基于水旱灾害防御决策系统对州河江口水库预报调度动态模拟应用分析

杨海燕,陶兴玲,蒋金铭,万 芳

(1.四川省达州水文水资源勘测中心,四川 达州 635000;2.华北水利水电大学水利学院,郑州 450046)

0 引言

四川省江口水库位于达州市前河、中河、后河汇口处宣汉县城,以发电为主,兼有防洪、灌溉、发电等功能,为州河流域仅有一定调蓄能力的水库,对州河下游城镇(特别是达州市城区)的防洪安全具有十分重要的作用。同时江口水库以下人烟稠密,主要有罗江镇、达州市城区、达州机场等,而州河为典型的山区河流,流域暴雨洪水频繁,城市防洪能力较低,灾害严重,威胁人民生命财产安全,制约经济发展。因此,对江口水库入库流量预报及水库调度的模拟研究,为州河流域水库的实时洪水调度提供有力有效的技术支撑,促进水库的安全经济运行,避免或尽量减少因洪水对人民群众生命和财产造成的损失,同时,也有利于实现水资源的优化配置。本文基于近期投入使用的“四川省水旱灾害防御决策支持系统”,选取州河江口水库为例,对江口水库的入库流量预报及调度进行动态模拟研究。

1 水旱灾害防御决策支持系统概况

针对流域水旱灾害特点和流域水旱灾害防御决策指挥需求,近年来四川省水利厅投资建设的新平台——“四川省水旱灾害防御决策支持系统”已于2022年逐步投入使用。该平台融合了水务及水文等多重模块,融合了实时雨水情、气象网格数值预报、流域洪水预报、动态洪水风险编制、流域防洪调度、洪水调查等内容,为进一步分析研判汛情风险、预测灾害发展趋势及水库调度决策指挥提供多层次的信息服务和多种手段支持。

“四川省水旱灾害防御决策支持系统”的水文模块中除了涵盖原老平台的雨水情查询功能外,还添加了预报、调度、简报发布等多重功能模块。其中“预报调度”模块通过在平台中构建相应的洪水预报模型,结合未来气象数值预报,即可预报水库的入库流量。在平台中录入水利工程基本信息后,便可在入库流量预报的基础上实现水库调度的动态模拟。水库的入库流量预报及调度模拟将为流域水旱灾害防御工作提供科学的技术支撑,充分发挥水库防洪蓄水治涝的能力,为防洪减灾和水资源合理利用发挥重要作用。

2 州河流域及江口水库概况

2.1 流域概况

州河属渠江左岸一级支流,上源分前、中、后河三支,均发源于大巴山南麓,河长310 km,控制流域面积11 165 km2,经宣汉、达县至三汇镇汇入渠江。前河为主流,发源于城口县燕麦乡光头山,自东北向西南流,至宣汉县城附近与后河汇合,主河道长178 km,集水面积2 249 km2;中河发源于重庆城口县白芷乡的白芷山西南,中河流域面积1 402 km2,从源头至汇合口河长101.5 km;后河起源于万源市皮窝乡赵家山下铁铺,于宣汉县城东的江口处与前河相汇,注入州河,集水面积2 987 km2,河长154 km。

州河流域属亚热带湿润季风气候,流域多年平均降水量1 308.4 mm。年内降水主要集中在5-10月,降水量占全年总降水量的80%以上;而暴雨发生在7月、9月的概率较大,因此,年内变化呈双峰过程。

径流在年内的变化与降水的年内变化相应。5-11月为丰水期,该时段内的多年平均径流量占年径流量的86.8%;其中7-9月最丰,占年水量的49.5%。暴雨洪水汇流时间短,州河洪水具有陡涨陡落、峰高量大、过程线尖瘦等特点;过程线形状单峰洪水历时2～3 d,复峰历时约5～6 d。

2.2 江口水库概况

江口水库枢纽工程系州河干流梯级开发中的第一级,地处宣汉县城区上游,前、后河汇合口下游约300 m州河源头处,距离达州城区约51 km,是一座以发电为主,兼有防洪、灌溉的骨干水利工程。集雨面积6 364 km2,总库容2.77亿m3,有效库容1.48亿m3,调洪库容1.33亿m3,具有不完全年调节性能[1]。

江口水库挡水和泄水建筑物设计洪水标准为100年一遇,洪峰流量12 500 m3/s;校核洪水标准为1000年一遇,洪峰流量为15 800 m3/s。水库正常蓄水位330.0 m,设计洪水位330.62 m,校核洪水位332.70 m,主汛期汛限水位327.00 m。

2.3 水文站网分布

水文站网是短期洪水预报的基础。州河上游分为前河、中河、后河主要三支流,江口水库位于前河、中河、后河汇口处,前河上有南坝水文站,中河有黄金口水文站,后河有毛坝水文站,以及众多的雨量监测站。截至目前,达州水文中心在江口水库以上流域基本建成了水情遥测站126处(其中基本水文站4处,中小河流水文站2处,中小河流水位站3处,雨量站117处)。流域水系及站点分布见图1,站点分布全流域,站网密度大,满足水库入库流量预报需求。

图1 江口水库所在流域水系及水文站网分布

3 河系预报方案

3.1 预报方案构建

河系预报主要为江口水库以上流域支流各主要控制站点逐级演算至江口水库处,并叠加区间流量过程得到江口电站的入库流量。其中,河系方案中各一级预报站点及区间来水采用新安江三水源蓄满产流模型(SMS_3)和三水源滞后演算模型(LAG_3),各站点逐级演算采用马斯京根河道流量演算法[2]。

本次方案主要借用“中国洪水预报系统”分别率定前、中、后河各支流控制站点南坝、黄金口、毛坝三个基本水文站(即本河系预报方案中一级预报站点)的新安江模型和马斯京根河道演算各参数,区间方案参数借用本流域具有相似流域下垫面条件站点已率定的新安江模型参数,再通过“四川省水旱灾害防御决策支持系统”平台中“预报调度”模块构建江口水库的河系方案。河系预报方案概化图见图2。

图2 江口水库河系预报方案

3.2 预报方案检验

由于江口水库没有长系列实测水文资料,本次无法对该方案进行检验评定,故只对本河系预报方案中一级预报站点的新安江模型方案进行检验评定,检验评定见表1。检验评定表明,各一级预报站的方案精度均可达到乙级以上。

表1 基本水文站新安江模型方案检验评定

本次河系预报方案依据《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008),利用江口水库的多场次实测洪水入流过程对预报方案进行检验后再做精度评定[3]:方案精度达乙级以上,可做预报及滚动预报使用。

4 预报调度模拟应用实践

4.1 洪水概述

4.1.1 2021年“8·29”洪水

2021年8月28～29日,达州辖区普降大到暴雨、局部大暴雨,本次暴雨时空分布较均匀,持续时间较长,暴雨中心主要集中在万源市、宣汉县、达川区、开江县一带;最大1h雨量为22.0 mm,最大日雨量为215.0 mm(28日);最大过程雨量为293.0 mm。受暴雨影响,28～29日,达州辖区境内各干支流发生了不同程度的洪水过程。其中:江口水库以上各支流发生较大洪水过程,其最大入库流量8 600 m3/s,最高库水位超汛限水位2.55 m。

4.1.2 2022年“10·5”洪水

2022年10月4～6日,达州市普降大到暴雨、局部大暴雨。暴雨中心主要集中在达川区、万源市、宣汉县、通川区一带,暴雨时间主要集中在4日0时至6日8时。达州辖区最大过程雨量为298.0 mm,最大日雨量为170.5 mm(4日),最大1 h雨量为4日16时35.0 mm。受强降雨影响,江口水库以上河流发生了一次一般洪水过程,江口水库最大入库流量4 800 m3/s,最高库水位超汛限水位2.39 m。

4.2 水库预报调度模拟

根据渠江流域洪水预报多年经验,本文模拟实际预报过程,以检验方案预报调度是否合理可用,故预报时间为降雨开始后、各一级预报站点未出洪峰之前。“四川省水旱灾害防御决策支持系统”平台的具体操作流程为:首先,用“预报调度”中“预见期降雨设置”模块获取未来气象数据,同时,可对气象数据进行人工修正,并保存雨量方案;其次,在“预报调度”模块中选择已构建好的“江口水库”的河系方案,在获取雨量方案及其他数据后进行作业预报,同时,可根据实际情况对预报结果进行检查和人工修正;最后,在江口水库入库流量预报结果的基础上,通过模拟不同的出库方式,来演算水库入库流量、水库水位等变化。

江口水库动态模拟中,“8·29”洪水以2021年8月28日22时为预报依据时间,“10·5”洪水以2022年10月4日20时为预报依据时间,前期预热期为30 d,预见期时段长为24个时段。利用已构建的江口水库河系预报方案,在获取未来气象数值天气数据的前提下,进行江口水库的入库流量预报。为了检验水库调度模拟是否与实际过程相符,本次的出库流量模拟按照实际出库流量设置,“8·29”“10·5”入库流量及水库调度动态模拟见表2、表3。

表2 “8·29”洪水江口入库流量及水库调度动态模拟

表3 “10·5”洪水江口入库流量及水库调度动态模拟

由江口水库入库流量及水库调度动态模拟结果分析:入库流量动态模拟中洪峰预见期可达7～10 h,入库洪峰流量数值误差小于5%,时间误差为1h,误差满足预报要求;同时,在入库流量过程预报结果的基础上,根据实际出库流量模拟得到的江口水库水位动态变化过程与实际水位过程较吻合,效果良好。

5 结语

准确可靠的水库入库流量及调度动态模拟,可为及时、科学的水库群联合调度提供有力的技术支撑,以达到削减洪峰流量、降低洪峰水位、实现水库精细化调度、水资源科学配置等最终目的。基于“水旱灾害防御决策支持系统”平台建立的江口水库河系预报方案,实现了江口水库的入库流量预报及水库调度进行动态模拟,为水库的实时洪水调度提供数据支撑及直观的图形显示,为类似水库的入库流量预报调度提供参考。基于“水旱灾害防御决策支持系统”平台模拟未来水情信息时,对未来数字天气预报依赖程度较高;同时,该方法须基于已率定好模型参数的基础上构建方案,因此,须在构建河系方案前做大量的模拟检验率定工作,以得到较高预报精度方案参数。