紅水河龍灘水電站區(qū)間河系洪水預(yù)報(bào)方案研究

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(yù)報(bào)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(yáng)、平里河、平湖和仙人橋等支流控制站點(diǎn)，通過(guò)重要子區(qū)間分析確定重點(diǎn)關(guān)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(yù)報(bào)方案。研究結(jié)果表明：龍灘水電站最大入庫(kù)洪水洪量占比通常為無(wú)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(yù)報(bào)的關(guān)注重點(diǎn)；本研究構(gòu)建的河系洪水預(yù)報(bào)方案整體洪峰流量、場(chǎng)次洪量的平均相對(duì)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(yù)報(bào)方案能夠應(yīng)用于實(shí)時(shí)洪水作業(yè)預(yù)報(bào)中，也為進(jìn)一步提升“四預(yù)”能力筑牢基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新安江模型；河系洪水預(yù)報(bào)；無(wú)控區(qū)間；龍灘水電站

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(kù)區(qū)覆蓋了南盤(pán)江、北盤(pán)江和紅水河的部分區(qū)域［1-2］，龍灘水電站對(duì)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(yùn)行，洪水來(lái)臨前盡可能地騰空庫(kù)容，洪水過(guò)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(jí)棄水，提高汛末流域梯級(jí)蓄滿率，從而增強(qiáng)流域水資源調(diào)配能力［5-6］。

隨著水文氣象預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展［7］，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)降雨的洪水短期預(yù)報(bào)可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出未來(lái)1～3 d的洪水量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)汛期龍灘水電站洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化研究提供了技術(shù)支撐。以風(fēng)險(xiǎn)可控為前提，通過(guò)預(yù)報(bào)手段，在無(wú)明顯漲水過(guò)程階段，水庫(kù)適當(dāng)抬高庫(kù)水位運(yùn)行；在洪水到來(lái)前，水庫(kù)提前預(yù)泄不影響水庫(kù)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(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)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(jí)的發(fā)電效益，保障區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(pán)江天生橋（一級(jí)）水庫(kù)、北盤(pán)江董箐水庫(kù)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(fù)雜，洪水預(yù)報(bào)難度較大，尚未有較為完整的河系洪水預(yù)報(bào)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(rùn)地區(qū)應(yīng)用效果較好且操作簡(jiǎn)便，是比較成熟、可靠、高效的洪水預(yù)報(bào)方法［10-12］，龍灘水電站區(qū)間地處南方濕潤(rùn)地區(qū)，可使用上述模型進(jìn)行產(chǎn)匯流及洪水演進(jìn)分析計(jì)算，建立一套洪水預(yù)報(bào)生產(chǎn)應(yīng)用方案，在洪水作業(yè)預(yù)報(bào)中運(yùn)用此生產(chǎn)應(yīng)用方案，利用實(shí)測(cè)降雨、來(lái)水以及未來(lái)降雨預(yù)報(bào)信息，對(duì)未來(lái)一定時(shí)段的龍灘水電站入庫(kù)洪水做出預(yù)報(bào)。基于上述，本文開(kāi)展龍灘水電站區(qū)間河系洪水預(yù)報(bào)方案研究，包括水系站點(diǎn)選擇、暴雨過(guò)程分類(lèi)研究、預(yù)報(bào)方案構(gòu)建及參數(shù)率定等，為切實(shí)做好流域“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）工作［13-14］、提高水庫(kù)洪水防御過(guò)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(pán)江天生橋（一級(jí)）水庫(kù)、北盤(pán)江董箐水庫(kù)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(kāi)發(fā)的第七級(jí)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(kù)等控制性站點(diǎn)）至龍灘壩址所包圍的區(qū)域稱為無(wú)控區(qū)間，無(wú)控區(qū)間的實(shí)際洪水通過(guò)龍灘水電站入庫(kù)洪水減去干支流控制站經(jīng)過(guò)推移坦化后的流量過(guò)程得到。龍灘水電站的入庫(kù)洪水由南盤(pán)江、北盤(pán)江、上述5條主要支流及無(wú)控區(qū)間組成。

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

龍灘水電站區(qū)間現(xiàn)有127個(gè)雨量站，站點(diǎn)布設(shè)較為均勻，平均站網(wǎng)密度226 km2/站，可滿足編制洪水預(yù)報(bào)方案站網(wǎng)密度要求（<300 km2/站）。各區(qū)域雨量站點(diǎn)及資料情況（2007—2023年實(shí)測(cè)）見(jiàn)表2，龍灘水電站區(qū)間站網(wǎng)分布見(jiàn)圖2。

2 區(qū)間河系預(yù)報(bào)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(lái)源有上游南盤(pán)江天生橋（一級(jí)）水庫(kù)、北盤(pán)江董箐水庫(kù)以及這3個(gè)水庫(kù)所構(gòu)成的區(qū)間，本文所用洪水均為水庫(kù)調(diào)蓄之后的洪水過(guò)程。

對(duì)于上游水庫(kù)而言，天生橋（一級(jí)）水庫(kù)是紅水河梯級(jí)電站的第一級(jí)，是南盤(pán)江的重要控制節(jié)點(diǎn)，董箐水庫(kù)是北盤(pán)江流域梯級(jí)第三個(gè)電站，是北盤(pán)江的重要控制節(jié)點(diǎn)，2座水庫(kù)報(bào)汛質(zhì)量較好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在龍灘水電站建成以來(lái)的61場(chǎng)入庫(kù)洪水組成中，兩座水庫(kù)平均洪量占比均為21%，是龍灘入庫(kù)洪水的重要組成部分，因此選取天生橋（一級(jí)）水庫(kù)出庫(kù)流量和董箐水庫(kù)出庫(kù)流量作為龍灘水電站區(qū)間的上游輸入。

對(duì)于區(qū)間而言，在龍灘水電站入庫(kù)洪水組成中，各支流及無(wú)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(jiàn)表3。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各支流控制站洪量之和占龍灘水電站入庫(kù)洪量的平均比例為27%，最高為61%，是龍灘水電站入庫(kù)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(wú)控區(qū)間的洪量占比。根據(jù)龍灘水電站區(qū)間流域測(cè)站分布、各站歷史資料完整度、報(bào)汛狀態(tài)以及洪水組成情況選擇在雷公灘、沫陽(yáng)、平里河、平湖和仙人橋等水文控制站以及5個(gè)站點(diǎn)和龍灘水電站組成的無(wú)控區(qū)間上構(gòu)建龍灘水電站區(qū)間河系預(yù)報(bào)方案。

2.2 重要預(yù)報(bào)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(chǎng)次暴雨過(guò)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(guò)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(wú)控區(qū)間型，降雨場(chǎng)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(lèi)型暴雨場(chǎng)次特征值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全流域型的平均降雨時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，貴州區(qū)支流型和無(wú)控區(qū)間型次之，廣西區(qū)支流型相對(duì)最短；無(wú)控區(qū)間型的龍灘水電站平均入庫(kù)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(duì)最小。相應(yīng)的龍灘水電站平均入庫(kù)洪峰流量也有相似規(guī)律：從單場(chǎng)暴雨來(lái)看，貴州區(qū)支流型的龍灘水電站入庫(kù)洪峰流量最大值可達(dá)15 200 m3/s，入庫(kù)流量漲幅最大值12 900 m3/s；全流域支流型次之，入庫(kù)洪峰流量最大值可達(dá)10 200 m3/s，入庫(kù)流量漲幅最大值9 120 m3/s。

根據(jù)平均入庫(kù)流量漲幅、入庫(kù)洪峰流量和暴雨場(chǎng)次數(shù)量，貴州區(qū)支流型和無(wú)控區(qū)間型暴雨對(duì)龍灘入庫(kù)洪水影響較大，因此需要重點(diǎn)分析研究蒙江、壩王河、曹渡河、六硐河和無(wú)控區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)方案。

3 洪水預(yù)報(bào)方案研究

3.1 預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

洪水預(yù)報(bào)生產(chǎn)應(yīng)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(shè)雨量站的降雨量，利用泰森多邊形法計(jì)算權(quán)重得到。對(duì)于雷公灘站、沫陽(yáng)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(wú)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(kù)出庫(kù)流量。雷公灘站、沫陽(yáng)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(diǎn)出口斷面；無(wú)控區(qū)間將天生橋（一級(jí)）水庫(kù)和董箐水庫(kù)的出庫(kù)流量，雷公灘站、沫陽(yáng)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(lái)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(lái)水過(guò)程疊加得到龍灘水電站預(yù)報(bào)入庫(kù)流量過(guò)程。龍灘水電站區(qū)間河系方案結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

3.2 參數(shù)率定與精度評(píng)定

選取雷公灘站12場(chǎng)洪水、沫陽(yáng)站40場(chǎng)洪水、平里河站24場(chǎng)洪水、平湖站40場(chǎng)洪水、仙人橋站40場(chǎng)洪水、龍灘水電站50場(chǎng)洪水進(jìn)行參數(shù)率定，以確定性系數(shù)最優(yōu)作為目標(biāo)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(jiàn)表5、6。選取雷公灘站4場(chǎng)洪水、沫陽(yáng)站10場(chǎng)洪水、平里河站6場(chǎng)洪水、平湖站10場(chǎng)洪水、仙人橋站10場(chǎng)洪水、龍灘水電站11場(chǎng)洪水進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)，龍灘水電站區(qū)間河系洪水預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定按GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》［16］進(jìn)行，各斷面實(shí)測(cè)洪峰流量與率定結(jié)果、檢驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，雷公灘站、沫陽(yáng)站、平里河站、平湖站、仙人橋站和龍灘水電站率定期和檢驗(yàn)期大部分洪水洪峰預(yù)報(bào)相對(duì)誤差可以控制在許可誤差（降雨徑流預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)洪峰流量的20%作為許可誤差）范圍內(nèi)，并且洪峰預(yù)報(bào)相對(duì)誤差與洪峰流量沒(méi)有相關(guān)性和偏差，率定的參數(shù)對(duì)大部分洪水具有適用性，并且具有較好的檢驗(yàn)效果，說(shuō)明參數(shù)較為合理。

龍灘水電站區(qū)間河系洪水預(yù)報(bào)方案主要斷面洪峰流量平均相對(duì)誤差、洪量平均相對(duì)誤差和平均確定性系數(shù)見(jiàn)表7，圖5給出了河系洪水預(yù)報(bào)方案各斷面2022年較大洪水的檢驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，各斷面率定期及檢驗(yàn)期的洪峰流量平均相對(duì)誤差在5%～15%，洪量平均相對(duì)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(diǎn)預(yù)報(bào)精度較差，例如雷公灘、平里河等站點(diǎn)，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(guò)程中，水庫(kù)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(wú)控區(qū)間是組成龍灘水電站入庫(kù)洪水過(guò)程的重要部分，對(duì)龍灘水電站區(qū)間河系預(yù)報(bào)方案精度影響較大。無(wú)控區(qū)間方案模擬洪水預(yù)報(bào)的總體合格率較高，但是仍有個(gè)別場(chǎng)次預(yù)報(bào)誤差略大，分析可能的模擬預(yù)報(bào)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(kù)洪水過(guò)程中，方案模擬預(yù)報(bào)洪峰流量7 800 m3/s，實(shí)際洪峰流量9 860 m3/s，洪峰流量相對(duì)誤差為-21%，預(yù)報(bào)洪峰流量偏小。經(jīng)初步分析，龍灘水電站入庫(kù)洪峰流量的主要組成部分為董箐水庫(kù)出庫(kù)、雷公灘站和無(wú)控區(qū)間洪水，其中無(wú)控區(qū)間洪水占比相對(duì)較大。無(wú)控區(qū)間的暴雨落區(qū)位于北盤(pán)江至蒙江和布柳河一帶，北盤(pán)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(shí)間短，布柳河是最接近龍灘水電站壩址的支流，匯流時(shí)間也比較短。因此，在一些特殊的洪水場(chǎng)次，暴雨集中落于產(chǎn)匯流時(shí)間比較短的區(qū)域，洪水迅速匯集更容易造成較大的入庫(kù)洪峰流量，在今后實(shí)際預(yù)報(bào)中要加以甄別并對(duì)洪峰預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)修正。

2020年6月2—15日的龍灘水電站入庫(kù)洪水過(guò)程中，方案模擬預(yù)報(bào)洪峰流量7 140 m3/s，實(shí)際洪峰流量5 780 m3/s，洪峰流量相對(duì)誤差為24%，預(yù)報(bào)洪峰流量偏大。經(jīng)初步分析，該場(chǎng)洪水為2020年第一場(chǎng)洪水，由于前期沒(méi)有有效降雨補(bǔ)充土壤含水量，實(shí)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(duì)第一場(chǎng)暴雨洪水的調(diào)蓄作用較大，導(dǎo)致龍灘水電站的入庫(kù)流量上漲較緩。在開(kāi)展每年第一場(chǎng)入庫(kù)洪水的預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)，應(yīng)充分考慮前期降雨及流域其他水利工程運(yùn)行狀況，進(jìn)一步提高水庫(kù)入庫(kù)洪水的預(yù)報(bào)精度。

此外，若龍灘水電站上游的南盤(pán)江天生橋（一級(jí)）水庫(kù)、蒙江雷公灘站報(bào)汛時(shí)段間隔較大，有可能漏掉關(guān)鍵的上游控制斷面洪峰信息，也是造成龍灘入庫(kù)洪峰預(yù)報(bào)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(yáng)、平里河、平湖和仙人橋等水文控制站以及無(wú)控區(qū)間構(gòu)建了龍灘水電站區(qū)間河系預(yù)報(bào)洪水方案。根據(jù)入庫(kù)洪水組成分析，無(wú)控區(qū)間和貴州區(qū)支流是龍灘水電站入庫(kù)洪水的主要來(lái)源，在洪水作業(yè)預(yù)報(bào)中需要重點(diǎn)關(guān)注無(wú)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(yù)報(bào)方案模擬的各斷面洪峰流量、場(chǎng)次洪量和確定性系數(shù)均具有較高的精度，檢驗(yàn)效果較好，能夠滿足大部分入庫(kù)洪水場(chǎng)次的預(yù)報(bào)精度要求。但在洪水預(yù)報(bào)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(diǎn)；需要甄別無(wú)控區(qū)間暴雨落區(qū)為產(chǎn)匯流時(shí)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(kù)洪水；此外，對(duì)每年第一場(chǎng)入庫(kù)洪水，應(yīng)充分考慮前期降雨及流域其他水利工程運(yùn)行狀況。

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