大伙房水庫入庫流量短期預(yù)報(bào)方法研究

馬驍穎 張昱 李文博 李俊樂 鄭國偉 沈斌 劉多文 喬延艷

摘要 以大伙房水庫規(guī)模和作用為背景，以庫區(qū)和水源區(qū)流域降水及入庫流量歷史資料為依據(jù)，探討了短期水情預(yù)測方法問題。結(jié)果表明，大伙房水庫水源區(qū)年平均降水量為782.5 mm，7—8月占比50%；大伙房水庫年度入庫流量在2.9～176.5 m3/s之間，主要流量集中在7—8月，占全年1/2以上，為防汛關(guān)鍵期；用本站和流域當(dāng)日降水量和前1 d入庫流量為預(yù)報(bào)因子，完成了大伙房72 h入庫流量短期預(yù)報(bào)方法的研究并建立了業(yè)務(wù)應(yīng)用資料系統(tǒng)，為大伙房水庫今后開展未來3 d以內(nèi)水情預(yù)報(bào)工作提供了可能。

關(guān)鍵詞 大伙房水庫；入庫流量；預(yù)測方法；回歸分析

中圖分類號 P332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）04-0207-03

大伙房水庫流域位于東經(jīng)124°04′～124°21′，北緯41°50′～41°56′，流域面積5 437 km2。大伙房水庫水資源比較豐富，現(xiàn)已成為遼寧七大城市居民飲用水的重要水源地，是撫順地區(qū)氣象重點(diǎn)服務(wù)單位。大伙房水庫水源區(qū)包括清原縣中南部、新賓縣中北部和撫順縣的東南部地區(qū)。大伙房水庫位于遼東迎風(fēng)坡，主流域?yàn)闁|西溝，主流域南北兩側(cè)為山脈，中間為河谷地帶，東窄西寬，呈狹管狀，河水自東向西流，大伙房水庫狹長，庫區(qū)面積110 km2，總庫容22億m3，平均水深12 m，最大深度36 m，屬于大型水體。大伙房水庫位于天氣運(yùn)動(dòng)方向的上游，天氣系統(tǒng)多由西向東進(jìn)入撫順地區(qū)，地形西低東高，有氣流抬升和匯聚作用，有利于降水形成，對天氣系統(tǒng)有很好的水汽補(bǔ)充作用，從地形到天氣運(yùn)動(dòng)方向都對水庫水源區(qū)降水有利。

撫順地區(qū)下轄3個(gè)縣，即清原縣、新賓縣和撫順縣，撫順地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。一年當(dāng)中大部分時(shí)間以蒙古氣旋、鋒面等北方天氣為主，只有盛夏季節(jié)在副熱帶高壓北上時(shí)有黃渤海氣旋、華北氣旋、河套倒槽等南來天氣系統(tǒng)帶來強(qiáng)降水。7月中旬至8月中旬為主汛期，是暴雨、大暴雨最集中的時(shí)期。

從現(xiàn)代水利建設(shè)情況看，城鄉(xiāng)水網(wǎng)工程建設(shè)日趨完善，極大地改善了自然水環(huán)境。然而，因水致災(zāi)情況仍時(shí)有發(fā)生，洪澇、干旱仍在持續(xù)困擾著國家經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。撫順地區(qū)2013年“8·16”特大洪水造成的損失歷歷在目，通過“8·16”特大洪澇災(zāi)害折射出很多值得研究的問題，降水量再創(chuàng)新高，局地超過400 mm，超出了近60年來局地日最大降水記錄164 mm。清原縣位于遼東山區(qū)，自然植被條件非常好，很少發(fā)生山體滑坡，但“8.16”洪災(zāi)造成了大量的山洪泥石流和多處小范圍山體滑坡，一次洪災(zāi)造成全縣經(jīng)濟(jì)損失60億元以上。

綜上所述，治水要發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，要變被動(dòng)為主動(dòng)。根據(jù)水庫水情管理和防汛工作需要，加強(qiáng)水庫來水預(yù)報(bào)對水庫安全管理和水情的掌控具有重要意義。

1 資料與方法

入庫流量是水庫來水的重要指標(biāo)，決定來水大小的主要影響因素又與水源區(qū)降水密切相關(guān)，故上游降水是預(yù)測來水的重要依據(jù)[1-2]。本研究的分析資料源于大伙房水庫管理局，選取2003—2013年庫區(qū)和流域逐日降水資料和入庫流量資料。

采用多元回歸方法建模，選擇水庫本站日降水量、流域降水量和前1 d入庫流量為預(yù)報(bào)因子，分別建立24、48、72 h入庫流量預(yù)報(bào)模式?；貧w模型：y=b0+b1x1+b2x2+b3x3。式中：y代表回歸預(yù)報(bào)值，b0為回歸常數(shù)，b1、b2、b3為多元回歸系數(shù)；x1代表本站降水，單位為mm/年；x2代表流域降水量，單位為mm/年；x3代表前1 d入庫流量，單位為m3/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)因子分析

大伙房水庫對來水的制約因素較多，如上游水庫的控制、農(nóng)業(yè)是否用水、土壤水分狀況、降水量的大小、降水強(qiáng)度（小時(shí)降水量）、降水性質(zhì)（陣性非陣性）、降水所在位置的遠(yuǎn)近、降水區(qū)域大?。ň植糠蔷植浚?、降水特點(diǎn)（連續(xù)非連續(xù)）等。因此，新增流量與上游降水的關(guān)系比較復(fù)雜，水源區(qū)降水不一定與來水完全成正比，離水庫越遠(yuǎn)的地方的降水對水庫來水的影響越小、越滯后，水庫周邊地帶降水與水庫來水關(guān)系密切[3-4]。相對而言，干旱時(shí)期降水不易產(chǎn)生徑流，強(qiáng)降水有利來水的增加[5-6]。

據(jù)1959—2000年大伙房水庫33個(gè)雨量站資料統(tǒng)計(jì)，水源區(qū)年平均降水量為782.5 mm，年最大降水量為1 151 mm，年最小降水量為492 mm。在33個(gè)雨量站中有7個(gè)站年雨量在800 mm以上，其余26個(gè)站在800 mm以下。流域內(nèi)地區(qū)之間年平均降水量在720～880 mm之間，極差為160 mm左右。

由圖1可知，大伙房流域降水量主要集中在5—9月之間，8月降水量最大，為202.8 mm，占全年降水量的26%；其次是7月，為173.9 mm，占全年降水量的22.3%；冬季（11月至翌年3月）降水量所占比重較小，約占25%。

由圖2可知，大伙房水庫各月歷史平均流量：1—12月流量在2.9～176.5 m3/s之間；最大出現(xiàn)在7月，最小出現(xiàn)在1月和2月。從各月流量占全年流量百分比看，主要流量出現(xiàn)在7—8月，分別占全年流量的23.6%和32.0%。

各月歷史最大流量：1—12月流量在7.5～852.0 m3/s之間，其中最大出現(xiàn)在7月，最小出現(xiàn)在1月。各月最大流量極差為173.7 m3/s，極差特別懸殊。

各月歷史最小流量：1—12月最小流量在0～23.2 m3/s之間；最大出現(xiàn)在8月，最小出現(xiàn)在1月、2月和5月，分別出現(xiàn)在1998年、1996年和2002年。

1—12月平均庫容增量在4.1～296.1 m3/s之間；最大出現(xiàn)在8月，最小出現(xiàn)在1月、2月、5月，均為0，12月平均庫容增量接近為0，僅有0.2 m3/s。從各月庫容增量占全年庫容增量百分比來看，主要庫容增量出現(xiàn)在7—8月，各占全年流量的24.9%和38.8%。

從流量情況看，關(guān)于流量的預(yù)測主要應(yīng)關(guān)注4—10月夏季時(shí)間段，冬季降雪對即時(shí)性徑流影響不大。

2.2 回歸分析

通過高斯亞當(dāng)消去法算得回歸系數(shù)并分別建立降水與當(dāng)天、次日和第3天水庫入庫流量的回歸方程。經(jīng)過聯(lián)表計(jì)算、解矩陣和常數(shù)求解等實(shí)際計(jì)算，得到了大伙房水庫水源區(qū)24 h降水分別與當(dāng)日來水流量（y1）、次日來水流量（y2）和第3天來水流量（y3）之間的回歸方程系數(shù)，預(yù)報(bào)效果見圖3～5。

2.2.1 降水當(dāng)天入庫流量回歸計(jì)算結(jié)果。降水當(dāng)天入庫流量回歸預(yù)報(bào)方程為：

Y1=151.1+21.998x1-7.060 3x2+0.588 1x3

回歸效果相關(guān)檢驗(yàn)：R≈0.743，n=125，m=3，α=0.01，Rα=0.333，效果極顯著。

2.2.2 降水次日入庫流量回歸計(jì)算結(jié)果。次日入庫流量回歸預(yù)報(bào)方程為：

Y2=99.5+6.1x1+3.4x2-107.9x3

相關(guān)檢驗(yàn)：R≈0.907 9，n=69，m=3，α=0.01，Rα=0.396，效果極顯著。

2.2.3 降水第3天入庫流量回歸計(jì)算結(jié)果。第3天入庫流量回歸預(yù)報(bào)方程為：

Y3=Y=73+1.165 5x1+1.879 9x2+0.769 5x3

回歸效果相關(guān)檢驗(yàn)：R≈0.933 4，n=55，m=3，α=0.01，Rα=0.375，效果極顯著。

2.3 建立預(yù)報(bào)模板

綜合計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)完成了雨后3 d日入庫流量預(yù)測應(yīng)用電子模板和資料一體化工作簿（表1）。大伙房水庫入庫流量短期預(yù)測結(jié)果比較理想。

3 結(jié)語

本文以大伙房水庫規(guī)模和作用為背景，以庫區(qū)和水源區(qū)流域逐日降水及入庫流量資料為依據(jù)，以降水量為預(yù)報(bào)因子、入庫流量為預(yù)報(bào)對象，為建立一套預(yù)報(bào)模式和業(yè)務(wù)應(yīng)用工具開展了相關(guān)探索和研究，相關(guān)結(jié)論如下。

（1）大伙房水庫屬大型水庫且位于撫順的上游，直接關(guān)乎七大城市及下游廣大地區(qū)的用水和防汛安全，加強(qiáng)大伙房水庫水情預(yù)測工作具有重要意義。

（2）對1959—2000年大伙房水庫33個(gè)雨量站資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水源區(qū)年降水量平均為782.5 mm，年最大降水量1 151 mm，年最小降水量492 mm。降水量主要集中在7—8月，接近全年降水量的50%。其中，8月降水量最大，為202.8 mm，占26%；7月次之，為173.9 mm，占22.3%；冬季（11月至翌年3月）降水量占全年降水量的25%。

（3）大伙房水庫1—12月入庫流量在2.9～176.5 m3/s之間；主要流量集中在7—8月，分別占全年流量的23.6%和32.0%，總量占全年1/2以上，為防汛關(guān)鍵期。

（4）以庫區(qū)當(dāng)日本站降水量、流域降水量和前1 d入庫流量為預(yù)測因子，用多元回歸形式，開展了大伙房入庫流量72 h短期預(yù)測方法的研究，建立了回歸方程和模板，應(yīng)用效果比較理想。

（5）鑒于大型水庫水環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，在水預(yù)測研究方面還有較大空間，可進(jìn)行更加細(xì)化的研究，如按流域、按區(qū)塊分別建立相應(yīng)的預(yù)測模式，預(yù)測效果可能會(huì)更好。

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