巴基斯坦卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)用

劉啟松　鄧頌霖　徐志　劉應(yīng)武　周苗

摘要：針對(duì)巴基斯坦卡洛特水電站施工期洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問題，結(jié)合吉拉姆河流域特性，設(shè)計(jì)了巴基斯坦卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重要數(shù)學(xué)模型以及運(yùn)行流程進(jìn)行了介紹，并利用“20180420”和“20180807”洪水對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的精確性進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明：卡拉斯-帕坦區(qū)間兩場(chǎng)洪水平均洪峰相對(duì)誤差和峰時(shí)誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特壩址區(qū)間兩場(chǎng)洪水平均洪峰相對(duì)誤差和峰時(shí)誤差分別為0.55%和0.5h，結(jié)果均滿足要求。巴基斯坦卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)能較好地對(duì)汛期洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，為卡洛特水電站施。工期防洪度汛提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng);實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào);卡洛特水電站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：P338 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.002

1研究背景

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在國內(nèi)研究開發(fā)已超過30a[1]，一開始通過研究國外系統(tǒng)總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過不斷探索，開發(fā)了大量洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)并不斷對(duì)其優(yōu)化，如長(zhǎng)江流域防洪調(diào)度系統(tǒng)2和黃河防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)引等洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在我國流域防洪調(diào)度上發(fā)揮至關(guān)重要的作用。這些系統(tǒng)通過分析研究洪水特點(diǎn)及河床變形規(guī)律，采用水文學(xué)、水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)等相結(jié)合的方法，建立符合流域?qū)嶋H情況的洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)方案和數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型，輸人雨情和水情等信息，可對(duì)洪峰、洪量等洪水要素進(jìn)行預(yù)報(bào)，為各級(jí)防汛指揮部門]提供決策依據(jù)4。

卡洛特水電站是“一帶一路”首個(gè)大型水電投資項(xiàng)目，也是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”首個(gè)水電投資項(xiàng)目5。目前卡洛特水電站處于施工關(guān)鍵期且汛期洪水較多，因此對(duì)施工期洪水預(yù)報(bào)要求較高。為保證預(yù)報(bào)精度，預(yù)報(bào)員常需對(duì)多種預(yù)報(bào)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，作業(yè)難度大且繁雜。為解決該水電站施工期洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)這一難題，提升預(yù)報(bào)員作業(yè)效率和精度，開發(fā)了卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹當(dāng)前該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、使用的方法及效果，并討論了系統(tǒng)面臨的問題和挑戰(zhàn)。

2卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要分為預(yù)報(bào)方案構(gòu)建預(yù)報(bào)系統(tǒng)管理和洪水作業(yè)預(yù)報(bào)三大模塊（見圖1）。建設(shè)思路主要是以實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫、歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)庫、地理空間數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫等信息資源作為基礎(chǔ)，依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，遵循統(tǒng)一的技術(shù)構(gòu)架，具有系統(tǒng)管理、預(yù)報(bào)模型管理預(yù)報(bào)方案管理、模型參數(shù)率定實(shí)時(shí)交互式預(yù)報(bào)及河系洪水預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)評(píng)估等功能6。

2.1預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)壩址進(jìn)行的水文預(yù)報(bào)是由千流河道流量演算和區(qū)間小流域降雨徑流預(yù)報(bào)方案組成。根據(jù)該電站壩址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，將壩址以上流域劃分為8個(gè)降雨徑流計(jì)算小區(qū)，吉拉姆河流域站網(wǎng)分布見圖2。

根據(jù)降雨徑流分區(qū)和分區(qū)預(yù)報(bào)方法，針對(duì)不同降雨徑流計(jì)算區(qū)間，預(yù)報(bào)模型計(jì)算與修正系統(tǒng)水文模擬計(jì)算和洪水演算的方法也不同。當(dāng)前卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的預(yù)報(bào)模型與修正系統(tǒng)由多個(gè)部分構(gòu)成，根據(jù)不同區(qū)間預(yù)報(bào)方法，系統(tǒng)可分成以下幾個(gè)部分。

（1）氣象預(yù)報(bào)?？逄厮娬緦?shí)時(shí)洪水系統(tǒng)中沒有氣象模型提供定量降雨預(yù)報(bào)，因此，定量降雨預(yù)報(bào)由巴基斯坦國家氣象局（PMD）提供。

（2）水文模擬。使用實(shí)時(shí)雨量與定量預(yù)報(bào)降雨值預(yù)測(cè)徑流量。使用的模型主要有API方法，單位線（UH）演算和新安江模型（XAJ）。

（3）洪水演算。使用模型預(yù)測(cè)徑流和實(shí)測(cè)徑流作為邊界條件，應(yīng)用多個(gè)水力學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)模型洪水演算程序計(jì)算不同站點(diǎn)的水位和流量。使用的模型有馬斯京根法，相關(guān)圖方案和水位流量關(guān)系轉(zhuǎn)換。

（4）參數(shù)率定。采用人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選2種模型參數(shù)率定方式，對(duì)水文模擬模型和洪水演算模型參數(shù)進(jìn)行率定，并將流域特征參數(shù)、屬性和率定后的模型參數(shù)配置到定制的預(yù)報(bào)方案中，構(gòu)成應(yīng)用支撐平臺(tái)中的方案實(shí)現(xiàn)類庫。

（5）后驗(yàn)分析。即人工對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析的過程。結(jié)合不同模型給出的預(yù)報(bào)結(jié)果，考慮到人類活動(dòng)或天氣動(dòng)力帶來的不確定性，最終確定預(yù)報(bào)值，這是當(dāng)前卡洛特洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中非常重要的一不。

2.2預(yù)報(bào)系統(tǒng)管理

卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有完善的用戶管理、預(yù)報(bào)模型管理、預(yù)報(bào)方案管理和水文站點(diǎn)管理功能。

（1）數(shù)據(jù)管理?？蓪?duì)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、輸入缺報(bào)的實(shí)時(shí)雨水情、假定的未來雨水情數(shù)據(jù)以及預(yù)報(bào)模型參數(shù)進(jìn)行輸入和修改。

（2）水文站點(diǎn)管理。分為系統(tǒng)站點(diǎn)管理和方案站點(diǎn)管理2個(gè)部分。系統(tǒng)站點(diǎn)管理主要是在電子地圖上增加、刪除、修改水文站點(diǎn)的屬性;方案站點(diǎn)管理主要是管理預(yù)報(bào)方案中所用的預(yù)報(bào)根據(jù)站，定義區(qū)域輸入中用于計(jì)算面雨量的雨量站號(hào)，定義流量站的流量組合關(guān)系，由一般用戶管理。

（3）預(yù)報(bào)模型管理?？稍黾?、刪除、修改預(yù)報(bào)模型，由管理員管理。

（4）預(yù)報(bào)方案管理?？蓜h除、修改預(yù)報(bào)方案及其屬性，由一般用戶管理。

2.3洪水作業(yè)預(yù)報(bào)

作業(yè)預(yù)報(bào)是卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)最主要的組成部分，依據(jù)人工輸入的流域定量降雨頁報(bào)、上游斷面洪水預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)做出預(yù)報(bào)斷面洪水預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)人員可根據(jù)實(shí)際需要選擇預(yù)報(bào)河系和預(yù)報(bào)斷面。實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)河系可選擇吉拉姆河尼拉姆河以及昆哈河，預(yù)報(bào)斷面有以下兩種選擇方式。

（1）河系洪水預(yù)報(bào)。在某一河河選擇多個(gè)預(yù)報(bào)斷面，每個(gè)斷面一個(gè)方案一次連續(xù)運(yùn)算，即下游斷面依據(jù)上游斷面當(dāng)次的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)。

（2）交互預(yù)報(bào)。在某一河系選擇一個(gè)預(yù)報(bào)斷面，多個(gè)預(yù)報(bào)方案一次運(yùn)行。

根據(jù)原預(yù)報(bào)結(jié)果和最新的實(shí)測(cè)資料，需對(duì)洪水.預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正以提高預(yù)報(bào)精度，還需要結(jié)合預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)和預(yù)報(bào)會(huì)商，對(duì)模型計(jì)算的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并提供對(duì)外發(fā)布的預(yù)報(bào)結(jié)果。

3實(shí)例計(jì)算

目前，卡洛特洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)由多種模型和方法組成，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)，水文模擬和水力學(xué)洪水演算，加之預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)分析，可為卡洛特水電站壩址提供6～12h洪水預(yù)報(bào)。在利用歷史資料對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的模型進(jìn)行參數(shù)率定與驗(yàn)證后，為驗(yàn)證實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)洪水的可靠性和實(shí)用性，選取“20180420”和“20180807”洪水（見圖3～4）為典型洪水，利用該系統(tǒng)對(duì)吉拉姆河流域卡拉斯-帕坦區(qū)間和帕坦卡洛特壩址區(qū)間洪水進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)洪峰、峰現(xiàn)時(shí)刻的相對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終評(píng)定總體效果見表1～2以及圖5～6。

由上述圖表可以看出，卡拉斯-帕坦區(qū)間檢驗(yàn)*20180420”和“20180807”洪水的洪峰平均相對(duì)誤差和峰現(xiàn)誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特區(qū)間檢驗(yàn)這兩種洪水的洪峰和峰現(xiàn)誤差分別為0.55%和0.5h，方案總體效果良好，預(yù)報(bào)洪水趨勢(shì)基本與實(shí)況洪水一致。計(jì)算洪峰流量值和峰現(xiàn)誤差與實(shí)況相差較小，洪峰預(yù)報(bào)、峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)效果良好。

4結(jié)語

本文介紹了卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模型和運(yùn)行流程，并利用2018年兩場(chǎng)典型洪水對(duì)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)踐表明，卡洛特水電站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)為吉拉姆河流域卡洛特水電站施工期提供了有效的洪水預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)精度滿足GB/T22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》們對(duì)洪峰和峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)精度的要求，可為卡洛特水電站施工期順利度汛提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

預(yù)報(bào)模型的參數(shù)直接影響洪水預(yù)報(bào)的精度，但由于近3a典型洪水較少，導(dǎo)致預(yù)報(bào)模型的參數(shù)未達(dá)到最優(yōu)。隨著資料積累，洪水次數(shù)的增加，后續(xù)將對(duì)預(yù)報(bào)模型中的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，不斷提升卡洛特水電站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)精度。

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（編輯：唐湘茜）