红水河龙滩水电站区间河系洪水预报方案研究

2024-02-18 18:50杜勇付宇鹏韦永江李宗泰

人民珠江 2024年1期

杜勇付宇鹏韦永江李宗泰

摘要：龙滩水电站是珠江流域防洪控制性工程，但目前缺乏较完整的河系洪水预报方案。为充分发挥龙滩水电站的防洪调蓄作用，选取了雷公滩、沫阳、平里河、平湖和仙人桥等支流控制站点，通过重要子区间分析确定重点关注区域，利用新安江三水源产流模型、三水源滞后演算汇流模型和马斯京根汇流演算法构建龙滩水电站区间河系洪水预报方案。研究结果表明：龙滩水电站最大入库洪水洪量占比通常为无控区间，其次为贵州区支流（蒙江、坝王河、曹渡河、六硐河），两者是洪水预报的关注重点；本研究构建的河系洪水预报方案整体洪峰流量、场次洪量的平均相对误差均为10%，平均确定性系数均在0.75以上，总体结果较好。因此，构建的龙滩水电站区间河系洪水预报方案能够应用于实时洪水作业预报中，也为进一步提升“四预”能力筑牢基础。

关键词：新安江模型；河系洪水预报；无控区间；龙滩水电站

中图分类号：TV122 文献标识码：A 文章编号：1001.9235（2024）01.0122.09

Study on River System Flood Forecasting Scheme for Longtan Hydropower Station Interval in Hongshui River

DU Yong1，FU Yupeng1，WEI Yongjiang2，LI Zongtai2

（1.Bureau of Hydrology of Pearl River Water Resources Commission， Guangzhou 510611， China;

2.Longtan Hydropower Plant of Longtan Hydropower Development Co.， Ltd.， Hechi 547300， China）

Abstract： Longtan Hydropower Station is a flood control project in the Pearl River Basin，but there is currently a lack of a comprehensive river system flood forecasting scheme.In order to give full play to the flood control and storage function of Longtan Hydropower Station，tributary control stations such as Leigongtan，Moyang，Pinglihe，Pinghu，and Xianrenqiao are selected，and the key areas of concern are determined through the analysis of important sub.intervals.The river system flood forecasting scheme for the Longtan Hydropower Station interval is constructed by using the Xinan River three.source runoff generation model，three.source lag routing convergence model，and Maskingen convergence algorithm.The research results show that the proportion of the maximum inflow flood volume of Longtan Hydropower Station is usually in uncontrolled intervals，followed by the tributaries in Guizhou Province （Mengjiang River，Bawang River，Caodu River，and Liudong River），which are the focus of flood forecasting.The total average relative peak flow error and the average relative flood volume error in the river system flood forecasting scheme are both 10%，and the average deterministic coefficients are above 0.75.The overall results are relatively accurate.Therefore，the river system flood forecasting scheme for the Longtan Hydropower Station interval can be applied to real.time flood operation forecasting，and it lays a solid foundation for further improving the “forecast，early warning，rehearsal，and contingency plan” capability.

Keywords：Xinan River model;river system flood forecasting;uncontrolled interval;Longtan Hydropower Station

龍滩水电站位于珠江流域西江上游红水河段，地处广西天峨县境内，坝址以上流域面积98 500 km2，库区覆盖了南盘江、北盘江和红水河的部分区域［1-2］，龙滩水电站对珠江流域防洪和水资源配置有着重要的作用［3-4］。从防洪角度讲，在汛期需降低至汛限水位运行，洪水来临前尽可能地腾空库容，洪水过程中依据西江干流防洪安全调蓄大洪水；从兴利角度讲，在保障下游防洪安全的前提下减少流域梯级弃水，提高汛末流域梯级蓄满率，从而增强流域水资源调配能力［5-6］。

随着水文气象预报技术的发展［7］，结合数值预报降雨的洪水短期预报可准确预报出未来1～3 d的洪水量级，为实现汛期龙滩水电站洪水预报调度一体化研究提供了技术支撑。以风险可控为前提，通过预报手段，在无明显涨水过程阶段，水库适当抬高库水位运行；在洪水到来前，水库提前预泄不影响水库防洪功能的充分发挥［8］。因此，研究龙滩水电站区间洪水预报技术对统筹流域防洪和兴利的需求，提高龙滩水电站洪水资源的利用效率，增加龙滩水电站及下游梯级的发电效益，保障区域社会经济的稳定和可持续发展是很有必要的。

龙滩水电站区间指南盘江天生桥（一级）水库、北盘江董箐水库至龙滩水电站坝址间流域，该区间集水面积大、地形水系复杂，洪水预报难度较大，尚未有较为完整的河系洪水预报方案［9］。新安江三水源产流模型（SMS_3）、三水源滞后演算汇流模型（LAG_3）和马斯京根汇流演算法（MSK）在南方湿润地区应用效果较好且操作简便，是比较成熟、可靠、高效的洪水预报方法［10-12］，龙滩水电站区间地处南方湿润地区，可使用上述模型进行产汇流及洪水演进分析计算，建立一套洪水预报生产应用方案，在洪水作业预报中运用此生产应用方案，利用实测降雨、来水以及未来降雨预报信息，对未来一定时段的龙滩水电站入库洪水做出预报。基于上述，本文开展龙滩水电站区间河系洪水预报方案研究，包括水系站点选择、暴雨过程分类研究、预报方案构建及参数率定等，为切实做好流域“四预”（预报、预警、预演、预案）工作［13-14］、提高水库洪水防御过程管控水平提供有力可靠的技术支撑。

1 研究区域概况

本文研究范围为南盘江天生桥（一级）水库、北盘江董箐水库至龙滩水电站区间流域，集水面积28 668 km2，龙滩水电站区间有蒙江、坝王河、六硐河、曹渡河、布柳河等多条支流呈扇形汇入。其中支流蒙江建有双河口水电站［15］，坝址位于蒙江干流河段上格凸河与涟江汇合口下游4 km处，是蒙江干流规划开发的第七级水电站，坝址以上控制流域集水面积4 770 km2，占蒙江总流域面积的55.1%；支流曹渡河建有龙塘水电站，坝址位于曹渡河与其支流打贵河汇合口下游约200 m处，坝址以上控制流域集水面积1 321 km2。干支流控制站（干流和支流的水文、水库等控制性站点）至龙滩坝址所包围的区域称为无控区间，无控区间的实际洪水通过龙滩水电站入库洪水减去干支流控制站经过推移坦化后的流量过程得到。龙滩水电站的入库洪水由南盘江、北盘江、上述5条主要支流及无控区间组成。

龙滩水电站区间水系分布情况见图1，龙滩水电站区间流域测站的分布情况、各站历史资料完整度详情见表1。

龙滩水电站区间现有127个雨量站，站点布设较为均匀，平均站网密度226 km2/站，可满足编制洪水预报方案站网密度要求（<300 km2/站）。各区域雨量站点及资料情况（2007—2023年实测）见表2，龙滩水电站区间站网分布见图2。

2 区间河系预报方案构建

2.1 总体方案结构

龙滩水电站洪水的主要来源有上游南盘江天生桥（一级）水库、北盘江董箐水库以及这3个水库所构成的区间，本文所用洪水均为水库调蓄之后的洪水过程。

对于上游水库而言，天生桥（一级）水库是红水河梯级电站的第一级，是南盘江的重要控制节点，董箐水库是北盘江流域梯级第三个电站，是北盘江的重要控制节点，2座水库报汛质量较好。经统计，在龙滩水电站建成以来的61场入库洪水组成中，两座水库平均洪量占比均为21%，是龙滩入库洪水的重要组成部分，因此选取天生桥（一级）水库出库流量和董箐水库出库流量作为龙滩水电站区间的上游输入。

对于区间而言，在龙滩水电站入库洪水组成中，各支流及无控区间（干支流控制站至龙滩坝址所包围的区域）洪量占比情况见表3。

经统计，各支流控制站洪量之和占龙滩水电站入库洪量的平均比例为27%，最高为61%，是龙滩水电站入库洪水的重要组成部分，其中位于贵州的蒙江、坝王河、曹渡河和平里河的洪量占比一般要高于位于广西的布柳河的洪量占比，但低于无控区间的洪量占比。根据龙滩水电站区间流域测站分布、各站历史资料完整度、报汛状态以及洪水组成情况选择在雷公滩、沫阳、平里河、平湖和仙人桥等水文控制站以及5个站点和龙滩水电站组成的无控区间上构建龙滩水电站区间河系预报方案。

2.2 重要预报子区间分析

利用区间多源雨量信息融合分析，绘制各场次暴雨过程累积降雨量分布图，分析暴雨落区，可将龙滩水电站区间暴雨过程大致分为全流域型、贵州区支流型、广西区支流型和无控区间型，降雨场次分别为17、29、8、7次，贵州区支流型的降雨次数最多。不同类型暴雨场次特征值统计见表4。

经统计，全流域型的平均降雨时长最长，贵州区支流型和无控区间型次之，广西区支流型相对最短；无控区间型的龙滩水电站平均入库流量涨幅最大，全流域型次之，贵州区支流型和广西区支流型相对最小。相应的龙滩水电站平均入库洪峰流量也有相似规律：从单场暴雨来看，贵州区支流型的龙滩水电站入库洪峰流量最大值可达15 200 m3/s，入库流量涨幅最大值12 900 m3/s；全流域支流型次之，入库洪峰流量最大值可达10 200 m3/s，入库流量涨幅最大值9 120 m3/s。

根据平均入库流量涨幅、入库洪峰流量和暴雨场次数量，贵州区支流型和无控区间型暴雨对龙滩入库洪水影响较大，因此需要重点分析研究蒙江、坝王河、曹渡河、六硐河和无控区间的洪水预报方案。

3 洪水预报方案研究

3.1 预报方案构建

洪水预报生产应用方案的输入包括降雨量、蒸发量和上断面入流量，其中降雨量为流域面平均降雨量，可根据龙滩水电站区间布设雨量站的降雨量，利用泰森多边形法计算权重得到。对于雷公滩站、沫阳站、平里河站、平湖站和仙人桥站等上游流域区域，方案的输入为降雨量和蒸发量；无控区间输入则包括降雨量、蒸发量、上断面水文站流量和上游水库出库流量。雷公滩站、沫阳站、平里河站、平湖站和仙人桥站各站以上区间利用新安江三水源产流模型和三水源滞后演算汇流模型演算至各站点出口断面；无控区间将天生桥（一级）水库和董箐水库的出库流量，雷公滩站、沫阳站、平里河站、平湖站、仙人桥站的流量作为上断面输入，利用马斯京根汇流演算法演算至龙灘水电站出口断面，区间来水利用新安江三水源产流模型和三水源滞后演算汇流模型演算至出口断面，将所有来水过程叠加得到龙滩水电站预报入库流量过程。龙滩水电站区间河系方案结构见图3。

3.2 参数率定与精度评定

选取雷公滩站12场洪水、沫阳站40场洪水、平里河站24场洪水、平湖站40场洪水、仙人桥站40场洪水、龙滩水电站50场洪水进行参数率定，以确定性系数最优作为目标函数，使用单纯形法作为参数优选方法，参数率定结果见表5、6。选取雷公滩站4场洪水、沫阳站10场洪水、平里河站6场洪水、平湖站10场洪水、仙人桥站10场洪水、龙滩水电站11场洪水进行参数检验，龙滩水电站区间河系洪水预报方案精度评定按GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》［16］进行，各断面实测洪峰流量与率定结果、检验结果相对误差见图4。

从图4可以看出，雷公滩站、沫阳站、平里河站、平湖站、仙人桥站和龙滩水电站率定期和检验期大部分洪水洪峰预报相对误差可以控制在许可误差（降雨径流预报以实测洪峰流量的20%作为许可误差）范围内，并且洪峰预报相对误差与洪峰流量没有相关性和偏差，率定的参数对大部分洪水具有适用性，并且具有较好的检验效果，说明参数较为合理。

龙滩水电站区间河系洪水预报方案主要断面洪峰流量平均相对误差、洪量平均相对误差和平均确定性系数见表7，图5给出了河系洪水预报方案各断面2022年较大洪水的检验结果。

根据图5和表7，龙滩水电站各断面2022年较大洪水均具有较好的检验结果，各断面率定期及检验期的洪峰流量平均相对误差在5%～15%，洪量平均相对误差在2%～15%，除雷公滩、平里河外其余断面平均确定性系数均在0.80以上。但是仍有部分站点预报精度较差，例如雷公滩、平里河等站点，上游分别受双河口电站、龙塘电站影响较大，尤其在中小洪水过程中，水库调节作用可能比较明显。

3.3 结果分析

根据前文所述，无控区间是组成龙滩水电站入库洪水过程的重要部分，对龙滩水电站区间河系预报方案精度影响较大。无控区间方案模拟洪水预报的总体合格率较高，但是仍有个别场次预报误差略大，分析可能的模拟预报误差原因如下。

2010年6月27日至2010年7月5日的龙滩水电站入库洪水过程中，方案模拟预报洪峰流量7 800 m3/s，实际洪峰流量9 860 m3/s，洪峰流量相对误差为-21%，预报洪峰流量偏小。经初步分析，龙滩水电站入库洪峰流量的主要组成部分为董箐水库出库、雷公滩站和无控区间洪水，其中无控区间洪水占比相对较大。无控区间的暴雨落区位于北盘江至蒙江和布柳河一带，北盘江和蒙江属于贵州山区性河流，洪水呈现暴涨暴落的现象，产汇流时间短，布柳河是最接近龙滩水电站坝址的支流，汇流时间也比较短。因此，在一些特殊的洪水场次，暴雨集中落于产汇流时间比较短的区域，洪水迅速汇集更容易造成较大的入库洪峰流量，在今后实际预报中要加以甄别并对洪峰预报结果进行适当的经验修正。

2020年6月2—15日的龙滩水电站入库洪水过程中，方案模拟预报洪峰流量7 140 m3/s，实际洪峰流量5 780 m3/s，洪峰流量相对误差为24%，预报洪峰流量偏大。经初步分析，该场洪水为2020年第一场洪水，由于前期没有有效降雨补充土壤含水量，实际区间产流量较小，尤其是流域内部分地区还存在岩溶地貌，对第一场暴雨洪水的调蓄作用较大，导致龙滩水电站的入库流量上涨较缓。在开展每年第一场入库洪水的预报作业时，应充分考虑前期降雨及流域其他水利工程运行状况，进一步提高水库入库洪水的预报精度。

此外，若龙滩水电站上游的南盘江天生桥（一级）水库、蒙江雷公滩站报汛时段间隔较大，有可能漏掉关键的上游控制断面洪峰信息，也是造成龙滩入库洪峰预报偏差的重要原因。

4 结论

a）基于新安江三水源产流模型、三水源滞后演算汇流模型和马斯京根汇流演算法，在雷公滩、沫阳、平里河、平湖和仙人桥等水文控制站以及无控区间构建了龙滩水电站区间河系预报洪水方案。根据入库洪水组成分析，无控区间和贵州区支流是龙滩水电站入库洪水的主要来源，在洪水作业预报中需要重点关注无控区间和贵州区内蒙江、坝王河、曹渡河、六硐河的洪水。

b）龙滩水电站区间河系洪水预报方案模拟的各断面洪峰流量、场次洪量和确定性系数均具有较高的精度，检验效果较好，能够满足大部分入库洪水场次的预报精度要求。但在洪水预报作业中，需要注意易受上游电站调节影响的蒙江雷公滩、曹渡河平里河等站点；需要甄别无控区间暴雨落区为产汇流时间较短的区域，此情况容易造成龙滩水电站的突发性入库洪水；此外，对每年第一场入库洪水，应充分考虑前期降雨及流域其他水利工程运行状况。

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