金沙江金沙水電站水情預(yù)報方案綜述

何 開 朝， 單 俊， 楊 珂

(四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司,四川 攀枝花 617068)

1 概 述

金沙江流域地處青藏高原、云貴高原和四川盆地西部邊緣，位于東經(jīng)90°～105°、北緯24°～36°之間，呈東西短、南北長的狹長形狀。金沙江中游地處橫斷山脈地帶，地形高差懸殊，地勢由北向南傾斜，氣候在水平和垂直方向差異很大，立體氣候明顯，夏秋季節(jié)西南暖濕氣流加強(qiáng)，降雨偏多，強(qiáng)度較大。多年平均年降水量為300～1 500 mm，多年平均氣溫為5.6 ℃～14.5 ℃，多年平均年蒸發(fā)量為1 490～2 320 mm。據(jù)資料統(tǒng)計，金沙江流域豐水期(6～11月)徑流量占全年的81.1%，其中7～9月為降雨最集中季節(jié)，其徑流量占全年的53.9%，枯水期(12月～次年5月)徑流量占全年的18.9%，年最小流量多發(fā)生在3～4月。

金沙水電站是金沙江中游(石鼓～攀枝花)河段規(guī)劃“一庫十級”中的第九級水電站，上距觀音巖電站28.9 km，下距攀枝花中心城區(qū)10.3 km,計劃于2021年完建。

2 流域水文資料的收集

2.1 流域測站情況

金沙江石鼓～金沙水電站區(qū)間面積達(dá)44 716 km2，可收集到2014～2016年序列水文資料，共收集到有可用資料的水文站11個，分別為金沙江石鼓、阿海、金安橋、中江、攀枝花水文站、碩多崗河下橋頭水文站、五郎河總管田水文站、漾弓江鶴慶水文站、桑園河大惠莊水文站、漁泡江地索水文站、新莊河石龍壩水文站；水庫站6個，分別為梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖水庫站；3個金沙水電站施工期專用水位站分別為老庫灘、導(dǎo)流明渠進(jìn)口、導(dǎo)流明渠出口水位站；另外有雨量站67個，各站分別隸屬于云南省水文局、四川省水文局、長江委水文局和金沙江中游梯級水電開發(fā)公司。

2.2 資料的收集與處理

由于各水庫運(yùn)行時間不同，所收集到的水庫出、入庫資料系列亦不相同，因此，水庫入庫預(yù)報方案使用資料與本水庫資料時間一致。受資料條件所限，部分站點(diǎn)在編制方案時能夠采納的同步資料系列較短，暫無法對所編方案進(jìn)行嚴(yán)格審定和檢驗。水庫預(yù)報方案主要采用水庫遙測站網(wǎng)資料，水文站預(yù)報方案主要使用整編資料，無整編資料時使用報汛資料。

3 預(yù)報體系的構(gòu)建

3.1 預(yù)報需求分析

主要研究金沙江中游梯級水電站建成運(yùn)行情況下的流域產(chǎn)匯流特性和洪水傳播特性，根據(jù)最新實(shí)測水文資料，結(jié)合流域水文氣象特性和河網(wǎng)分布情況，增加水庫預(yù)報節(jié)點(diǎn)，補(bǔ)充編制和完善已有水情預(yù)報方案以提高水情預(yù)報的精度，為金沙水電站水情預(yù)報工作提供可靠的技術(shù)支持和保障。因此，在預(yù)報體系構(gòu)建中，應(yīng)以金沙江中游流域已建水庫為預(yù)報對象，系統(tǒng)編制各斷面預(yù)報方案，預(yù)報方案能模擬金沙江石鼓至金沙水電站區(qū)間各干流水庫的來水和出流。

3.2 預(yù)報體系與分區(qū)

金沙江石鼓～金沙水電站河段有梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖6座梯級水庫。因水庫的修建，河道產(chǎn)匯流特性發(fā)生改變，為滿足金沙水電站水情預(yù)報的需要，應(yīng)建立一套以各梯級水庫為控制節(jié)點(diǎn)、考慮水庫庫區(qū)洪水傳播特性的預(yù)報方案體系。

預(yù)報方案以金沙江梨園水庫、阿海水庫、金安橋水庫、龍開口水庫、魯?shù)乩畮臁⒂^音巖水庫為節(jié)點(diǎn)，同時，為控制較大支流來水，減少無控區(qū)間面積，對有出口控制站的主要支流進(jìn)行預(yù)報方案編制。預(yù)報體系見圖1。

3.3 水情預(yù)報方法模型

水情預(yù)報主要包括流域降雨產(chǎn)流預(yù)報、流域匯流預(yù)報、河道匯流三部分，根據(jù)多年實(shí)際預(yù)報經(jīng)驗，流域產(chǎn)匯流主要適用的模型為API模型及單位線、三水源新安江模型；天然河道演算方案主要適用的為相應(yīng)流量法、合成流量法。對于水庫調(diào)洪，一般采用靜庫容調(diào)洪演算方法，可以滿足金沙江各主要水庫調(diào)洪計算需要。

3.3.1 降雨徑流模型

API(前期雨量指數(shù))用于流域產(chǎn)流的預(yù)報是一種傳統(tǒng)的方法。最初，由于該方法主要是針對獨(dú)立的次洪水產(chǎn)流量計算，故稱其為次洪API模型(配合單位線法預(yù)報匯流)。

降雨產(chǎn)流量預(yù)報是在成因分析與統(tǒng)計相關(guān)結(jié)合的基礎(chǔ)上、用每次降雨的流域平均雨量(P)和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流總量(R)以及影響的主要因素(Pa)所建立起來的一種定量相關(guān)圖，這種經(jīng)驗相關(guān)圖具有使用簡便、精度可靠和便于與專家經(jīng)驗結(jié)合、校正等優(yōu)點(diǎn)。該方案的編制使用三變數(shù)P～Pa～R經(jīng)驗相關(guān)圖。

流域匯流預(yù)報是研究流域地面徑流、表層流和地下徑流如何匯集為出口斷面的流量過程。常采用單位線法，系指在特定的流域上單位時段內(nèi)均勻分布的單位凈雨量所形成的流域出口站的地面徑流過程線。單位凈雨深一般取10 mm，單位時段主要依據(jù)流域特性而定，一般取1 h、3 h、6 h。本次方案編制采用單位凈雨深R=10 mm、△t=1 h。

3.3.2 河道流量預(yù)報

河道流量預(yù)報包括相應(yīng)流量法與合成流量法。

相應(yīng)流量法是在上、下游斷面水位(流量)過程線的同位相水位(流量)之間峰谷特征定量關(guān)系及其傳播速度的變化規(guī)律基礎(chǔ)上建立經(jīng)驗相應(yīng)關(guān)系，據(jù)此作出由上站水位(流量)預(yù)報一定時間后的下站水位(流量)。

合成流量法是在有支流入?yún)R的河段，將干流水文站及支流水文站的相應(yīng)流量按其到下站的傳播時間錯開疊加，表示合成后的流量能同時到達(dá)下站，從而建立合成流量與下站相應(yīng)水位(流量)相關(guān)圖進(jìn)行預(yù)報。

3.3.3 水庫調(diào)洪

水庫調(diào)洪是在水量平衡和動力平衡的支配下進(jìn)行的。水量平衡可表示為水庫水量平衡方程，動力平衡可由水庫蓄泄方程(或蓄泄曲線)反映。從起調(diào)開始，逐時段連續(xù)求解這兩個方程，即可由入庫流量Q-t過程求得出庫流量過程q-t,這就是水庫調(diào)洪計算所遵循的基本原理。在某一時段△t內(nèi)，入庫水量減去出庫水量應(yīng)等于該時段內(nèi)水庫增加或減少的蓄水量，對此可寫出如下水量平衡方程：

式中Q1、Q2為時段Δt始、末的入庫流量(m3/s)；q1、q2為時段Δt始、末的出庫流量(m3/s)；V1、V2為時段Δt始、末的水庫蓄水量(m3)；Δt為計算時段，其長短的選擇應(yīng)以能較準(zhǔn)確地反映洪水過程線的形狀為原則。

調(diào)洪計算的具體方法有很多種，目前最常用的是列表試算法：

(1)根據(jù)庫容曲線Z-V和擬定的泄洪建筑物類型、尺寸，用水力學(xué)公式計算和繪制水庫的蓄泄曲線q-V；

(2)分析并確定調(diào)洪開始時的起始條件，即起調(diào)水位和與之相應(yīng)的庫容、下泄流量。如果是無閘溢洪道，為安全計，在設(shè)計條件下均取起調(diào)水位與溢洪道堰頂齊平；

(3)從調(diào)洪開始，按試算法列表解算各時段末的V2、q2。試算從第一時段開始，逐時段連續(xù)進(jìn)行。對于第一時段的Q1、Q2、q1、V1及△t均為已知，假設(shè)q2可由上述水量平衡方程求得V2，由V2在q-V線上又可查得q2’，若q2≤q2’且根據(jù)庫容曲線Z-V查得Z不超過所限制的庫水位，則所假設(shè)可作為出庫流量；計算出的V2、q2又作為第二時段的q1、V1，再假設(shè)q2可由上述水量平衡方程求得V2，如此連續(xù)計算下去即得所需要的q-t；

(4)在非常時期(即最高庫水位可能達(dá)到水庫校核水位時)，所點(diǎn)繪的Q-t及q-t過程線應(yīng)使最大出庫流量qm正好落在兩線交點(diǎn)處。

利用預(yù)報進(jìn)行預(yù)泄，可在洪水到來之前騰出一部分汛限水位以下的庫容，從而減少預(yù)留防洪庫容，增加興利效益。當(dāng)水庫建立了降雨徑流預(yù)報方案、在水庫得到降雨的情報之后，便可通過產(chǎn)流、匯流計算求出入庫的徑流過程。水庫可以根據(jù)預(yù)報預(yù)先加大泄量，降低水庫水位，騰出一部分庫容，以便攔蓄洪水，削減洪峰。

汛末抓住蓄水的時機(jī)，及時攔蓄洪水余量，使水庫水位達(dá)到正常高水位，爭取汛末水庫蓄滿非常重要。汛末關(guān)閘回蓄的時間通常要根據(jù)洪水的特性、水庫調(diào)度的經(jīng)濟(jì)、結(jié)合中短期水文預(yù)報確定。

4 金沙水電站水情預(yù)報方案

4.1 傳播時間分析

經(jīng)對觀音巖水電站壩下水位與老庫灘洪峰水位建立相關(guān)關(guān)系并經(jīng)分析后得知：傳播時間為1 h的實(shí)際出現(xiàn)概率為10次，2 h的出現(xiàn)概率為12次，3 h的出現(xiàn)概率為2次，4 h的出現(xiàn)概率為1次。采用平均法得出傳播時間為1.76 h。使用時需結(jié)合降雨徑流過程、流量的大小等影響因素合理調(diào)整洪峰出現(xiàn)的時間。特征水位相關(guān)關(guān)系見圖2，傳播時間分析見圖3。

4.2 河道流量預(yù)報方案

合成流量法是將各個上游站流量按其各自到

圖2 特征水位相關(guān)關(guān)系圖

圖3 傳播時間分析圖

圖4 金沙水電站壩上水位與觀音巖水電站壩下、新莊河合成流量相關(guān)關(guān)系圖

下游斷面的傳播時間合成，從而建立上游合成流量與下游站相應(yīng)流量相關(guān)關(guān)系來進(jìn)行下游斷面的洪水預(yù)報。

金沙水電站水情預(yù)報方案的編制是從上游石鼓站至金沙水電站壩上河段。金沙水電站壩址洪水組成主要由上游觀音巖水電站的下泄流量與新莊河流量匯流而成。金沙水電站壩上洪峰流量計算公式為：

Q金沙t=Q觀音巖t+n+Qt石龍壩t+n

式中n為各站洪峰流量到金沙水電站壩上的傳播時間。

4.3 水位預(yù)報方案

金沙水電站壩上水位預(yù)報采用2016年底截流后～2017年4月與觀音巖水電站壩下、新莊河實(shí)時流量數(shù)據(jù)合成后與金沙水電站壩上水位多次洪峰水位樣本，建立金沙水電站壩上水位與觀音巖水電站壩下、新莊河合成流量水位流量相關(guān)關(guān)系(圖4)。

壩下水位預(yù)報采用壩上與壩下水位落差建立相關(guān)關(guān)系。在使用中根據(jù)壩上、壩下水位的變化進(jìn)行實(shí)時修正。

5 結(jié) 語

金沙江中游流域梯級水庫的建設(shè)，改變了金沙江原有的天然河道特性。要做好金沙水電站的水情預(yù)報，首先應(yīng)加強(qiáng)與上游水電站的合作，動態(tài)掌握各水電站的調(diào)度情況；其次，要不斷摸索受水利工程影響后的流域水文特性，進(jìn)一步完善預(yù)報方案；最后，要收集更多的流域水文資料，摸索新的預(yù)報方法，不斷提高洪水預(yù)報精度，延長預(yù)報預(yù)見期。