水庫洪水預報分析論文

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1流域概況

西津水庫位于廣西橫縣縣城上游5km處的西津村，是一座以發電、通航為主兼顧灌溉效益的大型水利樞紐工程。水庫壩址以上集水面積為80901km2，其中南寧以上集水面積為73301km2，占西津水庫壩址以上集水面積的90.6%；南寧～西津集水面積為7600km2，占西津水庫壩址以上集水面積的9.4%。南寧上游宋村處分為左江和右江，左江發源于越南大涼山，全長為523km，集水面積為31500km2，占南寧以上集水面積的43.0%，占西津水庫壩址以上集水面積的38.9%；右江發源于云南省廣南縣，全長為629km，集水面積為37600km2，占南寧以上集水面積的51.3%，占西津水庫壩址以上集水面積的46.5%。流域水系及站網分布見圖2所示。

2預報思路

根據流域地形、地貌條件及所布設的水情遙測站網，按天然流域將全流域劃分為11塊即：百色以上、百色～田東、田東～下顏、下顏～南寧、龍州以上、寧明以上、新和以上、龍州＋寧明＋新和～崇左、崇左～扶綏、扶綏～南寧、南寧～西津。其中南寧～西津采用流域水文模型，其余主要采用河道洪水演進模型。

3模型概述

西津水庫實時洪水預報模型由洪水預報模型、河道洪水演進模型和實時校正模型三部分組成。洪水預報模型：通過產流、匯流計算，預報部分流域的入庫流量過程。河道洪水演進模型：根據選用的河道演進模型，計算洪水過程在主要河道中的演進過程，并給出主要控制站點的水位或流量。實時校正模型：根據選用的實時校正模型和計算與實測流量（或水位）過程從上游往下游逐級逐時段進行實時修正。模型計算流程見圖1。

3.1洪水預報模型

南寧～西津的洪水預報采用目前國內外有著廣泛應用，在濕潤、半濕潤地區行之有效的三水源新安江模型[1]。

3.1.1產匯流計算

為了反映南寧～西津流域內水文氣象特征的差異，模型分單元面積計算。根據水情自動測保系統在該流域內設計的9個遙測雨量站網（南寧、五塘、邕寧、長塘、那樓、露圩、巒城、新福、西津），將流域分為9塊單元面積；單元面積出口與流域出口用河網連接，形成單元面積～河網匯流系統；對每一塊單元面積分別進行產流、匯流計算，計算出各單元面積的入庫流量過程；將各單元面積上的入庫流量過程線性疊加，即為南寧～西津流域進入西津水庫總的入庫流量過程。

3.1.2模型參數

模型參數的初值是以具有實測水文資料的東班江露圩以上流域作為代表性流域，經模型驗證，求得其參數后，在分析參數地區規律的基礎上將其移用于無實測水文資料的其它單元面積；分別以日資料和次洪水資料對全流域進行模擬，比較實測值與計算值，優選參數。優選后的模型參數見表1。

3.2河道洪水演進模型

南寧以上左江、右江流域大部分為群山峻嶺，地勢陡峻，河谷深切，部分流域面積在越南境內。水情自動測報系統設計遙測雨量站點少，遙測水位站點較多。所以右江的百色以上、百色～田東、田東～下顏、下顏～南寧，左江的龍州以上、寧明以上、新和以上、龍州＋寧明＋新和～崇左、崇左～扶綏、扶綏～南寧預報以河道洪水演進為主。

3.2.1模型概述

目前國內外河道洪水演進大致有三種途徑：以圣維南方程組為基礎的水力學途徑；以水量平衡和蓄泄方程為基礎的水文學途徑；運用系統概念和系統分析方法的研究途徑。

1、水力學途徑

圣維南方程組屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組，目前尚無法求的其精確解析解，因而實踐中常采用近似的計算方法，直接差分法就是其中的一種方法。直接差分法是用偏差商代替偏微商，將基本微分方程離散化為差分方程，求在自變量域x～t平面差分網格上各節點近似數值解的方法。基本微分方程中的偏微商可用不同形式的偏差商即差分格式代替，從而得到不同的差分方程。水力學途徑的優點是：①可以較詳細構建河系的空間分布結構，將各種水力單元有機連接起來，進行整體計算；②可以全面、綜合、真實反映各因素間的相互作用；③有關結構彈性好、層次清晰，河系內各種水力單元易于定義和編碼；④能適合于各種初始邊界條件，適合于實測水文資料短缺地區；⑤能提供不同河段內水位的時空分布及洪水在河段內的演進過程。水力學途徑的缺點是：①所建模型的率定和檢驗需要河段地形實測大斷面資料，通常該資料獲取困難大，費用高；②實際應用時對水情信息的要求很高，操作困難大；③需與水文學模型相配合以獲取為之提供外邊界條件；③從目前的技術手段而言，研究成果一般用于規劃設計階段，流域水文模型中采用并不多。

2、水文學途徑

水文學方法是以水量平衡方程和槽蓄方程為基礎，用差分形式合解水量平衡方程與槽蓄方程。水文學方法的優點是：①能考慮主要影響因素及其相互作用，既能使計算簡化，又能保證計算精度；②結構簡單、實用，能夠較好地模擬洪水在河道中的運動，并給出洪水在河段內的主要特征值；③對基本資料和外界水情信息要求不高，可操作性強。水文學方法的缺點是：①概化相對較粗，難于詳細分析河道內復雜水流情勢以及主要特征；②難于提供河段內水位的時空分布和動態模擬洪水河段內的演進過程。

3、系統研究方法

運用系統概念和系統分析方法的研究途徑應用于河道洪水演進實際較為成功的算例和報道不多見。

根據西津水庫上游流域特點，河道洪水演進采用水文學途徑（馬斯京根分段連續演算方法）。方法的特點及參數的確定已為大家所熟知，在此不再贅述。

3.2.2模型參數

河道洪水演進采用的參數見表2。

4實時校正模型

模型預報值與實測值（流量或水位，下同）之間往往存在一定的誤差，造成兩者間誤差的因素很多，若針對某一個單一的因素，它們是難于描述和預見的。實時校正是指在每次預報做出之前，根據當時的實時信息，對預報模型的結構或參數或狀態變量或輸入向量或預報值進行某種修正，使其更符合客觀實際，以提高預報精度。

實時校正方法有許多種，主要與所選用的預報模型有關。更確切地說，主要與預報模型的“數學表達形式”及“算法”有關。對線性系統模型已有許多卓有成效的實時校正模型，如卡爾曼濾波、遞推最小二乘法、誤差自回歸模型等[3]。西津水庫實時校正模型選用遞推最小二乘法。

4.2.2離線確定

根據歷史上多場大、中、洪水的預報流量與實測流量的誤差過程分別建立方程組，用最小二乘法原理將其化為正規方程組，求解回歸系數。用上述方法求出的各組回歸系數分別進行相關分析和方差分析，并用F值對整個回歸進行顯著性檢驗，判斷其線性關系是否顯著。經檢驗后確定回歸系數。離線確定反映了回歸系數平均情況。

南寧以上左、右江河段設有較多的遙測水位站，利用已獲得的實測流量或水位與預報值間的誤差信息，通過在線逐時段追蹤方法確定回歸系數；對預報的流量逐級逐時段進行實時修正。

5應用實例

2001年7月上旬，受第3號臺風榴蓮和第4號臺風尤特的影響，珠江流域分別于7月1～4日、5～9日發生了兩次大范圍的降水過程，郁江及其上游左、右江暴發大洪水，其中右江發生超過歷史記錄的洪水，郁江干流出現建國以來的最大洪水[2]；2003年8月25日和9月5日郁江流域發生了兩次大的洪水。西津水庫實時洪水預報模型對2001年7～8月洪水和2003年兩次大的洪水進行了連續預報。由于能及時獲取水、雨情信息，預報較準確，水庫在防洪、發電等方面較為充分地發揮了綜合利用效能，取得了明顯的社會效益和經濟效益。因篇幅所限，僅列出2001年的預報成果，見表3和圖3。

6問題討論

多年實際應用結果表明，洪水預報具有較高的精度，說明采用的預報模型合理，預報思路和技術路線正確。以下三方面問題有待引起重視和深入：①研究由于西津水庫壩址以上流域面積大，南寧以上的左、右江流域大部分地區為崇山峻嶺，遙測雨量站點少，主要為遙測水位站，洪水預報以河道洪水演進為主。所以，百色、田東、下顏、龍州、寧明、新和、崇左、扶綏和南寧的遙測水位，尤其是下顏、崇左、扶綏和南寧遙測水位的精度將直接影響南寧以上流域的洪水預報精度。②南寧～西津流域是掌握下游洪水、水庫水位變化及預見期的關鍵區域，該流域內遙測雨量站點的精度對西津水庫洪水預報精度和預見期有著十分重要的影響。③南寧的洪水由上游左、右江及區間來水組成；西津水庫的洪水由南寧以上流域及南寧～西津流域來水組成。據資料統計，以上游左江來水為主而導致西津水庫發生洪水的頻率為65%，以上游右江來水為主而導致西津水庫發生洪水的頻率為19%，而兩江同時發生洪水的頻率為12.5%[2]。兩江暴雨洪水發生規律及其與南寧～西津流域洪水的組合有待深入研究。