三峽入庫站含沙量預報方法初探與試預報

王世平 王渺林 許全喜 熊金和

(1.長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局, 重慶 400014；2.長江水利委員會水文局, 湖北 武漢 430010)

水文水資源

三峽入庫站含沙量預報方法初探與試預報

王世平1王渺林1許全喜2熊金和1

(1.長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局, 重慶 400014；2.長江水利委員會水文局, 湖北 武漢 430010)

為滿足三峽水庫實時調度和管理需求，針對較小含沙量的預報，初步建立了以上下游站含沙量關系模型為基礎、結合短期水雨情預報的三峽入庫站含沙量預報體系和方法；提出了含沙量預報精度評價指標；介紹了2012年汛期泥沙試預報情況和預報精度評價結果。評價結果表明，含沙量預報與實際值較貼近，說明建立的預報體系和方法具有較好的可行性和時效性，預報精度滿足三峽水庫泥沙調度要求。

水庫泥沙;水文預報；預報體系；入庫含沙量；模型研究；三峽水利樞紐

1 概 述

水庫泥沙淤積是三峽水庫科學調度所面臨的關鍵問題之一。

目前，三峽水庫實時調度和管理所依據的水文氣象信息多以水情預報成果為主，缺乏相應的泥沙預報成果。開展三峽入庫泥沙預報技術研究工作，不僅可及時掌握了解三峽水庫不同預見期內來沙量信息，而且可填補少沙河流上大型水庫泥沙預報的空白，對于推動我國泥沙學科發展和水電工程泥沙問題研究均具有重要的理論和應用價值。

近年來，含沙量預報研究主要針對黃河流域，采用的預報方法包括輸沙單位線法、響應函數法、神經網絡法、水力學法等[1,2]。如針對黃河中游吳堡-龍門區間泥沙量過程的特點，基于統計模型方法，建立了多輸入、單輸出的龍門站含沙量過程預報方案；針對黃河中游龍門-潼關河段, 建立了基于BP 神經網絡的潼關站含沙量過程預報模型，且為提高預報模型的預報精度，利用誤差序列建立了相應的誤差自回歸模型對預報結果進行校正。對三峽泥沙預報主要針對三峽庫區，建立了基于一維水沙模型的三峽庫區泥沙預報方法和作業預報方案[5,6]。

就入庫含沙量預報而言，國內一些專家學者針對黃河小浪底水庫嘗試進行了洪峰含沙量大小(沙峰含沙量大多在200 kg/m3以上)及峰現時間的預報工作，獲得了一定的研究成果和工作經驗，但對于長江上游特別是三峽入庫主要控制站-小含沙量(沙峰含沙量大多在3 kg/m3以下)的泥沙實時預報尚屬空白。

為滿足三峽水庫實時調度和管理需求，本文提出了以上下游站含沙量關系模型為基礎，結合短期水雨情預報的三峽入庫站含沙量預報體系和方法，并介紹了2012年汛期泥沙試預報及其精度評價結果。

2 預報體系

三峽水庫入庫沙量的主要控制站有朱沱、北碚、寸灘和武隆站。根據長江上游流域特性和水情預報分區狀況，為了滿足泥沙預報需要，將以下幾個預報節點作為基本預報控制站，即金沙江的向家壩站；岷江的高場站；嘉陵江的小河壩、武勝、羅渡溪、北碚站；烏江的武隆站；長江上游干流的朱沱、寸灘和清溪場站。預報體系和流程圖見圖1。

2.1 泥沙報汛方法

傳統的懸移質含沙量測量方法具有耗時、耗人力及物力的特點，需經過取樣、沉淀、烘干稱重等環節，一般需5～7 d才能獲取含沙量資料，且資料的時效性不能滿足三峽水庫入庫泥沙預報的要求，因而需要尋求新的方法。

20世紀80年代以來，隨著科技的不斷進步，各種現場物理快速測沙方法不斷涌現，為泥沙實時監測開辟了新的途徑，這些方法主要有同位素測沙儀、振動式測沙儀、光電測沙儀及超聲波測沙儀等。其中光電測沙儀是利用光的穿透能力、后向反射衍射原理，并將其轉化為光電流，通過建立光電流與含沙量之間的關系來測量水體中的含沙量。

常用的一些快速測量含沙量的儀器主要有：基于激光衍射的現場測沙儀(LISST-100X)及基于比濁法的濁度計等。但是這些儀器均不能直接測量含沙量，而是利用其施測的物理量(LISST-100X為激光能量、濁度計為濁度)與含沙量建立相關關系的方法，從而來間接推求含沙量。

現場測沙儀(LISST-100X)在泥沙顆粒較細的情況下，由于激光光束難以穿透水體中的泥沙小顆粒，而導致測量失效。濁度儀(HACH 2100)測沙即通過接收紅外輻射光的散射量監測懸浮物質，然后通過相關分析，建立水體濁度與泥沙濃度的相關關系，進行濁度與泥沙濃度的轉化，得到泥沙含量。濁度儀測沙操作簡單，能夠快速、實時、連續測量。

2010年以來，長江水利委員會(以下簡稱長江委)水文局在朱沱、寸灘、清溪場、北碚、武隆、黃陵廟、宜昌等三峽水庫進出庫主要控制站,重點開展了2 000余次懸移質泥沙濁度儀比測試驗，以及泥沙實時預報技術的研究工作，通過不斷摸索和總結經驗，建立了各站含沙量與濁度的非線性回歸模型。

2011年5月，開始進行三峽水庫主要控制站點的泥沙實時報汛工作。2012年5月起，在上述各個站點,利用濁度儀(HACH 2100)開展泥沙實時監測與報汛工作。

2.2 泥沙預報體系和方法

查閱和研究前人有關研究成果，建立便于操作的預報經驗模型，使之適應預報作業中有限信息的實際情況來預報含沙量。下游站點的含沙量主要受上游干支流來水來沙的影響，因此，可以采用上游站含沙量、流量等參數，用水文學方法建立經驗相關關系。

本文研究的技術路線為：

(1) 收集相關水文資料，包括流量、含沙量、級配資料等。

(2) 對所收集的資料進行分析，包括洪水流量、含沙量大小、傳播時間。

(3) 采用水文學方法建立含沙量預報模型，從可操作性、預報資料的要求和預報效果等方面選定模型。

根據泥沙報汛站監測信息開展泥沙預報，不同站點的預報方法如下。

(1) 上游邊界站(向家壩、高場、武勝、羅渡溪、小河壩站)。利用未來48～72 h的流量預報成果，采用根據資料擬合的流量-含沙量相關關系查算,以得到未來含沙量預報。

(2) 北碚站。采用武勝、羅渡溪、小河壩至北碚站上下游含沙量關系模型，考慮傳播時間推求北碚站含沙量。當草街電站調度運行時，根據草街電站調度排沙計劃分析北碚站含沙量。

(3) 朱沱站。采用向家壩、高場至朱沱站上下游含沙量關系模型，考慮傳播時間推求朱沱站含沙量。

(4) 寸灘站。采用朱沱、北碚至寸灘站上下游含沙量關系模型，考慮傳播時間推求寸灘站含沙量。

(5) 武隆站。根據上游電站調度排沙計劃或結合流量-含沙量相關關系，推算武隆站含沙量。

(6) 清溪場站。采用寸灘、武隆至清溪場站上下游含沙量關系模型，考慮傳播時間推求清溪場站含沙量。

3 上下游站含沙量關系模型

根據泥沙預報體系，需要建立向家壩、高場至朱沱；武勝、羅渡溪、小河壩至北碚；朱沱、北碚至寸灘以及寸灘、武隆至清溪場站共4個區間的上下游含沙量關系。合成含沙量計算公式如下：

(1)

按流量傳播時間計算合成含沙量。以朱沱、北碚至寸灘區間為例，多年的洪水預報實踐證明，該河段的洪水傳播時間比較穩定。朱沱至寸灘相距150km，洪水傳播時間為14h左右；北碚至寸灘河長為67km，洪水傳播時間為6h左右。朱沱、北碚至寸灘區間上游合成含沙量計算公式為

(2)

利用2000年以來徑流、泥沙資料，建立上下游站含沙量關系。以朱沱、北碚至寸灘區間為例，按照長江干流朱沱站、嘉陵江北碚站不同來水情況分別建立上下游站含沙量關系。

(1) 長江干流、嘉陵江均漲水情形。共選取203次漲水過程，經分析得出，合成沙峰傳播時間為6～12h。朱沱、北碚至寸灘含沙量關系分析見圖2(a)，寸灘站含沙量計算公式為

ρ寸灘=0.843 4ρ上游合成+0.133 3，

相關系數R2=0.87

(3)

(2) 僅長江干流漲水情形。共選取92次漲水過程，經分析得出，合成沙峰傳播時間為6～12h。朱沱、北碚至寸灘站含沙量關系分析見圖2(b)，寸灘站含沙量計算公式為

ρ寸灘=0.899ρ上游合成+0.0305，

相關系數R2=0.89

(4)

4 泥沙試預報

4.1 泥沙預報精度評價指標

應從2個方面檢驗預報模型，即模型是否可用以及預報結果的精度。通常,以預報結果與實際發生結果的相似程度作為預報精度的評價標準。由于含沙量變化的不確定性因子多于洪水的不確定性因子，目前尚缺乏評價含沙量預報模型性能的合理標準。

參照GB/T22482—2008中關于洪峰流量預報許可誤差20%的要求，本次研究確定含沙量預報精度評價指標為：含沙量過程預報許可誤差按實測含沙量的30%，預報誤差小于許可誤差為合格，反之為不合格。沙峰、次洪輸沙量預報也按照實測沙峰的30%作為許可誤差。

4.2 泥沙試預報結果

利用實時監測滾動資料、水雨情預報結果，結合水庫調度方案，在2012年汛期采用上述建立的三峽入庫泥沙預報方法進行泥沙試預報工作，并采用泥沙預報精度標準來評價試預報成果。

2012年7～9月共完成36期三峽水庫入庫泥沙預報。寸灘站24h過程預報平均相對誤差為24%，預報合格率為78%。寸灘站2012年含沙量預報對比見圖3，預報結果與實測值基本相符。

2012年7～9月庫區沙峰主要集中于7月和9月，8月份無較大沙峰出現，其中9月份由于上游地區普降暴雨及二灘水電站下閘放水，寸灘站最大含沙量達到6.06kg/m3(9月5日)。對寸灘站預報的沙峰峰值和峰現時間與實時監測數據進行了對比，結果見表1。寸灘站平均預報誤差比為21%，最大誤差比為53%(7月18日預報)，平均峰現時間誤差為12h，最大峰現時間差為20h。整體沙峰預報合格率為75%。

2012年寸灘站預報輸沙總量與實測值(濁度儀報汛數據)對比見表2。2012年寸灘站輸沙總量誤差比平均為15%，最大預報誤差比為36%(7月17～19日輸沙總量預報)。整體預報合格率為83%。

5 結 論

考慮到可操作性、預報資料的要求和預報效果，建立了三峽入庫站含沙量預報體系和方法，并介紹了泥沙試預報情況。該體系的建立，使入庫泥沙預報也能像流量預報一樣具有很強的針對性和時效性，可運用于三峽入庫泥沙預測，對指導水庫泥沙實時調度具有重要的應用價值。

(1) 結合現有泥沙報汛站點狀況，提出了三峽入庫泥沙預報方法和體系。

(2) 利用2000年以來徑流、泥沙資料，建立上下游站含沙量關系模型，實踐證明，模型具有較高的精度。

(3) 提出含沙量預報精度評價指標，含沙量過程、沙峰、次洪輸沙量預報按照實測值的30%作為許可誤差。

(4) 2012年汛期泥沙試預報結果表明：預報方法可操作性強，預報與實際值較貼近，輸沙量的預報合格率為83%；預報精度滿足三峽水庫泥沙調度要求。

(5) 研究的創新點在于針對較小含沙量的預報，構建了以上下游站含沙量關系模型為基礎，結合短期水雨情預報的三峽入庫含沙量預報體系和方法。

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2015-01-20

三峽水庫科學調度關鍵技術研究2012年課題五“三峽入、出庫泥沙預測預報技術研究”(2012020007);國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)課題一“長江中游通江湖泊江湖關系演變過程與機制”(2012CB417001)

王世平，男，長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，高級工程師.

1006-0081(2015)05-0011-04

P332.5

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