劉啟松　鄧頌霖　徐志　劉應(yīng)武　周苗

摘要：針對巴基斯坦卡洛特水電站施工期洪水預(yù)測預(yù)報問題，結(jié)合吉拉姆河流域特性，設(shè)計了巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)。對預(yù)報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重要數(shù)學(xué)模型以及運行流程進(jìn)行了介紹，并利用“20180420”和“20180807”洪水對預(yù)報系統(tǒng)的精確性進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明：卡拉斯-帕坦區(qū)間兩場洪水平均洪峰相對誤差和峰時誤差分別為11.7%和0.5h，帕坦-卡洛特壩址區(qū)間兩場洪水平均洪峰相對誤差和峰時誤差分別為0.55%和0.5h，結(jié)果均滿足要求。巴基斯坦卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)能較好地對汛期洪水進(jìn)行預(yù)報，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)報系統(tǒng);實時洪水預(yù)報;卡洛特水電站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中圖法分類號：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，經(jīng)過不斷探索，開發(fā)了大量洪水預(yù)報系統(tǒng)并不斷對其優(yōu)化，如長江流域防洪調(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及河床變形規(guī)律，采用水文學(xué)、水力學(xué)、河流動力學(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)報經(jīng)驗方案和數(shù)學(xué)預(yù)報模型，輸人雨情和水情等信息，可對洪峰、洪量等洪水要素進(jìn)行預(yù)報，為各級防汛指揮部門]提供決策依據(jù)4。

卡洛特水電站是“一帶一路”首個大型水電投資項目，也是“中巴經(jīng)濟走廊”首個水電投資項目5。目前卡洛特水電站處于施工關(guān)鍵期且汛期洪水較多，因此對施工期洪水預(yù)報要求較高。為保證預(yù)報精度，預(yù)報員常需對多種預(yù)報模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，作業(yè)難度大且繁雜。為解決該水電站施工期洪水預(yù)測預(yù)報這一難題，提升預(yù)報員作業(yè)效率和精度，開發(fā)了卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)。本文重點介紹當(dāng)前該系統(tǒng)設(shè)計思路、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卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)

卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)主要分為預(yù)報方案構(gòu)建預(yù)報系統(tǒng)管理和洪水作業(yè)預(yù)報三大模塊（見圖1）。建設(shè)思路主要是以實時雨水情數(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)，依托計算機網(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)報模型管理預(yù)報方案管理、模型參數(shù)率定實時交互式預(yù)報及河系洪水預(yù)報、預(yù)報評估等功能6。

2.1預(yù)報方案構(gòu)建

卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)對壩址進(jìn)行的水文預(yù)報是由千流河道流量演算和區(qū)間小流域降雨徑流預(yù)報方案組成。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個降雨徑流計算小區(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)報方法，針對不同降雨徑流計算區(qū)間，預(yù)報模型計算與修正系統(tǒng)水文模擬計算和洪水演算的方法也不同。當(dāng)前卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)中的預(yù)報模型與修正系統(tǒng)由多個部分構(gòu)成，根據(jù)不同區(qū)間預(yù)報方法，系統(tǒng)可分成以下幾個部分。

（1）氣象預(yù)報。卡洛特水電站實時洪水系統(tǒng)中沒有氣象模型提供定量降雨預(yù)報，因此，定量降雨預(yù)報由巴基斯坦國家氣象局（PMD）提供。

（2）水文模擬。使用實時雨量與定量預(yù)報降雨值預(yù)測徑流量。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)測徑流和實測徑流作為邊界條件，應(yīng)用多個水力學(xué)模型和統(tǒng)計模型洪水演算程序計算不同站點的水位和流量。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。采用人工試錯和自動優(yōu)選2種模型參數(shù)率定方式，對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)報方案中，構(gòu)成應(yīng)用支撐平臺中的方案實現(xiàn)類庫。

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

2.2預(yù)報系統(tǒng)管理

卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)具有完善的用戶管理、預(yù)報模型管理、預(yù)報方案管理和水文站點管理功能。

（1）數(shù)據(jù)管理。可對實時雨水情數(shù)據(jù)庫中的錯誤數(shù)據(jù)、輸入缺報的實時雨水情、假定的未來雨水情數(shù)據(jù)以及預(yù)報模型參數(shù)進(jìn)行輸入和修改。

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

（3）預(yù)報模型管理。可增加、刪除、修改預(yù)報模型，由管理員管理。

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

2.3洪水作業(yè)預(yù)報

作業(yè)預(yù)報是卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(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、上游斷面洪水預(yù)報等數(shù)據(jù)做出預(yù)報斷面洪水預(yù)報。預(yù)報人員可根據(jù)實際需要選擇預(yù)報河系和預(yù)報斷面。實時洪水預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報河系可選擇吉拉姆河尼拉姆河以及昆哈河，預(yù)報斷面有以下兩種選擇方式。

（1）河系洪水預(yù)報。在某一河河選擇多個預(yù)報斷面，每個斷面一個方案一次連續(xù)運算，即下游斷面依據(jù)上游斷面當(dāng)次的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行預(yù)報。

（2）交互預(yù)報。在某一河系選擇一個預(yù)報斷面，多個預(yù)報方案一次運行。

根據(jù)原預(yù)報結(jié)果和最新的實測資料，需對洪水.預(yù)報結(jié)果進(jìn)行實時校正以提高預(yù)報精度，還需要結(jié)合預(yù)報員經(jīng)驗和預(yù)報會商，對模型計算的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并提供對外發(fā)布的預(yù)報結(jié)果。

3實例計算

目前，卡洛特洪水預(yù)報系統(tǒng)由多種模型和方法組成，結(jié)合氣象預(yù)報，水文模擬和水力學(xué)洪水演算，加之預(yù)報員經(jīng)驗分析，可為卡洛特水電站壩址提供6～12h洪水預(yù)報。在利用歷史資料對預(yù)報系統(tǒng)中的模型進(jìn)行參數(shù)率定與驗證后，為驗證實時洪水預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報洪水的可靠性和實用性，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，對洪峰、峰現(xiàn)時刻的相對誤差進(jìn)行統(tǒng)計，最終評定總體效果見表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*20180420”和“20180807”洪水的洪峰平均相對誤差和峰現(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)報洪水趨勢基本與實況洪水一致。計算洪峰流量值和峰現(xiàn)誤差與實況相差較小，洪峰預(yù)報、峰現(xiàn)時間預(yù)報效果良好。

4結(jié)語

本文介紹了卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模型和運行流程，并利用2018年兩場典型洪水對系統(tǒng)預(yù)報的準(zhǔn)確性進(jìn)行了檢驗。實踐表明，卡洛特水電站實時洪水預(yù)報系統(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，預(yù)報精度滿足GB/T22482-2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》們對洪峰和峰現(xiàn)時間預(yù)報精度的要求，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)報模型的參數(shù)直接影響洪水預(yù)報的精度，但由于近3a典型洪水較少，導(dǎo)致預(yù)報模型的參數(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)將對預(yù)報模型中的參數(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)報系統(tǒng)的洪水預(yù)報精度。

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（編輯：唐湘茜）