上游水電工程對毛爾蓋水電站洪水預報影響研究

王 濤，徐海麗，李 銘

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

上游水電工程對毛爾蓋水電站洪水預報影響研究

王 濤，徐海麗，李 銘

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

以四川黑水河流域毛爾蓋水電站為例，研究上游已建中小型水電站對毛爾蓋水電站洪水預報影響。研究結果表明，上游已建中小型水電站對毛爾蓋水電站洪水預報精度影響較大，需根據影響程度及時修正預報方案，并在預報方案編制過程中加強人工干預功能，采用實時校正和多種水文模型預報方法，提高洪水預報精度。

洪水預報；人工干預；實時校正；毛爾蓋水電站

0 引 言

隨著社會經濟發展，人類活動對流域下墊面條件改變越來越大，給洪水預報作業帶來不同程度影響，其中以水電工程和土地利用/覆被變化影響較為顯著。李艷等[1]研究人類活動對北江流域徑流變化影響，發現城市化進程和植被減少造成流域內徑流量增加。李子君和李秀彬[2]研究表明修建水利工程、引水、實施水土保持等措施，使潮河流域年徑流量呈明顯減少趨勢。已建水電工程對洪水預報影響是一個突變過程，影響較為明顯，而土地利用/覆被變化對洪水預報影響是一個漸變過程，時間尺度較長，主要影響模型參數率定。目前，各大流域已建或在建大量水電工程，改變了流域原有產匯流規律，給流域洪水預報帶來新的挑戰。同時，上游已建水電工程對下游洪水預報影響研究具有普遍性，研究成果將對在建工程和下游防洪具有重要指導作用。本文以四川黑水河毛爾蓋水電站以上流域為研究對象，主要分析上游已建水電工程對洪水預報的影響，采取相應技術手段，提高洪水預報精度。

1 流域概況

黑水河系岷江上游右岸的一級支流，發源于羊拱山東麓。黑水河全長122 km，控制集水面積7 240 km2。黑水河流域多年平均年降水量835.3 mm，多年平均蒸發量1 459.4 mm。黑水河洪水過程主要為復峰過程，一次洪水過程歷時約3～5天。

黑水河干流采用“二庫五級”開發，分別為馬橋、竹格多、毛爾蓋、色爾古和柳坪水電站。其中，馬橋和毛爾蓋是具備年調節能力水庫。毛爾蓋水電站采用混合式開發方式，壩址位于黑水河干流毛爾蓋河匯口下游，控制集水面積為5 317 km2，廠址位于黑水河干流龍壩溝溝口上游的俄石壩附近，控制集水面積為5754 km2，裝機容量420MW。

2 上游水電工程對洪水預報影響

對毛爾蓋水電站以上流域，人類活動對洪水預報的影響表現為改變了流域下墊面條件，集中體現在修建山塘、塘壩以及水電站等，其中修建水電站影響最大。毛爾蓋水電站以上流域已建水電站統計情況[3- 4]見表1。右岸支流黑水河上已建有二道橋和竹格多水電站，均為日調節水庫。黑水水文站位于二道橋和竹格多水電站之間，其監測流量為竹格多入庫流量。左岸支流毛爾蓋河上已建有晴朗水電站，具備日調節能力，晴朗水文站位于晴朗水電站以下。本文通過水文模型模擬洪水過程與實測洪水過程對比方法，分析研究上游已建水電工程對毛爾蓋水電站洪水預報影響程度。即，采用新安江模型模擬毛爾蓋水電站壩址2009年7月14日發生的一場洪水過程，并假定新安江模型模擬結果作為理想天然流域洪水過程，而實際生的洪水作為受到人類活動影響的洪水(見圖1)。

表1 毛爾蓋水電站以上已建水電站統計

水電站正常蓄水位以下庫容/億m3裝機容量/MW調節能力建成年份二道橋0.0028955日調節2004年竹格多0.0078480日調節2006年晴朗0.002045180日調節2011年毛爾蓋5.35420年調節2011年

圖1 新安江模型模擬20090714洪水過程

從圖1可知，第一個洪峰和第二個洪峰，實測均比模型模擬結果偏小，而最后一個洪峰實測比模型模擬結果偏大。毛爾蓋水電站壩址洪水過程主要受到上游二道橋和竹格多水電站調蓄影響(晴朗水電站此時尚未建成運行)。在洪水起漲階段，洪水量級小，上游二道橋和竹格多電站將一部分水蓄起發電，造成第一個和第二個洪峰實測比天然小；隨著洪水持續上漲，上游日調節電站逐漸蓄滿，調蓄能力減弱，來水全部通過閘門泄洪，再加上電站發電流量，將人為加大洪水流量，造成第三個洪峰實測比天然大。

為進一步研究上游水電站對毛爾蓋壩址洪水預報影響，以黑水和晴朗水文站為上游來水控制站，采用新安江模型模擬毛爾蓋壩址2009年7月14日發生的洪水，模擬結果見圖2。黑水水文站處于二道橋和竹格多水電站之間，以黑水水文站為上游來水控制站，可消除二道橋電站調蓄對下游洪水預報影響。從圖1和圖2模擬結果對比可知，消除二道橋電站調蓄影響后，洪水預報精度有很大程度提高?？梢娚嫌尉哂姓{節能力的電站對下游流域洪水預報精度影響很大。隨著梯級水電站的相繼開發，這種影響將越來越明顯。

圖2 以黑水和晴朗水文站為上游來水控制站模擬20090714洪水過程

流域上游中小型水庫對流域產流過程的主要影響是調蓄，對匯流過程主要是影響匯流面積，其對不同流域洪水預報影響具有相似性。對于中小洪水而言，中小型水庫蓄水發電對洪水流量過程影響較大；而對于大洪水而言，中小型水庫主要對洪水前期流量過程有一定影響，但隨著洪水來水量增大，水庫蓄滿后，對后續洪水流量過程幾乎沒有什么影響。同時，中小型水庫發電過程對洪水預報也有較大影響，特別是早晚發電高峰流量，給下游流域造成“人為洪水”，洪水過程出現臺級跳躍現象，造成洪水洪峰和峰現時間預報精度不高[5]。中小型水庫本身庫容較小，水庫調度制度尚存在不健全，其放水資料缺乏或不易得到，給洪水預報作業帶來很大困難。

土地利用/覆被變化涉及時間尺度較長，對洪水預報影響是一個漸變的過程，主要影響水文模型參數率定。毛爾蓋水電站以上流域人口較少，土地利用/覆被變化對洪水預報影響沒有水電工程影響突出。

3 提高洪水預報精度方法

3.1 人工干預方法

對洪水預報進行人工干預，是提高上游有中小型水庫影響的流域洪水預報精度切實可行方法。盡管中小型水庫本身庫容大小不等，每個水庫調蓄作用不一樣，放水資料也不易獲取，但水庫的發電計劃、泄洪時間和流量等仍具有一定的規律性，可根據相似性理論，找出其共性。將每場洪水發生的時間、降雨量及強度、洪峰和峰現時間，上游水電站庫容情況和發電泄洪過程等特征信息進行統計，構建歷史信息庫。采用基于主成分分析的洪水相似性方法[6]，優選出歷史上與本場洪水相似的洪水，并根據歷史相似洪水信息和處理方案，采取人工干預方法，人機交互對話功能，對未來預報洪水進行增大或減小修正，使其符合實際情況。表2為歷史信息庫中與20090714洪水特征相似的歷史洪水。隨著洪水資料的不斷積累，歷史信息庫將越來越豐富，采用選擇相似洪水，人工干預方法，預報效果也將越來越好。如果上游中小型水庫有出庫控制站，則以出庫控制站為上游來水控制站，預報下游洪水過程，同時結合氣象預報信息，延長洪水預見期，提高預報精度。

表2 相似洪水選擇情況

洪號初始土壤含水量/mm面平均雨量/mm面平均雨強/mm·h-1徑流深/mm洪峰流量/m3·s-1峰現時段/h起漲流量/m3·s-12009071412052.70.341.6594941582007071811550.60.242.056155182

毛爾蓋水電站以上支流毛爾蓋河上將陸續修建劍科、扎窩、西里水電站，屆時流域下墊面條件變得更加復雜多變。在精通水文模型理論基礎上，預報人員需從流域實際情況出發，積累資料，多調查分析，總結規律，做到理論與實際結合，積累經驗，加強洪水預報過程人工干預，提高洪水預報精度。

3.2 實時校正技術

實時校正技術是提高洪水預報精度的有效方法，由計算機自動完成，具有很強的操作性。實時校正方法很多，按校正內容劃分，可分為模型誤差校正、模型參數校正、模型輸入校正和綜合校正四類。模型誤差校正，以自回歸方法為典型；模型參數校正，有自適應和卡爾曼濾波校正等方法；模型輸入校正，典型方法有卡爾曼濾波、維納濾波等；綜合校正方法是前三者的結合。洪水預報過程中由于能區分利用的信息量太小，不足以達到修正模型參數、輸入誤差等目的，且復雜的實時校正技術如卡爾曼濾波技術，在水文預報中應用效果往往與簡單的自回歸方法相近[7]。本文采用遞推最小二乘法校正新安江模型模擬的毛爾蓋水電站壩址20090714洪水，以黑水和晴朗水文站作為上游來水控制站，校正效果見圖3。校正結果表明，采用實時校正技術，特別是預報在受上游水電工程運行影響的洪水過程中，可以較大程度提高洪水預報精度。遞推最小二乘法是洪水預報中較為常用的實時校正方法，若采用其他實時校正方法也可取得類似效果。實時校正效果與實測洪水樣本數量有關。在實際洪水預報作業過程中，常常不能及時獲取上游水電工程調蓄過程，信息量有限，需要不斷收集上游水雨情信息據，進行數據挖掘，增加可利用信息量，并加入實時校正技術，提高洪水預報精度。

圖3 遞推最小二乘法校正20090714洪水過程

3.3 多種水文模型綜合對比

流域產匯流過程與降雨強度、前期土壤含水量等因素有關，可采用多種水文模型預報，綜合對比，合理選用[8]，提高預報精度。圖4是采用新安江模型、混合產流模型[9]和人工神經網絡模型[10]模擬預報毛爾蓋水電站壩址20090714洪水過程。從模擬預報結果可知，人工神經網絡模型對這場洪水模擬過程最好，新安江模型和混合產流模型模擬結果非常接近。新安江模型和混合產流模型屬概念性模型，模型預報外延性較好。人工神經網絡模型具備較強的學習能力，能對上游中小型水庫影響進行學習，隨著洪水樣本的增加，預報效果將越來越好，比較適用于受人類活動影響流域的洪水預報。采用多種水文模型預報，綜合對比，可提高洪水預報結果的可靠性。

圖4 新安江模型、混合產流模型和人工神經網絡模型模擬20090714洪水過程

4 結 語

通過研究上游水電工程對毛爾蓋水電站洪水預報影響，得到以下結論：

(1)上游已建水電工程對毛爾蓋壩址洪水預報精度影響較大，需根據情況對預報方案作適當修正。

(2)理論與實際結合，積累經驗，加強洪水預報中人工干預功能，是提高在有上游水電工程影響

下洪水預報精度的重要方法。

(3)采用實時校正技術和多種水文模型預報綜合對比，在一定程度上能提高洪水預報精度和可靠性。

[1]李艷， 陳曉宏， 王兆禮. 人類活動對北江流域徑流系列變化的影響初探[J]. 自然資源學報， 2006， 21(6)： 910- 915．

[2]李子君， 李秀彬. 近45年來降水變化和人類活動對潮河流域年徑流量的影響[J]. 地理科學， 2008， 28(6)： 809- 813．

[3]王志偉. 抓住機遇， 及時開發黑水河流域水電資源[J]. 四川水力發電， 2003， 22(1)： 4- 6．

[4]宋勝武， 蔣峰， 陳萬濤. 汶川地震災區大中型水電工程震損特征初步分析[J]. 四川水力發電， 2009， 28(2)： 1- 8．

[5]沈清德， 全鴻烈. 水庫上游水利工程對中小型水庫洪水預報的影響[J]. 東北水利水電， 2002， 21(3)： 43- 44．

[6]萬新宇， 包為民， 荊艷東， 等. 基于主成分分析的洪水相似性研究[J]. 水電能源科學， 2007， 25(5)： 36- 39．

[7]包為民. 洪水預報信息利用問題研究與討論[J]. 水文， 2006， 26(2)： 18- 21．

[8]張建云. 中國水文預報技術發展的回顧與思考[J]. 水科學進展， 2010， 21(4)： 435- 443．

[9]包為民， 王從良. 垂向混合產流模型及應用[J]. 水文， 1997 (3)： 18- 21.

[10]吳超羽， 張文. 水文預報的人工神經網絡方法[J]. 中山大學學報： 自然科學版， 1994， 33(1)： 79- 90．

(責任編輯陳 萍)

Influences of Upstream Hydropower Projects on Flood Forecasting in Maoergai Hydropower Station

WANG Tao, XU Haili, LI Ming

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The influences of upstream hydropower projects on flood forecasting in Maoergai Hydropower Station are studied. The results show that the built medium and small sized hydropower stations in upstream reach have greater effects on the accuracy of flood forecasting. The accuracy of flood forecasting could be effectively improved by using the methods of manual intervention function, real-time correction and multiple hydrologic models in forecasting process．

flood forecasting; manual intervention function; real-time correction; Maoergai Hydropower Station

2014- 10- 14

成都院青年創新基金項目(P195- 2013)

王濤(1982—)，男，湖北京山人，高級工程師，博士，主要從事洪水預報研究工作．

TV124

A

0559- 9342(2015)12- 0021- 04