨量預報誤差不斷減小，洪水預估程度越接近實況。

2.3 應用概述

從降水落下到形成徑流并構成洪水，往往有所滯后，且有一定的傳播時間，因此三峽上游支流或區(qū)間的暴雨不會立即在三峽水庫產生洪水。研究和前文的歷史過程普查表明，三峽上游致洪暴雨是由連續(xù)、集中的長歷時、大面積的強降水造成的，在氣象上是多種天氣尺度系統(tǒng)綜合影響的結果，具有明顯的天氣特征、環(huán)流特征及演變規(guī)律［4，10，15］。對此類致洪暴雨的天氣影響系統(tǒng)及預報時效分析表明［16－19］:3 d內能做出較為準確的定量預報，7 d內能對致洪暴雨過程做出較為明確的趨勢預報。由于降水形成的洪峰傳播到宜昌一般滯后1～3 d。因此，在致洪暴雨過程預報準確的基礎上，三峽水庫的洪水預見期將達到3～5 d以上。

2010年、2011年長江流域氣象中心在三峽上游連續(xù)性暴雨預報基礎上，利用洪水程度預估系統(tǒng)，開展了洪水程度預估試驗，試驗結果為氣象決策服務提供了直接參考，特別是在2010年7月20日迎戰(zhàn)1998年以來長江上游最大洪峰降水預報服務中，先后發(fā)布《長江流域重要氣象報告》3期，在14日指出“三峽庫區(qū)上游可能形成一次較大洪水”，18日更是明確指出“將出現(xiàn)今年以來三峽庫區(qū)最大洪水”，為防汛決策和三峽水庫防洪調度提供了氣象依據(jù)。

圖2 2010－2011年三峽水庫5次洪水過程曲線

需要指出的是，三峽洪水程度預估對象是長江上游主要支流和區(qū)間，均是長江三級以上支流，其徑流和洪峰遠遠大于1 000m3/s以上，因此預估的誤差對洪水程度影響不大，但其方法是否適用于一般河流值得進一步分析。另外，從歷史普查近兩年三峽水庫5次洪水過程線可看出(圖2)，暴雨引起的洪水漲幅明顯，往往具有波動大、峰值高的特點，與暴雨過程有很好的一致性。因此，一旦致洪暴雨預報準確，洪水預估方程對于三峽水庫這類大型洪水的預見性有很大的參考價值，在水文氣象決策服務中能有效延長洪水預見期，從而為防洪調度贏得時間。在此基礎上，進一步加強精細化雨量預報和水文模型的仿真模擬，可為水利部門防洪錯峰調度和洪水資源化利用提供參考。

3 結論

本文基于致洪暴雨實況和預報，結合長江上游支流或區(qū)域重要水文控制站的水位、流量資料，介紹了一種三峽水庫洪水程度分級預估模型建立方法及其試驗評估，旨在探索一條預測意義明確、解決問題方便的技術方法，主要結論如下。

(1)歷史回代檢驗證明該預估方程能準確對三峽水庫洪水程度進行準確估算，估算結果穩(wěn)定可靠。

(2)2010、2011年預估試驗表明，該預估方程對三峽上游暴雨引發(fā)的洪水能起到明顯的預報作用，5次洪峰中有3次洪水等級與預報完全一致，2次與預測相差1個等級。預估系統(tǒng)對三峽上游支流的暴雨洪水預測也有一定的預見性。

(3)面雨量預報與實況存在誤差，但試驗表明誤差對三峽水庫洪水程度預估影響不大，可通過滾動預報，縮小誤差，提高洪水程度預估精度。

(4)應用三峽水庫洪水預估系統(tǒng)，三峽水庫的洪水預見期可達3 d以上，能為防汛決策和三峽水庫防洪調度贏得時間。

(5)該方法適用于三峽水庫這類大型河流或區(qū)間的洪水程度預估，對一般河流的應用性需進一步分析。

由于該方法只是基于面雨量預報和少量水位數(shù)據(jù)建立的洪水程度預估方程，對洪峰傳播、徑流、土壤含水量等與洪水有較大關系的因素考慮較少，因此只能對洪水程度進行預估。開展精細的流量、水位預報，需要更為準確、定時、定量的雨量預報和水文－氣象耦合模型應用研究，要求氣象、水文部門進一步加強資料共享，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，從而為防洪調度和洪水資源化利用提供支撐。

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Flood Prediction System of Three Gorges Reservoir Based on Heavy Rains Forecast and Its Evaluation

Jin Qi1，Wang Jizhu1，Gao Qi1，Meng Yingjie1and Chen Lianghua2
(1．Meteorological Center of the Yangtze River，Wuhan 430074，China;2．Dispatch and Communication Center of Three Gorges Reservoir，Yichang 443133，China)

This paper introduces amethod for the flood level evaluation of Three Gorges Reservoir based on the heavy rains forecast and themultivariate statistics regression，using the data of hydrological control station water level and flow．The system runs stably with historical data backtracking and the evaluation tests of2010 and 2011，applies to the flood level evaluation，canmake a accurately forecast of upstream Three Gorges heavy rains and have a certain predictability for flood of upstream Three Gorges branches．The system foreseeable period can be brought forward about three days and give more time for the decision making of flood control and the operations of Three Gorges Reservoir．

the flood-resulting rainstorm;the flood degree;evaluation system;Three Gorges Reservoir

P45

A

1000－811X(2012)03－0054－05

2011－12－28

2012－02－24

中國氣象局2011年城市氣象防災減災專項“長江流域水文氣象服務試點”

金琪(1978－)，男，湖北武漢人，高級工程師，從事流域水文氣象預報與服務．E-mail:jin_qi@21cn．com