淺談美姑河流域水電站徑流預(yù)測(cè)方法

段 志 勇， 黃 波

(四川美姑河水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

1 流域概況

美姑河為金沙江下游左岸的一級(jí)支流，干流全長(zhǎng)170 km，集水面積3 183 km2。美姑河流域地處大涼山腹心地帶，地理位置介于北緯27°50′～28°41′，東經(jīng)102°54′～103°26′之間。美姑河屬典型的山區(qū)河流，河床強(qiáng)烈下切：上中游屬高原丘陵山區(qū)，山原坦蕩，殘山圓渾，大部分河谷開闊，呈“U”形或梯形，河道比降為7‰～10‰；下游河流穿行于高山峽谷間、水流切割劇烈，河谷異常深窄，呈“V”形，平均比降高達(dá)24‰。流域內(nèi)由于砍伐嚴(yán)重、陡坡開荒，致使水土流失較為嚴(yán)重。

美姑河干流按一庫五級(jí)規(guī)劃方案進(jìn)行開發(fā)，自上而下分別為牛牛壩(龍頭水庫)、瓦洛、瓦吉吉、柳洪和坪頭，目前已建成下游柳洪和坪頭兩座水電站。柳洪水電站壩址集水面積為2 215 km2，水庫為日調(diào)節(jié)，裝機(jī)容量180 MW。坪頭水電站位于柳洪水電站下游，壩址集水面積2 468 km2，水庫無調(diào)節(jié)能力，裝機(jī)容量為180 MW。柳洪和坪頭水電站均為單一發(fā)電工程，無防洪、航運(yùn)、灌溉等綜合利用要求，汛期因水庫有排沙運(yùn)行要求而完全無調(diào)節(jié)能力。

2 所實(shí)施的徑流預(yù)測(cè)項(xiàng)目

柳洪、坪頭水電站均為單一發(fā)電工程，實(shí)施徑流預(yù)測(cè)的目的是預(yù)測(cè)電站的來水發(fā)電能力和防洪度汛。由于電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，電力調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)水電站發(fā)電能力預(yù)測(cè)的精確性要求越來越高，且因柳洪、坪頭水電站僅具備日調(diào)節(jié)能力，為典型的徑流式水電站，故對(duì)其發(fā)電能力的精確預(yù)測(cè)要求就是對(duì)美姑河徑流的精確預(yù)測(cè)。按預(yù)測(cè)期長(zhǎng)短劃分，徑流預(yù)測(cè)分為年度徑流預(yù)測(cè)、月(周)徑流預(yù)測(cè)、日徑流預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)。

(1)年度徑流預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)徑流量的年度數(shù)值和月度分布，用于制定水電站的年度發(fā)電計(jì)劃和設(shè)備檢修計(jì)劃。

(2)月(周)徑流預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)次月(周)的徑流量，用于制定水電站的月度發(fā)電計(jì)劃，確定水電站設(shè)備檢修窗口時(shí)間(可以開工和應(yīng)該完工的時(shí)間)。

(3)日徑流預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)次日的徑流量，主要用于電力調(diào)度機(jī)構(gòu)制定并網(wǎng)水電站的日負(fù)荷曲線計(jì)劃和水電站防洪度汛準(zhǔn)備。

(4)實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)：測(cè)量當(dāng)前的實(shí)際徑流量并預(yù)測(cè)未來幾小時(shí)的徑流量，主要用于水電站發(fā)電負(fù)荷的實(shí)時(shí)調(diào)整和水電站防洪度汛的調(diào)度操作。

作為徑流式水電站，對(duì)于日徑流預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)的精確性要求非常高。因此，日徑流預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)是徑流預(yù)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 四種徑流預(yù)測(cè)方法

(1)年度徑流預(yù)測(cè)。

年度徑流量的年度數(shù)值和月度分布預(yù)測(cè)主要是從歷史統(tǒng)計(jì)資料、氣候類型和中央氣象臺(tái)年度天氣預(yù)報(bào)等三方面進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。

根據(jù)對(duì)美姑河位于柳洪水電站壩址上游的拉馬水文站的水文資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示：柳洪水電站多年平均流量為42.8 m3/s，徑流的年際變化不大，最豐水年的平均流量為58.3 m3/s，最枯水年的平均流量為33.6 m3/s，分別為多年平均流量的1.36倍和0.79倍；徑流的年內(nèi)分布與降雨年內(nèi)分布相對(duì)應(yīng)，豐水期(6～10月)多年平均流量為78.9 m3/s，占年徑流的77.1%，枯水期(11月～翌年5月)多年平均流量為16.9 m3/s，占年徑流的22.9%，最枯的2月份僅占年徑流的1.68%。

美姑河流域?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂?，與云南省同屬于西南季風(fēng)氣候區(qū)，具有“冬寒、春干、夏涼、秋潤”的山區(qū)性氣候特點(diǎn)，立體氣候明顯。美姑河流域的降水同時(shí)受西南季風(fēng)和影響我國東部的副熱帶高壓控制：冬春兩季，副熱帶高壓和來自印度洋的西南暖濕氣流減弱并退出大陸，美姑河流域幾無降水，徑流主要靠地下水補(bǔ)給；夏秋兩季，副熱帶高壓擴(kuò)大并控制我國東部的主要地區(qū)，此時(shí)，美姑河流域處于西南暖濕氣流控制下，降水豐沛，徑流大；特別是6月下旬至7月上旬和9月上中旬兩個(gè)時(shí)間段，副熱帶高壓北沿正處于長(zhǎng)江干流，美姑河流域則處于副熱帶高壓西沿、西南暖濕氣流和副熱帶高壓交匯處，往往連續(xù)降雨，產(chǎn)生連續(xù)大洪水。7月中下旬和8月，美姑河流域易處于副熱帶高壓內(nèi)，高溫少雨，往往一、兩周無降雨。美姑河所處氣候類型規(guī)律性強(qiáng)，與徑流統(tǒng)計(jì)資料相符合，年度徑流量預(yù)測(cè)可以以多年平均徑流量為基準(zhǔn)。

中央氣象臺(tái)年度天氣預(yù)報(bào)是中國最權(quán)威氣象機(jī)構(gòu)根據(jù)全球大氣環(huán)流，特別是亞洲-太平洋-印度洋大氣系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律并結(jié)合厄爾尼諾現(xiàn)象、拉尼娜現(xiàn)象等因素及歷史統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)我國全國范圍的天氣預(yù)報(bào)，其重點(diǎn)是降水預(yù)報(bào)。我們根據(jù)中央氣象臺(tái)年度天氣預(yù)報(bào)對(duì)美姑河所屬區(qū)域的預(yù)報(bào)(如偏豐、或偏枯)在多年平均徑流量的基準(zhǔn)上進(jìn)行豐枯修正，作出年度徑流量預(yù)測(cè)。

(2)月(周)徑流預(yù)測(cè)。

月(周)徑流量的預(yù)測(cè)主要是以年度徑流預(yù)測(cè)的月度徑流數(shù)值為基準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)年以往月份的實(shí)際徑流情況和中央氣象臺(tái)未來3～10 d的天氣預(yù)報(bào)情況進(jìn)行綜合確定。

年度徑流預(yù)測(cè)實(shí)際上是根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)規(guī)律、氣候規(guī)律和宏觀天氣系統(tǒng)年度預(yù)報(bào)綜合預(yù)測(cè)的年內(nèi)各月的徑流數(shù)值，故其月度徑流預(yù)測(cè)理應(yīng)以年度徑流預(yù)測(cè)月度數(shù)值為基準(zhǔn)。

當(dāng)年以往月份的實(shí)際徑流情況能反映流域當(dāng)年徑流量的豐枯情況以及流域土壤的整體含水情況(即地下水儲(chǔ)備情況)，根據(jù)美姑河流域多年的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：每年4、5月份的降水徑流情況能夠很好地反映當(dāng)年的徑流豐枯情況，4、5月份降水越多，則汛期越長(zhǎng)、年徑流越偏豐，反之，則汛期越短、越偏枯；每年9、10月份的降水分布情況能夠很好地預(yù)示枯水期前期的徑流量，9、10月份降水分布越均勻，則土壤含水量在汛末越高，地下水越豐富，枯水期前期徑流越豐沛穩(wěn)定；反之，如果9、10月份降水分布不均或主要由一、兩場(chǎng)大雨構(gòu)成，則枯水期的前期徑流可能快速消退。

我們主要利用中央氣象臺(tái)未來3～10 d的天氣預(yù)報(bào)中對(duì)宏觀天氣系統(tǒng)中的氣象變化過程和區(qū)域降雨過程的分析和預(yù)報(bào)來預(yù)測(cè)美姑河流域主要降水過程的時(shí)間和強(qiáng)度，特別是能夠較準(zhǔn)確地預(yù)示美姑河的汛初(6月下旬、7月上旬)和汛末(9月中上旬)的兩次強(qiáng)降雨的開始時(shí)間。根據(jù)當(dāng)年以往月份的實(shí)際徑流情況和中央氣象臺(tái)未來3～10 d的天氣預(yù)報(bào)，對(duì)年度預(yù)測(cè)的月度徑流基準(zhǔn)進(jìn)行具體的調(diào)整，能夠得到高準(zhǔn)確度的月度徑流量預(yù)測(cè)值。

根據(jù)當(dāng)前降水和徑流情況，結(jié)合中央氣象臺(tái)未來3～10 d的天氣預(yù)報(bào)，也能夠得出準(zhǔn)確度較高的周徑流預(yù)測(cè)。

(3)日徑流預(yù)測(cè)。

日徑流量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度要求高，我們主要根據(jù)當(dāng)前降雨徑流情況和中央氣象臺(tái)未來3 d的天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

當(dāng)前的降雨徑流情況為次日的徑流提供了一個(gè)基礎(chǔ)值，如果上游無降雨，則次日徑流會(huì)在當(dāng)前徑流的基礎(chǔ)上逐漸減少；如果上游日內(nèi)有降雨，則次日徑流將會(huì)在當(dāng)前的徑流基礎(chǔ)上增加，具體增加的徑流量和時(shí)間可以根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)得出的典型“降雨量-徑流過程”系列曲線進(jìn)行疊加計(jì)算。

中央氣象臺(tái)未來3～10 d的天氣預(yù)報(bào)將全國降水量預(yù)報(bào)細(xì)分為24 h、48 h、72 h預(yù)報(bào)，主要是進(jìn)行區(qū)域天氣變化過程和降水過程的分析和預(yù)報(bào)，對(duì)局部的小范圍強(qiáng)對(duì)流降雨天氣不能覆蓋預(yù)報(bào)。美姑河流域的降水主要是區(qū)域性的天氣變化過程引起的降水，很少發(fā)生局部的強(qiáng)對(duì)流降雨，所以，利用中央氣象臺(tái)的3 d天氣預(yù)報(bào)能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)美姑河流域的次日降雨，進(jìn)而根據(jù)典型“降雨量-徑流過程”系列曲線對(duì)次日徑流預(yù)測(cè)值在前述計(jì)算基礎(chǔ)上再次進(jìn)行疊加計(jì)算。由于美姑河流域面積小，在利用中央氣象臺(tái)的天氣預(yù)報(bào)時(shí)，需要特別注意降雨的實(shí)際時(shí)間與預(yù)報(bào)時(shí)間的偏差，實(shí)際的降雨日期可能發(fā)生在預(yù)報(bào)日期的相鄰日期，所以，在利用中央氣象臺(tái)的天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，要同時(shí)利用中央氣象臺(tái)提供的實(shí)時(shí)降水圖和實(shí)時(shí)天氣分析圖，以減少預(yù)測(cè)的時(shí)間偏差，提高次日徑流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

(4)實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)。

由于柳洪水電站和坪頭水電站均為徑流式水電站，汛期水庫更是因有排沙運(yùn)行要求而完全無調(diào)節(jié)能力，所以，在日常的水庫發(fā)電調(diào)度中需要高準(zhǔn)確度的實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)，特別是降雨豐沛的汛期。實(shí)時(shí)徑流預(yù)測(cè)，一是根據(jù)水電站各相關(guān)實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算當(dāng)前的實(shí)際徑流量及其變化趨勢(shì)；二是根據(jù)流域最近數(shù)小時(shí)的降雨量數(shù)據(jù)和上游水位站自動(dòng)流量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)水電站未來數(shù)小時(shí)的入庫徑流量。

當(dāng)前徑流量可根據(jù)“入庫流量=發(fā)電流量+泄洪流量+蓄水流量”進(jìn)行計(jì)算。發(fā)電流量根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的“流量-水頭-出力”運(yùn)行特性曲線計(jì)算得出、泄洪流量根據(jù)閘門的“水位-開度-流量”曲線計(jì)算得出，蓄水流量根據(jù)水庫的“水位-庫容”曲線和時(shí)間計(jì)算得出。為提高計(jì)算效率、消除每次計(jì)算的人工偏差，在美姑河流域柳洪和坪頭水電站的實(shí)時(shí)流量計(jì)算中，我們利用相關(guān)曲線公式或?qū)⑾嚓P(guān)曲線擬合成公式制作成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的EXCEL表格進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，值班人員只需輸入出力(功率)、水位、開度和時(shí)間，表格便能自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前的實(shí)際流量，然后與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的流量進(jìn)行比較，即可得到精確的當(dāng)前徑流量和流量變化趨勢(shì)。

未來數(shù)小時(shí)的入庫徑流量預(yù)測(cè)首先根據(jù)上游水位站自動(dòng)測(cè)量的流量數(shù)據(jù)，按照歷史統(tǒng)計(jì)的水位站與水庫之間的“流量-傳遞時(shí)間”曲線，預(yù)測(cè)水電站未來某一時(shí)間的入庫流量，然后根據(jù)流域最近數(shù)小時(shí)的降雨量數(shù)據(jù)，按照“降雨量-徑流過程”系列曲線預(yù)測(cè)上游水位站的徑流量變化和上游水位站至電站水庫區(qū)間流量的變化，以綜合預(yù)測(cè)未來數(shù)小時(shí)的水電站入庫徑流趨勢(shì)。

4 結(jié) 語

美姑河流域采用的這套綜合徑流預(yù)測(cè)方法是在多年的實(shí)踐中不斷總結(jié)完善出來的，并在實(shí)踐中不斷得到檢驗(yàn)。美姑河流域?qū)嵤┑倪@套綜合徑流預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)效果好，系統(tǒng)成本低(只需要一套普通水情測(cè)報(bào)系統(tǒng))，但其對(duì)實(shí)施預(yù)測(cè)工作的人員素質(zhì)要求較高，預(yù)測(cè)人員需要掌握天氣原理、地理水循環(huán)、水力學(xué)、統(tǒng)計(jì)歸納、數(shù)學(xué)模型等綜合知識(shí)并需要較長(zhǎng)的時(shí)間積累經(jīng)驗(yàn)。

美姑河流域采用的這套綜合徑流預(yù)測(cè)方法對(duì)中小型流域的徑流預(yù)測(cè)具有借鑒參考意義，特別是同氣候、地貌類型的中小型流域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李益民，段佳美.水庫調(diào)度[M].北京：中國電力出版社，2004.