淺談美姑河流域水電站徑流預測方法

段 志 勇， 黃 波

(四川美姑河水電開發有限責任公司，四川 成都 611130)

1 流域概況

美姑河為金沙江下游左岸的一級支流，干流全長170 km，集水面積3 183 km2。美姑河流域地處大涼山腹心地帶，地理位置介于北緯27°50′～28°41′，東經102°54′～103°26′之間。美姑河屬典型的山區河流，河床強烈下切：上中游屬高原丘陵山區，山原坦蕩，殘山圓渾，大部分河谷開闊，呈“U”形或梯形，河道比降為7‰～10‰；下游河流穿行于高山峽谷間、水流切割劇烈，河谷異常深窄，呈“V”形，平均比降高達24‰。流域內由于砍伐嚴重、陡坡開荒，致使水土流失較為嚴重。

美姑河干流按一庫五級規劃方案進行開發，自上而下分別為牛牛壩(龍頭水庫)、瓦洛、瓦吉吉、柳洪和坪頭，目前已建成下游柳洪和坪頭兩座水電站。柳洪水電站壩址集水面積為2 215 km2，水庫為日調節，裝機容量180 MW。坪頭水電站位于柳洪水電站下游，壩址集水面積2 468 km2，水庫無調節能力，裝機容量為180 MW。柳洪和坪頭水電站均為單一發電工程，無防洪、航運、灌溉等綜合利用要求，汛期因水庫有排沙運行要求而完全無調節能力。

2 所實施的徑流預測項目

柳洪、坪頭水電站均為單一發電工程，實施徑流預測的目的是預測電站的來水發電能力和防洪度汛。由于電力系統規模的日益擴大和電網結構的日益復雜，電力調度機構對水電站發電能力預測的精確性要求越來越高，且因柳洪、坪頭水電站僅具備日調節能力，為典型的徑流式水電站，故對其發電能力的精確預測要求就是對美姑河徑流的精確預測。按預測期長短劃分，徑流預測分為年度徑流預測、月(周)徑流預測、日徑流預測、實時徑流預測。

(1)年度徑流預測：預測徑流量的年度數值和月度分布，用于制定水電站的年度發電計劃和設備檢修計劃。

(2)月(周)徑流預測：預測次月(周)的徑流量，用于制定水電站的月度發電計劃，確定水電站設備檢修窗口時間(可以開工和應該完工的時間)。

(3)日徑流預測：預測次日的徑流量，主要用于電力調度機構制定并網水電站的日負荷曲線計劃和水電站防洪度汛準備。

(4)實時徑流預測：測量當前的實際徑流量并預測未來幾小時的徑流量，主要用于水電站發電負荷的實時調整和水電站防洪度汛的調度操作。

作為徑流式水電站，對于日徑流預測和實時徑流預測的精確性要求非常高。因此，日徑流預測和實時徑流預測是徑流預測的重點和難點。

3 四種徑流預測方法

(1)年度徑流預測。

年度徑流量的年度數值和月度分布預測主要是從歷史統計資料、氣候類型和中央氣象臺年度天氣預報等三方面進行綜合預測。

根據對美姑河位于柳洪水電站壩址上游的拉馬水文站的水文資料進行統計顯示：柳洪水電站多年平均流量為42.8 m3/s，徑流的年際變化不大，最豐水年的平均流量為58.3 m3/s，最枯水年的平均流量為33.6 m3/s，分別為多年平均流量的1.36倍和0.79倍；徑流的年內分布與降雨年內分布相對應，豐水期(6～10月)多年平均流量為78.9 m3/s，占年徑流的77.1%，枯水期(11月～翌年5月)多年平均流量為16.9 m3/s，占年徑流的22.9%，最枯的2月份僅占年徑流的1.68%。

美姑河流域屬川西高原氣候，與云南省同屬于西南季風氣候區，具有“冬寒、春干、夏涼、秋潤”的山區性氣候特點，立體氣候明顯。美姑河流域的降水同時受西南季風和影響我國東部的副熱帶高壓控制：冬春兩季，副熱帶高壓和來自印度洋的西南暖濕氣流減弱并退出大陸，美姑河流域幾無降水，徑流主要靠地下水補給；夏秋兩季，副熱帶高壓擴大并控制我國東部的主要地區，此時，美姑河流域處于西南暖濕氣流控制下，降水豐沛，徑流大；特別是6月下旬至7月上旬和9月上中旬兩個時間段，副熱帶高壓北沿正處于長江干流，美姑河流域則處于副熱帶高壓西沿、西南暖濕氣流和副熱帶高壓交匯處，往往連續降雨，產生連續大洪水。7月中下旬和8月，美姑河流域易處于副熱帶高壓內，高溫少雨，往往一、兩周無降雨。美姑河所處氣候類型規律性強，與徑流統計資料相符合，年度徑流量預測可以以多年平均徑流量為基準。

中央氣象臺年度天氣預報是中國最權威氣象機構根據全球大氣環流，特別是亞洲-太平洋-印度洋大氣系統運行規律并結合厄爾尼諾現象、拉尼娜現象等因素及歷史統計規律對我國全國范圍的天氣預報，其重點是降水預報。我們根據中央氣象臺年度天氣預報對美姑河所屬區域的預報(如偏豐、或偏枯)在多年平均徑流量的基準上進行豐枯修正，作出年度徑流量預測。

(2)月(周)徑流預測。

月(周)徑流量的預測主要是以年度徑流預測的月度徑流數值為基準，結合當年以往月份的實際徑流情況和中央氣象臺未來3～10 d的天氣預報情況進行綜合確定。

年度徑流預測實際上是根據歷史統計規律、氣候規律和宏觀天氣系統年度預報綜合預測的年內各月的徑流數值，故其月度徑流預測理應以年度徑流預測月度數值為基準。

當年以往月份的實際徑流情況能反映流域當年徑流量的豐枯情況以及流域土壤的整體含水情況(即地下水儲備情況)，根據美姑河流域多年的統計經驗：每年4、5月份的降水徑流情況能夠很好地反映當年的徑流豐枯情況，4、5月份降水越多，則汛期越長、年徑流越偏豐，反之，則汛期越短、越偏枯；每年9、10月份的降水分布情況能夠很好地預示枯水期前期的徑流量，9、10月份降水分布越均勻，則土壤含水量在汛末越高，地下水越豐富，枯水期前期徑流越豐沛穩定；反之，如果9、10月份降水分布不均或主要由一、兩場大雨構成，則枯水期的前期徑流可能快速消退。

我們主要利用中央氣象臺未來3～10 d的天氣預報中對宏觀天氣系統中的氣象變化過程和區域降雨過程的分析和預報來預測美姑河流域主要降水過程的時間和強度，特別是能夠較準確地預示美姑河的汛初(6月下旬、7月上旬)和汛末(9月中上旬)的兩次強降雨的開始時間。根據當年以往月份的實際徑流情況和中央氣象臺未來3～10 d的天氣預報，對年度預測的月度徑流基準進行具體的調整，能夠得到高準確度的月度徑流量預測值。

根據當前降水和徑流情況，結合中央氣象臺未來3～10 d的天氣預報，也能夠得出準確度較高的周徑流預測。

(3)日徑流預測。

日徑流量預測準確度要求高，我們主要根據當前降雨徑流情況和中央氣象臺未來3 d的天氣預報進行預測。

當前的降雨徑流情況為次日的徑流提供了一個基礎值，如果上游無降雨，則次日徑流會在當前徑流的基礎上逐漸減少；如果上游日內有降雨，則次日徑流將會在當前的徑流基礎上增加，具體增加的徑流量和時間可以根據歷史統計得出的典型“降雨量-徑流過程”系列曲線進行疊加計算。

中央氣象臺未來3～10 d的天氣預報將全國降水量預報細分為24 h、48 h、72 h預報，主要是進行區域天氣變化過程和降水過程的分析和預報，對局部的小范圍強對流降雨天氣不能覆蓋預報。美姑河流域的降水主要是區域性的天氣變化過程引起的降水，很少發生局部的強對流降雨，所以，利用中央氣象臺的3 d天氣預報能夠較準確地預測美姑河流域的次日降雨，進而根據典型“降雨量-徑流過程”系列曲線對次日徑流預測值在前述計算基礎上再次進行疊加計算。由于美姑河流域面積小，在利用中央氣象臺的天氣預報時，需要特別注意降雨的實際時間與預報時間的偏差，實際的降雨日期可能發生在預報日期的相鄰日期，所以，在利用中央氣象臺的天氣預報進行預測時，要同時利用中央氣象臺提供的實時降水圖和實時天氣分析圖，以減少預測的時間偏差，提高次日徑流預測的準確度。

(4)實時徑流預測。

由于柳洪水電站和坪頭水電站均為徑流式水電站，汛期水庫更是因有排沙運行要求而完全無調節能力，所以，在日常的水庫發電調度中需要高準確度的實時徑流預測，特別是降雨豐沛的汛期。實時徑流預測，一是根據水電站各相關實時參數計算當前的實際徑流量及其變化趨勢；二是根據流域最近數小時的降雨量數據和上游水位站自動流量數據預測水電站未來數小時的入庫徑流量。

當前徑流量可根據“入庫流量=發電流量+泄洪流量+蓄水流量”進行計算。發電流量根據水輪發電機組的“流量-水頭-出力”運行特性曲線計算得出、泄洪流量根據閘門的“水位-開度-流量”曲線計算得出，蓄水流量根據水庫的“水位-庫容”曲線和時間計算得出。為提高計算效率、消除每次計算的人工偏差，在美姑河流域柳洪和坪頭水電站的實時流量計算中，我們利用相關曲線公式或將相關曲線擬合成公式制作成了一個標準化的EXCEL表格進行自動計算，值班人員只需輸入出力(功率)、水位、開度和時間，表格便能自動計算出當前的實際流量，然后與前一個時間點的流量進行比較，即可得到精確的當前徑流量和流量變化趨勢。

未來數小時的入庫徑流量預測首先根據上游水位站自動測量的流量數據，按照歷史統計的水位站與水庫之間的“流量-傳遞時間”曲線，預測水電站未來某一時間的入庫流量，然后根據流域最近數小時的降雨量數據，按照“降雨量-徑流過程”系列曲線預測上游水位站的徑流量變化和上游水位站至電站水庫區間流量的變化，以綜合預測未來數小時的水電站入庫徑流趨勢。

4 結 語

美姑河流域采用的這套綜合徑流預測方法是在多年的實踐中不斷總結完善出來的，并在實踐中不斷得到檢驗。美姑河流域實施的這套綜合徑流預測方法預測效果好，系統成本低(只需要一套普通水情測報系統)，但其對實施預測工作的人員素質要求較高，預測人員需要掌握天氣原理、地理水循環、水力學、統計歸納、數學模型等綜合知識并需要較長的時間積累經驗。

美姑河流域采用的這套綜合徑流預測方法對中小型流域的徑流預測具有借鑒參考意義，特別是同氣候、地貌類型的中小型流域。

參考文獻：

[1] 李益民，段佳美.水庫調度[M].北京：中國電力出版社，2004.