紅水河龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案研究

2024-02-18 18:50:31杜勇付宇鵬韋永江李宗泰

人民珠江 2024年1期

杜勇付宇鵬韋永江李宗泰

摘要：龍灘水電站是珠江流域防洪控制性工程，但目前缺乏較完整的河系洪水預報方案。為充分發(fā)揮龍灘水電站的防洪調(diào)蓄作用，選取了雷公灘、沫陽、平里河、平湖和仙人橋等支流控制站點，通過重要子區(qū)間分析確定重點關注區(qū)域，利用新安江三水源產(chǎn)流模型、三水源滯后演算匯流模型和馬斯京根匯流演算法構(gòu)建龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案。研究結(jié)果表明：龍灘水電站最大入庫洪水洪量占比通常為無控區(qū)間，其次為貴州區(qū)支流（蒙江、壩王河、曹渡河、六硐河），兩者是洪水預報的關注重點；本研究構(gòu)建的河系洪水預報方案整體洪峰流量、場次洪量的平均相對誤差均為10%，平均確定性系數(shù)均在0.75以上，總體結(jié)果較好。因此，構(gòu)建的龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案能夠應用于實時洪水作業(yè)預報中，也為進一步提升“四預”能力筑牢基礎。

關鍵詞：新安江模型；河系洪水預報；無控區(qū)間；龍灘水電站

中圖分類號：TV122? 文獻標識碼：A? 文章編號：1001.9235（2024）01.0122.09

Study on River System Flood Forecasting Scheme for Longtan Hydropower Station Interval in Hongshui River

DU Yong1，F(xiàn)U Yupeng1，WEI Yongjiang2，LI Zongtai2

（1.Bureau of Hydrology of Pearl River Water Resources Commission， Guangzhou 510611， China;

2.Longtan Hydropower Plant of Longtan Hydropower Development Co.， Ltd.， Hechi 547300， China）

Abstract： Longtan Hydropower Station is a flood control project in the Pearl River Basin，but there is currently a lack of a comprehensive river system flood forecasting scheme.In order to give full play to the flood control and storage function of Longtan Hydropower Station，tributary control stations such as Leigongtan，Moyang，Pinglihe，Pinghu，and Xianrenqiao are selected，and the key areas of concern are determined through the analysis of important sub.intervals.The river system flood forecasting scheme for the Longtan Hydropower Station interval is constructed by using the Xinan River three.source runoff generation model，three.source lag routing convergence model，and Maskingen convergence algorithm.The research results show that the proportion of the maximum inflow flood volume of Longtan Hydropower Station is usually in uncontrolled intervals，followed by the tributaries in Guizhou Province （Mengjiang River，Bawang River，Caodu River，and Liudong River），which are the focus of flood forecasting.The total average relative peak flow error and the average relative flood volume error in the river system flood forecasting scheme are both 10%，and the average deterministic coefficients are above 0.75.The overall results are relatively accurate.Therefore，the river system flood forecasting scheme for the Longtan Hydropower Station interval can be applied to real.time flood operation forecasting，and it lays a solid foundation for further improving the “forecast，early warning，rehearsal，and contingency plan” capability.

Keywords：Xinan River model;river system flood forecasting;uncontrolled interval;Longtan Hydropower Station

龍灘水電站位于珠江流域西江上游紅水河段，地處廣西天峨縣境內(nèi)，壩址以上流域面積98 500 km2，庫區(qū)覆蓋了南盤江、北盤江和紅水河的部分區(qū)域［1-2］，龍灘水電站對珠江流域防洪和水資源配置有著重要的作用［3-4］。從防洪角度講，在汛期需降低至汛限水位運行，洪水來臨前盡可能地騰空庫容，洪水過程中依據(jù)西江干流防洪安全調(diào)蓄大洪水；從興利角度講，在保障下游防洪安全的前提下減少流域梯級棄水，提高汛末流域梯級蓄滿率，從而增強流域水資源調(diào)配能力［5-6］。

隨著水文氣象預報技術(shù)的發(fā)展［7］，結(jié)合數(shù)值預報降雨的洪水短期預報可準確預報出未來1～3 d的洪水量級，為實現(xiàn)汛期龍灘水電站洪水預報調(diào)度一體化研究提供了技術(shù)支撐。以風險可控為前提，通過預報手段，在無明顯漲水過程階段，水庫適當抬高庫水位運行；在洪水到來前，水庫提前預泄不影響水庫防洪功能的充分發(fā)揮［8］。因此，研究龍灘水電站區(qū)間洪水預報技術(shù)對統(tǒng)籌流域防洪和興利的需求，提高龍灘水電站洪水資源的利用效率，增加龍灘水電站及下游梯級的發(fā)電效益，保障區(qū)域社會經(jīng)濟的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展是很有必要的。

龍灘水電站區(qū)間指南盤江天生橋（一級）水庫、北盤江董箐水庫至龍灘水電站壩址間流域，該區(qū)間集水面積大、地形水系復雜，洪水預報難度較大，尚未有較為完整的河系洪水預報方案［9］。新安江三水源產(chǎn)流模型（SMS_3）、三水源滯后演算匯流模型（LAG_3）和馬斯京根匯流演算法（MSK）在南方濕潤地區(qū)應用效果較好且操作簡便，是比較成熟、可靠、高效的洪水預報方法［10-12］，龍灘水電站區(qū)間地處南方濕潤地區(qū)，可使用上述模型進行產(chǎn)匯流及洪水演進分析計算，建立一套洪水預報生產(chǎn)應用方案，在洪水作業(yè)預報中運用此生產(chǎn)應用方案，利用實測降雨、來水以及未來降雨預報信息，對未來一定時段的龍灘水電站入庫洪水做出預報。基于上述，本文開展龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案研究，包括水系站點選擇、暴雨過程分類研究、預報方案構(gòu)建及參數(shù)率定等，為切實做好流域“四預”（預報、預警、預演、預案）工作［13-14］、提高水庫洪水防御過程管控水平提供有力可靠的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

本文研究范圍為南盤江天生橋（一級）水庫、北盤江董箐水庫至龍灘水電站區(qū)間流域，集水面積28 668 km2，龍灘水電站區(qū)間有蒙江、壩王河、六硐河、曹渡河、布柳河等多條支流呈扇形匯入。其中支流蒙江建有雙河口水電站［15］，壩址位于蒙江干流河段上格凸河與漣江匯合口下游4 km處，是蒙江干流規(guī)劃開發(fā)的第七級水電站，壩址以上控制流域集水面積4 770 km2，占蒙江總流域面積的55.1%；支流曹渡河建有龍?zhí)了娬荆瑝沃肺挥诓芏珊优c其支流打貴河匯合口下游約200 m處，壩址以上控制流域集水面積1 321 km2。干支流控制站（干流和支流的水文、水庫等控制性站點）至龍灘壩址所包圍的區(qū)域稱為無控區(qū)間，無控區(qū)間的實際洪水通過龍灘水電站入庫洪水減去干支流控制站經(jīng)過推移坦化后的流量過程得到。龍灘水電站的入庫洪水由南盤江、北盤江、上述5條主要支流及無控區(qū)間組成。

龍灘水電站區(qū)間水系分布情況見圖1，龍灘水電站區(qū)間流域測站的分布情況、各站歷史資料完整度詳情見表1。

龍灘水電站區(qū)間現(xiàn)有127個雨量站，站點布設較為均勻，平均站網(wǎng)密度226 km2/站，可滿足編制洪水預報方案站網(wǎng)密度要求（<300 km2/站）。各區(qū)域雨量站點及資料情況（2007—2023年實測）見表2，龍灘水電站區(qū)間站網(wǎng)分布見圖2。

2 區(qū)間河系預報方案構(gòu)建

2.1 總體方案結(jié)構(gòu)

龍灘水電站洪水的主要來源有上游南盤江天生橋（一級）水庫、北盤江董箐水庫以及這3個水庫所構(gòu)成的區(qū)間，本文所用洪水均為水庫調(diào)蓄之后的洪水過程。

對于上游水庫而言，天生橋（一級）水庫是紅水河梯級電站的第一級，是南盤江的重要控制節(jié)點，董箐水庫是北盤江流域梯級第三個電站，是北盤江的重要控制節(jié)點，2座水庫報汛質(zhì)量較好。經(jīng)統(tǒng)計，在龍灘水電站建成以來的61場入庫洪水組成中，兩座水庫平均洪量占比均為21%，是龍灘入庫洪水的重要組成部分，因此選取天生橋（一級）水庫出庫流量和董箐水庫出庫流量作為龍灘水電站區(qū)間的上游輸入。

對于區(qū)間而言，在龍灘水電站入庫洪水組成中，各支流及無控區(qū)間（干支流控制站至龍灘壩址所包圍的區(qū)域）洪量占比情況見表3。

經(jīng)統(tǒng)計，各支流控制站洪量之和占龍灘水電站入庫洪量的平均比例為27%，最高為61%，是龍灘水電站入庫洪水的重要組成部分，其中位于貴州的蒙江、壩王河、曹渡河和平里河的洪量占比一般要高于位于廣西的布柳河的洪量占比，但低于無控區(qū)間的洪量占比。根據(jù)龍灘水電站區(qū)間流域測站分布、各站歷史資料完整度、報汛狀態(tài)以及洪水組成情況選擇在雷公灘、沫陽、平里河、平湖和仙人橋等水文控制站以及5個站點和龍灘水電站組成的無控區(qū)間上構(gòu)建龍灘水電站區(qū)間河系預報方案。

2.2 重要預報子區(qū)間分析

利用區(qū)間多源雨量信息融合分析，繪制各場次暴雨過程累積降雨量分布圖，分析暴雨落區(qū)，可將龍灘水電站區(qū)間暴雨過程大致分為全流域型、貴州區(qū)支流型、廣西區(qū)支流型和無控區(qū)間型，降雨場次分別為17、29、8、7次，貴州區(qū)支流型的降雨次數(shù)最多。不同類型暴雨場次特征值統(tǒng)計見表4。

經(jīng)統(tǒng)計，全流域型的平均降雨時長最長，貴州區(qū)支流型和無控區(qū)間型次之，廣西區(qū)支流型相對最短；無控區(qū)間型的龍灘水電站平均入庫流量漲幅最大，全流域型次之，貴州區(qū)支流型和廣西區(qū)支流型相對最小。相應的龍灘水電站平均入庫洪峰流量也有相似規(guī)律：從單場暴雨來看，貴州區(qū)支流型的龍灘水電站入庫洪峰流量最大值可達15 200 m3/s，入庫流量漲幅最大值12 900 m3/s；全流域支流型次之，入庫洪峰流量最大值可達10 200 m3/s，入庫流量漲幅最大值9 120 m3/s。

根據(jù)平均入庫流量漲幅、入庫洪峰流量和暴雨場次數(shù)量，貴州區(qū)支流型和無控區(qū)間型暴雨對龍灘入庫洪水影響較大，因此需要重點分析研究蒙江、壩王河、曹渡河、六硐河和無控區(qū)間的洪水預報方案。

3 洪水預報方案研究

3.1 預報方案構(gòu)建

洪水預報生產(chǎn)應用方案的輸入包括降雨量、蒸發(fā)量和上斷面入流量，其中降雨量為流域面平均降雨量，可根據(jù)龍灘水電站區(qū)間布設雨量站的降雨量，利用泰森多邊形法計算權(quán)重得到。對于雷公灘站、沫陽站、平里河站、平湖站和仙人橋站等上游流域區(qū)域，方案的輸入為降雨量和蒸發(fā)量；無控區(qū)間輸入則包括降雨量、蒸發(fā)量、上斷面水文站流量和上游水庫出庫流量。雷公灘站、沫陽站、平里河站、平湖站和仙人橋站各站以上區(qū)間利用新安江三水源產(chǎn)流模型和三水源滯后演算匯流模型演算至各站點出口斷面；無控區(qū)間將天生橋（一級）水庫和董箐水庫的出庫流量，雷公灘站、沫陽站、平里河站、平湖站、仙人橋站的流量作為上斷面輸入，利用馬斯京根匯流演算法演算至龍灘水電站出口斷面，區(qū)間來水利用新安江三水源產(chǎn)流模型和三水源滯后演算匯流模型演算至出口斷面，將所有來水過程疊加得到龍灘水電站預報入庫流量過程。龍灘水電站區(qū)間河系方案結(jié)構(gòu)見圖3。

3.2 參數(shù)率定與精度評定

選取雷公灘站12場洪水、沫陽站40場洪水、平里河站24場洪水、平湖站40場洪水、仙人橋站40場洪水、龍灘水電站50場洪水進行參數(shù)率定，以確定性系數(shù)最優(yōu)作為目標函數(shù)，使用單純形法作為參數(shù)優(yōu)選方法，參數(shù)率定結(jié)果見表5、6。選取雷公灘站4場洪水、沫陽站10場洪水、平里河站6場洪水、平湖站10場洪水、仙人橋站10場洪水、龍灘水電站11場洪水進行參數(shù)檢驗，龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案精度評定按GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》［16］進行，各斷面實測洪峰流量與率定結(jié)果、檢驗結(jié)果相對誤差見圖4。

從圖4可以看出，雷公灘站、沫陽站、平里河站、平湖站、仙人橋站和龍灘水電站率定期和檢驗期大部分洪水洪峰預報相對誤差可以控制在許可誤差（降雨徑流預報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差）范圍內(nèi)，并且洪峰預報相對誤差與洪峰流量沒有相關性和偏差，率定的參數(shù)對大部分洪水具有適用性，并且具有較好的檢驗效果，說明參數(shù)較為合理。

龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案主要斷面洪峰流量平均相對誤差、洪量平均相對誤差和平均確定性系數(shù)見表7，圖5給出了河系洪水預報方案各斷面2022年較大洪水的檢驗結(jié)果。

根據(jù)圖5和表7，龍灘水電站各斷面2022年較大洪水均具有較好的檢驗結(jié)果，各斷面率定期及檢驗期的洪峰流量平均相對誤差在5%～15%，洪量平均相對誤差在2%～15%，除雷公灘、平里河外其余斷面平均確定性系數(shù)均在0.80以上。但是仍有部分站點預報精度較差，例如雷公灘、平里河等站點，上游分別受雙河口電站、龍?zhí)岭娬居绊戄^大，尤其在中小洪水過程中，水庫調(diào)節(jié)作用可能比較明顯。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)前文所述，無控區(qū)間是組成龍灘水電站入庫洪水過程的重要部分，對龍灘水電站區(qū)間河系預報方案精度影響較大。無控區(qū)間方案模擬洪水預報的總體合格率較高，但是仍有個別場次預報誤差略大，分析可能的模擬預報誤差原因如下。

2010年6月27日至2010年7月5日的龍灘水電站入庫洪水過程中，方案模擬預報洪峰流量7 800 m3/s，實際洪峰流量9 860 m3/s，洪峰流量相對誤差為-21%，預報洪峰流量偏小。經(jīng)初步分析，龍灘水電站入庫洪峰流量的主要組成部分為董箐水庫出庫、雷公灘站和無控區(qū)間洪水，其中無控區(qū)間洪水占比相對較大。無控區(qū)間的暴雨落區(qū)位于北盤江至蒙江和布柳河一帶，北盤江和蒙江屬于貴州山區(qū)性河流，洪水呈現(xiàn)暴漲暴落的現(xiàn)象，產(chǎn)匯流時間短，布柳河是最接近龍灘水電站壩址的支流，匯流時間也比較短。因此，在一些特殊的洪水場次，暴雨集中落于產(chǎn)匯流時間比較短的區(qū)域，洪水迅速匯集更容易造成較大的入庫洪峰流量，在今后實際預報中要加以甄別并對洪峰預報結(jié)果進行適當?shù)慕?jīng)驗修正。

2020年6月2—15日的龍灘水電站入庫洪水過程中，方案模擬預報洪峰流量7 140 m3/s，實際洪峰流量5 780 m3/s，洪峰流量相對誤差為24%，預報洪峰流量偏大。經(jīng)初步分析，該場洪水為2020年第一場洪水，由于前期沒有有效降雨補充土壤含水量，實際區(qū)間產(chǎn)流量較小，尤其是流域內(nèi)部分地區(qū)還存在巖溶地貌，對第一場暴雨洪水的調(diào)蓄作用較大，導致龍灘水電站的入庫流量上漲較緩。在開展每年第一場入庫洪水的預報作業(yè)時，應充分考慮前期降雨及流域其他水利工程運行狀況，進一步提高水庫入庫洪水的預報精度。

此外，若龍灘水電站上游的南盤江天生橋（一級）水庫、蒙江雷公灘站報汛時段間隔較大，有可能漏掉關鍵的上游控制斷面洪峰信息，也是造成龍灘入庫洪峰預報偏差的重要原因。

4 結(jié)論

a）基于新安江三水源產(chǎn)流模型、三水源滯后演算匯流模型和馬斯京根匯流演算法，在雷公灘、沫陽、平里河、平湖和仙人橋等水文控制站以及無控區(qū)間構(gòu)建了龍灘水電站區(qū)間河系預報洪水方案。根據(jù)入庫洪水組成分析，無控區(qū)間和貴州區(qū)支流是龍灘水電站入庫洪水的主要來源，在洪水作業(yè)預報中需要重點關注無控區(qū)間和貴州區(qū)內(nèi)蒙江、壩王河、曹渡河、六硐河的洪水。

b）龍灘水電站區(qū)間河系洪水預報方案模擬的各斷面洪峰流量、場次洪量和確定性系數(shù)均具有較高的精度，檢驗效果較好，能夠滿足大部分入庫洪水場次的預報精度要求。但在洪水預報作業(yè)中，需要注意易受上游電站調(diào)節(jié)影響的蒙江雷公灘、曹渡河平里河等站點；需要甄別無控區(qū)間暴雨落區(qū)為產(chǎn)匯流時間較短的區(qū)域，此情況容易造成龍灘水電站的突發(fā)性入庫洪水；此外，對每年第一場入庫洪水，應充分考慮前期降雨及流域其他水利工程運行狀況。

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