巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)設計及運用

劉啟松　鄧頌霖　徐志　劉應武　周苗

摘要：針對巴基斯坦卡洛特水電站施工期洪水預測預報問題，結(jié)合吉拉姆河流域特性，設計了巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)。對預報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重要數(shù)學模型以及運行流程進行了介紹，并利用“20180420”和“20180807”洪水對預報系統(tǒng)的精確性進行了檢驗。結(jié)果表明：卡拉斯-帕坦區(qū)間兩場洪水平均洪峰相對誤差和峰時誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特壩址區(qū)間兩場洪水平均洪峰相對誤差和峰時誤差分別為0.55%和0.5h，結(jié)果均滿足要求。巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)能較好地對汛期洪水進行預報，為卡洛特水電站施。工期防洪度汛提供了科學依據(jù)和技術(shù)保障。

關鍵詞：洪水預報系統(tǒng);實時洪水預報;卡洛特水電站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中圖法分類號：P338 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.002

1研究背景

洪水預報系統(tǒng)在國內(nèi)研究開發(fā)已超過30a[1]，一開始通過研究國外系統(tǒng)總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗，經(jīng)過不斷探索，開發(fā)了大量洪水預報系統(tǒng)并不斷對其優(yōu)化，如長江流域防洪調(diào)度系統(tǒng)2和黃河防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)引等洪水預報系統(tǒng)在我國流域防洪調(diào)度上發(fā)揮至關重要的作用。這些系統(tǒng)通過分析研究洪水特點及河床變形規(guī)律，采用水文學、水力學、河流動力學等相結(jié)合的方法，建立符合流域?qū)嶋H情況的洪水預報經(jīng)驗方案和數(shù)學預報模型，輸人雨情和水情等信息，可對洪峰、洪量等洪水要素進行預報，為各級防汛指揮部門]提供決策依據(jù)4。

卡洛特水電站是“一帶一路”首個大型水電投資項目，也是“中巴經(jīng)濟走廊”首個水電投資項目5。目前卡洛特水電站處于施工關鍵期且汛期洪水較多，因此對施工期洪水預報要求較高。為保證預報精度，預報員常需對多種預報模型計算結(jié)果進行對比，作業(yè)難度大且繁雜。為解決該水電站施工期洪水預測預報這一難題，提升預報員作業(yè)效率和精度，開發(fā)了卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)。本文重點介紹當前該系統(tǒng)設計思路、使用的方法及效果，并討論了系統(tǒng)面臨的問題和挑戰(zhàn)。

2卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)

卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)主要分為預報方案構(gòu)建預報系統(tǒng)管理和洪水作業(yè)預報三大模塊（見圖1）。建設思路主要是以實時雨水情數(shù)據(jù)庫、歷史洪水數(shù)據(jù)庫、地理空間數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫等信息資源作為基礎，依托計算機網(wǎng)絡環(huán)境，遵循統(tǒng)一的技術(shù)構(gòu)架，具有系統(tǒng)管理、預報模型管理預報方案管理、模型參數(shù)率定實時交互式預報及河系洪水預報、預報評估等功能6。

2.1預報方案構(gòu)建

卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)對壩址進行的水文預報是由千流河道流量演算和區(qū)間小流域降雨徑流預報方案組成。根據(jù)該電站壩址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，將壩址以上流域劃分為8個降雨徑流計算小區(qū)，吉拉姆河流域站網(wǎng)分布見圖2。

根據(jù)降雨徑流分區(qū)和分區(qū)預報方法，針對不同降雨徑流計算區(qū)間，預報模型計算與修正系統(tǒng)水文模擬計算和洪水演算的方法也不同。當前卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)中的預報模型與修正系統(tǒng)由多個部分構(gòu)成，根據(jù)不同區(qū)間預報方法，系統(tǒng)可分成以下幾個部分。

（1）氣象預報。卡洛特水電站實時洪水系統(tǒng)中沒有氣象模型提供定量降雨預報，因此，定量降雨預報由巴基斯坦國家氣象局（PMD）提供。

（2）水文模擬。使用實時雨量與定量預報降雨值預測徑流量。使用的模型主要有API方法，單位線（UH）演算和新安江模型（XAJ）。

（3）洪水演算。使用模型預測徑流和實測徑流作為邊界條件，應用多個水力學模型和統(tǒng)計模型洪水演算程序計算不同站點的水位和流量。使用的模型有馬斯京根法，相關圖方案和水位流量關系轉(zhuǎn)換。

（4）參數(shù)率定。采用人工試錯和自動優(yōu)選2種模型參數(shù)率定方式，對水文模擬模型和洪水演算模型參數(shù)進行率定，并將流域特征參數(shù)、屬性和率定后的模型參數(shù)配置到定制的預報方案中，構(gòu)成應用支撐平臺中的方案實現(xiàn)類庫。

（5）后驗分析。即人工對模型結(jié)果進行分析的過程。結(jié)合不同模型給出的預報結(jié)果，考慮到人類活動或天氣動力帶來的不確定性，最終確定預報值，這是當前卡洛特洪水預報系統(tǒng)中非常重要的一不。

2.2預報系統(tǒng)管理

卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)具有完善的用戶管理、預報模型管理、預報方案管理和水文站點管理功能。

（1）數(shù)據(jù)管理。可對實時雨水情數(shù)據(jù)庫中的錯誤數(shù)據(jù)、輸入缺報的實時雨水情、假定的未來雨水情數(shù)據(jù)以及預報模型參數(shù)進行輸入和修改。

（2）水文站點管理。分為系統(tǒng)站點管理和方案站點管理2個部分。系統(tǒng)站點管理主要是在電子地圖上增加、刪除、修改水文站點的屬性;方案站點管理主要是管理預報方案中所用的預報根據(jù)站，定義區(qū)域輸入中用于計算面雨量的雨量站號，定義流量站的流量組合關系，由一般用戶管理。

（3）預報模型管理。可增加、刪除、修改預報模型，由管理員管理。

（4）預報方案管理。可刪除、修改預報方案及其屬性，由一般用戶管理。

2.3洪水作業(yè)預報

作業(yè)預報是卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)最主要的組成部分，依據(jù)人工輸入的流域定量降雨頁報、上游斷面洪水預報等數(shù)據(jù)做出預報斷面洪水預報。預報人員可根據(jù)實際需要選擇預報河系和預報斷面。實時洪水預報系統(tǒng)預報河系可選擇吉拉姆河尼拉姆河以及昆哈河，預報斷面有以下兩種選擇方式。

（1）河系洪水預報。在某一河河選擇多個預報斷面，每個斷面一個方案一次連續(xù)運算，即下游斷面依據(jù)上游斷面當次的預報結(jié)果進行預報。

（2）交互預報。在某一河系選擇一個預報斷面，多個預報方案一次運行。

根據(jù)原預報結(jié)果和最新的實測資料，需對洪水.預報結(jié)果進行實時校正以提高預報精度，還需要結(jié)合預報員經(jīng)驗和預報會商，對模型計算的預報結(jié)果進行綜合分析，并提供對外發(fā)布的預報結(jié)果。

3實例計算

目前，卡洛特洪水預報系統(tǒng)由多種模型和方法組成，結(jié)合氣象預報，水文模擬和水力學洪水演算，加之預報員經(jīng)驗分析，可為卡洛特水電站壩址提供6～12h洪水預報。在利用歷史資料對預報系統(tǒng)中的模型進行參數(shù)率定與驗證后，為驗證實時洪水預報系統(tǒng)預報洪水的可靠性和實用性，選取“20180420”和“20180807”洪水（見圖3～4）為典型洪水，利用該系統(tǒng)對吉拉姆河流域卡拉斯-帕坦區(qū)間和帕坦卡洛特壩址區(qū)間洪水進行檢驗，對洪峰、峰現(xiàn)時刻的相對誤差進行統(tǒng)計，最終評定總體效果見表1～2以及圖5～6。

由上述圖表可以看出，卡拉斯-帕坦區(qū)間檢驗*20180420”和“20180807”洪水的洪峰平均相對誤差和峰現(xiàn)誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特區(qū)間檢驗這兩種洪水的洪峰和峰現(xiàn)誤差分別為0.55%和0.5h，方案總體效果良好，預報洪水趨勢基本與實況洪水一致。計算洪峰流量值和峰現(xiàn)誤差與實況相差較小，洪峰預報、峰現(xiàn)時間預報效果良好。

4結(jié)語

本文介紹了卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模型和運行流程，并利用2018年兩場典型洪水對系統(tǒng)預報的準確性進行了檢驗。實踐表明，卡洛特水電站實時洪水預報系統(tǒng)為吉拉姆河流域卡洛特水電站施工期提供了有效的洪水預報，預報精度滿足GB/T22482-2008《水文情報預報規(guī)范》們對洪峰和峰現(xiàn)時間預報精度的要求，可為卡洛特水電站施工期順利度汛提供科學依據(jù)和技術(shù)保障。

預報模型的參數(shù)直接影響洪水預報的精度，但由于近3a典型洪水較少，導致預報模型的參數(shù)未達到最優(yōu)。隨著資料積累，洪水次數(shù)的增加，后續(xù)將對預報模型中的參數(shù)進行進一步優(yōu)化，不斷提升卡洛特水電站洪水預報系統(tǒng)的洪水預報精度。

參考文獻：

[1]謝鳴超.基于新安江模型的洪水預報系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].南昌：南昌航空大學，2018.

[2]喻杉，羅斌，張恒飛.長江流域防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)設計初探[J].人民長江，2015，46（21）：5-7，26.

[3]任偉，魏軍，楊濤.黃河防洪調(diào)度系統(tǒng)應用與展望[J].中國防汛抗旱，2011，21（3）：49-51.

[4]包為民.水文預報[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[5]鄧頌霖，楊軍，邴林，等.巴基斯坦卡洛特水電站施工期水文氣象服務實踐[J].水利水電快報，2019，40（8）：13-16，34.

[6]陸玉忠，胡宇豐，李匡，等.水電站施工期洪水預報系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].水利水電技術(shù)，2017，48（4）：30-34.

[7]GB/T22482-2008水文情報預報規(guī)范[S].

（編輯：唐湘茜）