河庫及蓄滯洪區洪水預報調度一體化技術研究

摘要：針對河庫及蓄滯洪區洪水預報調度一體化技術薄弱，尤其面臨大洪水調度決策難以實時聯動模擬的問題，從空間拓撲概化、通用化模型庫構建及方案數字化、調度規則庫構建和智能應用3個方面介紹了預報調度一體化體統構建的流程和要點，并基于大湖演算模型和水力學模型提出了可考慮蓄滯洪區的通用性預報模型，以及水庫庫區水面線預報模擬模型方法，通過空間拓撲概化和調度策略設置可實現河、庫、蓄滯洪區的上下游聯動模擬計算。以長江流域三峽水庫、中下游河湖及蓄滯洪區為研究區域，重點闡述了改進模型構建、預報調度一體化體系構建、模擬調度技術應用等環節，形成了長江中下游水工程聯合調度的體系方案，并通過設置預演洪水場景，分析了模擬的效果和合理性。研究成果可為涉及多類復雜水工程聯合調度的區域提供技術參考，為長江流域水工程實時預報調度和場景推演提供計算工具和決策依據。

關 鍵 詞：水文預報；預報調度一體化體系；大湖演算模型；水力學模型；水庫群聯合調度；蓄滯洪區；長江流域

中圖法分類號：TV697

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.007

0 引 言

預報作為防洪的重要非工程措施，和水庫調度是緊密相連、密不可分的，水文預報是水庫jfaRqzpQTpEAv3tAZ+GOMCv58QCizFzaC2X9pGFb12c=調度的重要支撐，水庫調度的結果很大程度上取決于水文預報的精度，同時水庫調度又對水文預報的結果產生影響。水工程的相繼運行使河道具有多阻斷特征，洪水傳播特性改變，影響水文預報精度。水工程的運行調度結合防洪等其他功能也需以相應的運行策略和預測為基礎，來減少運行風險，最大程度提升工程效益。因此，預報調度一體化是實現流域水資源綜合利用的重要技術手段。

近年來，水利信息化取得高速發展^［1］，國內外各機構、學者對防洪預報調度技術開展了深入的研究^［2-4］，并逐步完善實現自動化和業務化^［5-7］。如陳瑜彬等^［6］基于面向大數據平臺的網絡化服務理念、河網空間拓撲關系概化、海量數據傳輸等技術開發了洪水預報調度系統，可根據調度需求動態構建預報調度體系，高效、高精度實現流域預報調度。

中國重要河流尤其是大江大河，其防洪體系基本以堤防、重要水庫、蓄滯洪區等工程與防洪非工程措施相配套為主，考慮歷史上典型大洪水和氣候變化，水庫群的可攔蓄洪量仍存在無法完全消納超額洪量的風險。蓄滯洪區為河流防洪工程體系的最后幾道防線，已有不少學者對蓄滯洪區的使用進行了分析，提出了蓄滯洪區的洪水演進計算方法^［8］，對典型蓄滯洪區的分洪問題和效果進行了研究^［9-11］。但系統、整體地納入全部可用蓄滯洪區，以及兼顧上游水庫庫區調度風險和蓄滯洪區分洪并應用于流域大尺度的聯合預報調度一體化還未實現，在遇分洪決策或超標準洪水時難以快速給出結果支撐。

考慮長江中下游防洪的重要性和復雜性^［12-13］，本文依托長江流域防洪預報調度系統、綜合調度系統平臺建設^［14-16］，在原有的預報調度一體化體系^［6］的基礎上，分析現狀水工程條件及流域河湖特征，考慮蓄滯洪區的預報手段改進、調度策略一體化實現的關鍵環節和技術難點，提出了河庫及蓄滯洪區通用性預報模型，以期為長江流域水工程實時預報調度和場景推演提供計算工具和決策依據，并為預報調度一體化技術的推進和完善提供建議和支撐。

1 預報調度一體化模擬體系構建技術

1.1 技術難點

洪水預報調度一體化體系，是面向存在多個水工程、防洪控制節點的河流，通過設置符合各區域產匯流特性的洪水預報方案，進行水工程、防洪控制節點的洪水預報，并數字化水工程調度規則和防洪目標，進行預報與調度交互計算的體系。通過預報調度一體化體系構建和應用，可對水工程、河流防洪節點進行仿真模擬和實時調度決策。構建一體化體系主要有以下4個技術難點：

（1）水工程運行后改變了河流的天然過流狀態，基于天然來水的傳統預報方案在水工程人工操作影響下預報精度有待提高；河流水力特性的改變意味著需引入或改進預報模型方法以適應現狀水流規律，對提高水文預報精度、指導水工程精細化調度很有必要。

（2）水工程影響下河流呈現的多阻斷特征，使河流水文預報分割成多段以河道或水庫為節點的預報調度計算單元，分別演算再人工交互，大大降低了預報、決策的效率和時效性，如何把一系列計算子單元串、并聯成長河系的連續演算模式，也是預報調度一體化體系構建的關鍵和難點。

（3）水工程種類眾多，承擔的防洪任務也不盡相同，歸納、提取通用性調度規則并視防洪目標實現自動調用、人工干預，也是實現合理運用各項水工程、使效益最大化的難點和重要手段。

（4）水庫、河道防洪目標不一致，來水條件復雜，統籌協調水庫庫區土地、移民淹沒風險和下游河道防洪風險，盡量避免可能的災害損失，提升防洪調度效益，需構建精細的預報調度模型作為模擬計算工具，支撐預演風險分析和實時調度決策。

1.2 預報調度一體化體系構建

預報調度體系構建需滿足流域大型水庫單庫預報調度和聯合調度以及流域防汛水情預報精度和預見期的要求，以大型水庫、重要水文站、防汛節點、蓄滯洪區等為控制斷面構建流域預報調度一體化體系，主要有3個方面：

（1）基于空間拓撲概化圖^［6］的預報調度體系構建。分析流域中水庫、水文水位站、蓄滯洪區等重要預報調度節點的空間關系和水力聯系，以概化圖形式采用串、并聯方式將復雜河網抽象化，并分類定義概化框圖的屬性（包括測站節點類型、防洪信息等），以期為不同類型節點映射配套的預報方案和調度規則；采用樹形分層方法定義概化圖層次，劃分深度并定義計算優先級，實現體系的連續演算。

（2）通用化預報模型庫構建及預報方案數字化。常用的洪水預報模型包括新安江模型^［17］、API模型、馬斯京根演算模型、水庫調洪模型等，以及考慮江湖調蓄作用的大湖演算模型、適用于不同水流流態的水力學模型和分洪潰口模型等。將各模型算法進行獨立地通用模塊化處理，通過數據庫接口進行集成，控制斷面節點預報方案（設置模型參數）可按需靈活調用。

（3）調度規則庫構建及智能調用。不同水工程調度規程形成各自的特征規則庫，通過挖掘、分類提取通用規則庫，形成樹狀層次結構；根據水工程特性和流域防洪要求，基于調度規則庫制定通用調度方案，按優先級實現多層級調用。調度規則庫主要為調度節點運行控制約束，包含：① 水庫調度方式；② 調度節點所在河道行洪能力，主要是防洪控制站斷面的行洪參數，一般包括警戒水位、保證水位、堤防高程等;③ 蓄滯洪區的分洪條件，包括閘前水位、分洪能力、蓄洪容積、分洪方式等。在確定影響目標調度節點的調度對象范圍后，根據以下規則推算水工程組合調度方案：① 水庫和蓄滯洪區同時存在，優先利用水庫，調度水庫不能保障目標調度節點防洪安全時，動用蓄滯洪區；② 存在多個水庫聯合調度時，或根據匯流時間，或根據攔蓄效果差異，推薦水庫組合；③ 存在多個水庫聯合調度時，可根據來水的地區組成情況，推薦水庫組合；④ 存在多個水庫聯合調度時，可根據各備選方案剩余防洪庫容應對全流域防洪能力的差異，推薦水庫組合；⑤ 動用蓄滯洪區時，根據蓄滯洪區啟用次序、啟動條件、分洪方式、分洪效果等因素，推薦蓄滯洪區啟用組合。

1.3 蓄滯洪區通用性處理技術

蓄滯洪區同樣作為調度節點，其通用性處理與水庫類似，但也有所不同。一般而言，對蓄滯洪區的分蓄洪主要采用一維、二維水力學模型進行模擬，可充分考慮蓄滯洪區對洪量的吞吐作用。但綜合考慮計算效率和準確性，結合防洪調度需求，蓄滯洪區的計算往往針對分洪后對水位的壓減效果，實際作業預報中以經驗方法為主。當面臨流域面積大、蓄滯洪區分布廣且數量多、實際運用資料缺乏、蓄滯洪區地形資料不足等情況時，考慮預報調度交互效率的需求，提出蓄滯洪區的通用性處理方式，如下：

（1）定義屬性并分類。對納入預報調度一體化體系的蓄滯洪區進行分類，分類屬性包括蓄滯洪區位置信息、有效容積、重要性、經濟發展程度、人口數量等，確定各蓄滯洪區的啟用優先級別。比如長江中下游42處蓄滯洪區，按啟用優先級分為重要、一般和保留屬性。

（2）設置分洪規則庫。對各處蓄滯洪區啟用條件進行整理并指標化，與河流水系預報控制節點相對應。

（3）分洪潰口模型計算。蓄滯洪區分洪類型分為扒口、爆破、開閘等，按分洪類型設置特征參數庫，并將適用的分洪潰口演算模型^［18］納入預報調度體系，以點、線源的形式與流域分洪控制節點進行耦合，實現洪水連續演進和分洪的計算互饋。

2 預報體系模型方法

2.1 考慮分蓄洪的河道預報模型方法

對于預報要素為流量的河道防洪控制節點，蓄滯洪區的啟用與否主要影響該節點的來水量。通過經驗公式計算分洪流量過程，以旁側出流的方式，結合洪水演算方法可獲得節點的流量預報。對于預報要素為水位的河道防洪控制節點，一般采用上下游水位相關圖等方法計算，江湖影響復雜的區域一般采用大湖演算模型進行預報。對于前者，常采用水位流量關系或經驗方法分析，對于后者，同樣也是改變大湖演算模型中的入流過程來反映分蓄洪區影響。以下重點介紹考慮分蓄洪的大湖演算模型方法。

為了實時計算分析蓄滯洪區運用對干流水位的影響，對大湖演算模型^［19-20］進行改進，建立考慮蓄滯洪區運用影響的大湖演算實時調度模型。

大湖演算模型的理論依據為水量平衡，在長江中下游干流河道的水情預報中廣泛應用。其原理是將槽蓄能力大的河道看作天然湖泊，河道的槽蓄曲線當作湖泊的容積曲線，河道控制斷面的水位流量關系線當作湖泊的出流（泄流）曲線，并基于水量平衡方程進行調洪演算。蓄滯洪區運用后，河道里的洪水向蓄滯洪區排灌，相當于減少湖泊的入流；洪水滯留蓄滯洪區并與河道洪水連成一片，相當于增加河道的槽蓄能力，在槽蓄曲線上表征為同一水位級下槽蓄容量值增大。因此，對于大湖演算模型而言，蓄滯洪區運用前后模型的本質沒有發生改變，發生變化的僅有入流過程和槽蓄曲線，其中，入流過程需減去啟用蓄滯洪區的進洪過程，槽蓄曲線需加上蓄滯洪區的容積曲線。

2.2 水庫庫區水面線預報模型方法

對于水庫節點而言，在日常防洪預報調度中重點關注入、出庫流量和庫水位，均主要針對水庫自身調洪和下游河道的防洪安全，采用調洪模型即可解決水庫節點的預報調度計算問題。而對于庫區沿程具有防洪風險的水庫，還需增加庫區水面線的預報分析。通過構建庫區水面線預報模型，計算場次洪水中入庫洪水在庫區的演進過程以及水庫調洪水位變化過程，分析庫區沿程同時刻的水面線、洪水過程中的最高水面線，與移民線、土地線等設計回水成果進行對比，可進一步為實時調度中分析庫區洪水風險提供依據。

庫區水面線模型主要采用水力學模型，以圣維南方程組為基礎，基于不同差分格式對公式進行離散，采用“追趕法”等數值計算方法對離散方程進行聯立求解。

根據水庫庫區河流水系的特征可概化為一維、二維水力學模型，針對河道型水庫基本以一維模型為主?？紤]水庫預報調度的需求，水面線預報模型可用于水庫調洪計算。因此，針對水庫的水力學模型上邊界為上游流量過程，下邊界設置為閉合邊界，并在靠近壩址處設置虛擬出流河道，在該河道上設置可控水工建筑物，以虛擬泵站抽水的形式給定出庫流量序列，反推庫水位變化過程，進而得到庫區沿程各計算節點的水位，形成庫區水面線。

3 實例分析

3.1 研究區域

以2022年長江流域水工程現狀為背景，范圍包括長江流域納入聯合調度的51座水庫、中下游42處蓄滯洪區、長江干流和主要支流，以及洞庭湖、鄱陽湖兩大湖區，基本實現了長江流域主要河流、水工程的全覆蓋。水庫群及長江中下游蓄滯洪區分布見圖1～2。

3.2 預報模型構建

3.2.1 城陵磯地區改進的大湖演算模型

以長江水利委員會水文局實際作業預報方案中使用的螺山站大湖演算模型為基礎進行改進。其中，螺山站大湖演算模型范圍為長江中游宜昌站、清江高壩洲站、洞庭湖水系“湘資沅澧”控制站至螺山站。納入各模型范圍內的蓄滯洪區，作為該站大湖演算模型蓄滯洪區計算的依據。

對于模型范圍內開啟的蓄滯洪區個數和分洪過程，作為旁側出流進行計算，對入流公式改進如下：

I=Q+Q+∑Q+Q-q（1）

式中：I表示螺山站的總入流；Q、Q、Q分別表示長江干流宜昌站、清水高壩洲站、洞庭湖水系“湘資沅澧”控制站來水；Q表示范圍內無控區間的來水；q表示蓄滯洪區的分洪過程；t表示計算時段，d；τ表示蓄滯洪區分洪后至大湖演算模型出口站的傳播時間，d。

按模型范圍內開啟的蓄滯洪區個數及其特征參數，根據蓄滯洪區的容積曲線，對大湖演算模型的槽蓄曲線進行融合修正。在計算進洪過程時，考慮進洪過程合理性，初始分洪口門寬度和分洪水位均參考蓄滯洪區設計值，同時充分考慮各蓄滯洪區的設計流量，并將有效蓄洪容積作為約束。需要注意的是，大湖演算模型除基礎方案參數固定不變之外，無論是入流過程還是容積曲線，均需根據蓄滯洪區啟用個數、啟用時機動態調整參數。

3.2.2 三峽庫區水面線計算模型

基于全要素圣維南方程組構建三峽庫區的一維水文水力學耦合模型，范圍為長江干流寸灘站、烏江武隆站至三峽壩址，期間考慮烏江武隆站來水、沿程各支流來水及無控區間來水影響。河網沿程斷面采用2019年測量成果，庫區中小支流及區間降雨產流由降雨徑流模型模擬，采用松散耦合方式，根據沿程區間支流的分布位置確定與水力學模型的耦合點，無控區間則采用分段后以點的形式分布在沿程河道上進行處理。依據2020年7～8月實況資料，以寸灘、銅鑼峽、扇沱、長壽、北拱、清溪場等庫區沿程站為對象率定模型參數，見圖3。洪峰水位絕對誤差小于0.25 m，過程確定性系數為0.983～0.993。

3.3 預報調度一體化體系構建

為了實現全流域實時預報調度方案分析制作和會商即時計算的目標，基于3.2節中構建的改進大湖演算實時調度模型和三峽庫區水面線計算模型，納入51座控制性水庫群、34個主要控制站，結合前述預報調度體系構建技術，形成水文學與水動力學耦合模型、大湖演算模型等多模型集成的實時預報調度一體化計算模型工具（圖4）。該模型計算體系可實現長江流域洪水模擬分析、調度方案實時計算、方案快速比選等任務。

3.4 應用實踐

3.4.1 長江中下游分洪效果模擬

以2022年長江流域水工程現狀為條件，假設7月23日，考慮預見期強降雨影響，未來一周長江上游來水將明顯增加，若三峽水庫對城陵磯地區不再進行補償調度且中游不啟用蓄滯洪區分洪，中下游干流水位將快速上漲，蓮花塘站將于25日突破保證水位，此后仍呈上漲態勢，未來5 d，長江中下游超額洪量約30億m³。

若三峽水庫水位達到155.00 m后由對城陵磯地區防洪補償調度轉為對荊江河段進行防洪補償調度，超額洪量約15億m³，需于25日依次啟用大通湖東、共雙茶2處蓄滯洪區。確定模擬分洪的蓄滯洪區后，螺山站大湖演算模型采用的容積曲線參數變化見圖5，計算蓮花塘站7月26日14∶00最高水位在34.40 m左右，分洪前后的蓮花塘站水位變化見圖6。

3.4.2 三峽庫區水面線模擬

以2022年長江流域水工程現狀為條件，假設經上游水庫群調蓄后，7月19日寸灘站有一次80 000 m³/s量級的漲水過程，三峽水庫為配合城陵磯地區防洪7月14日已攔蓄至155.00 m，若三峽水庫維持滿發流量攔洪，7月16日庫水位攔蓄至158.00 m左右，7月19日庫水位將漲至171.00 m左右。沿程水面線外包線模擬如圖7所示，清溪場斷面以上庫段將可能超移民線，忠縣斷面以上庫段將可能超土地線。

4 結 論

本研究從空間拓撲概化、通用化模型庫構建及方案數字化、調度規則庫構建和智能調用3個方面闡述了預報調度一體化體系構建的流程和要點，并對其中不同防洪工程對象采用的預報模型方法進行了研究和改進。結合水庫運行下流域多阻斷特性、庫區的防洪需求、江湖調蓄以及蓄滯洪區分洪運用的復雜性，提出了考慮分蓄洪的河道預報模型和水庫庫區水面線預報模型。以長江流域為例，結合2022年水工程現狀，構建了包含聯合調度的51座水庫、中下游42處蓄滯洪區、長江干流和主要支流，以及洞庭湖、鄱陽湖兩大湖區的預報調度一體化體系，并通過模擬洪水場景，分析了工具模擬結果的合理性。該預報調度體系支撐了長江洪水防洪調度系列演練，也應用于近年來的長江流域實時預報調度，是重要的技術分析工具。研究成果可為流域防洪減災提供技術支撐。

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（編輯：郭甜甜）

Research on integrated technology of flood forecasting and dispatching in rivers，

reservoirs and flood diversion and storage areasZENG Ming^{1，2，3}，ZHANG Xiaohao¹，JI Guoliang⁴，XU Yinshan^{1，2，3}，ZHANG Tao^1，2，3

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.Center of Technology Innovation for Intelligent Water Simulation，Forecasting and Operation of the River Basin of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 3.Innovation Team for Flood and Drought Disaster Prevention of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 4.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract： In response to the weak integration technology of flood forecasting and scheduling in rivers，reservoirs and detention and retention basins，especially the difficulties in real-time linkage simulation facing large-scale flood scheduling decision-making，we elaborated on the process and key points of constructing an integrated forecasting and scheduling system from three aspects：spatial topology generalization，construction of a generalized model library，and construction of a digital scheduling rule library and intelligent calling.We proposed a universal forecasting model that can consider detention and retention basins based on the Great Lake routing model and hydraulic model.The simulation model method for water surface profile forecasting in reservoir areas was introduced.We also introduced the method of simulating the upstream and downstream linkage of rivers，reservoirs，and detention and retention basins through spatial topology generalization and scheduling strategy setting.We took the Three Gorges Reservoir，middle and lower reaches of rivers and lakes，and detention and retention basins in Changjiang River as the research areas，explained the improvement of model construction，the construction of integrated forecasting and scheduling system，and the application of simulation scheduling technology.Based on these factors，a system scheme for joint scheduling of water engineering in the middle and lower reaches of Changjiang River has been formed.Then，by setting up a simulated flood scene，the effectiveness and rationality of the simulation were analyzed.The results can provide technical references for regions involving joint scheduling of multiple complex water projects，and provide computational tools and decision-making basis for real-time forecasting and scheduling of water projects in Changjiang River Basin and scenario deduction.

Key words： hydrological forecast；integration of forecasting and scheduling；Great Lake routing model；hydraulic model；reservoir group joint operation；detention and retention basin；Changjiang River