何銀才

（澧縣王家廠水庫管理處常德市415500）

1 基本情況

王家廠水庫座落在澧水一級支流涔水干流王家廠鎮(zhèn)，1960年建成蓄水，總庫容2.78億m3，集雨面積484 km2，占全流域的41%，壩址以上河長48.5 km，河道坡降3.5‰。其中南支蓮花堰水文站以上河長29.6 km，集雨面積163 km2，北支閘口水文站以上河長32.7 km，集雨面積161 km2，閘口－蓮花堰－王家廠區(qū)間集雨面積160 km2。

王家廠水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)是國家防總在1998年全國16座大型水庫進行的洪水調(diào)度系統(tǒng)工程試點之一，洪水調(diào)度系統(tǒng)工程于1999年4月1日投入試運行。

王家廠水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)主要包括水文自動測報系統(tǒng)和洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)兩個部分。

水文自動測報系統(tǒng)由北京燕禹新技術(shù)開發(fā)公司承建，系統(tǒng)設(shè)1個中心站、7個終端站，通信頻率為228.575 MHz，中心站設(shè)在水庫管理處防汛摟。

大壩（水庫站）、閘口（北支入庫站）、蓮花堰（南支入庫站）3個水文站采用DY1090A型遙測雨量計、WFH-2型細井式遙測水位計及YCZ-PS自報式水位終端機等設(shè)備；城關(guān)、劉家灣、東門、洞市4個雨量站，采用DY1090A型遙測雨量計。當水位變化1 cm、雨量變化1 mm時，終端機自動向中心站傳數(shù)，另每隔5個小時終端機向中心站傳數(shù)一次。

洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)由當時的武漢水利電力大學(xué)設(shè)計、安裝、調(diào)試。水庫洪水預(yù)報方案由流域產(chǎn)流模型、流域匯流模型和洪水實時預(yù)報校正模型三部分組成。

流域產(chǎn)流模型采用三水源新安江流域產(chǎn)流模型；匯流模型采用流域分散入流非線性匯流模型；洪水實時校正模型是采用洪水預(yù)報殘差自適應(yīng)校正模型。

在洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)軟件編制時，降雨及洪水資料采用1980～1997年資料，其中1980～1992年為預(yù)報方案評定期模型參數(shù)率定資料，1994～1997年為預(yù)報方案檢驗資料，入庫洪水流量過程線采用水量平衡方程推算，計算時段為3小時。

2 系統(tǒng)存在的問題

王家廠水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)建成以來，總的來說對王家廠水庫的調(diào)度工作起到了重要的作用，結(jié)束了長達40年來以人工測報、人工預(yù)報調(diào)度的歷史，但系統(tǒng)本身所暴露的問題也不少，主要存在如下幾個方面：

（1）系統(tǒng)未完建。

由于水文測報站點主要分布在水庫上游，只覆蓋涔水全流域面積的41%，而對下流澧陽平原和涔北丘崗區(qū)共700 km2未納入監(jiān)測范圍，也未對下游降雨、徑流及河網(wǎng)匯流模型進行研究，水庫下泄流量還是采用人工經(jīng)驗判斷，不利于王家廠水庫錯峰、削峰和下游補償調(diào)節(jié)功能發(fā)揮，對下游淞澧大圈和水庫本身安全有不利影響。

（2）水庫庫容曲線使洪水預(yù)報模型產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

王家廠水庫自建成以來，運行50年來沒有重新測量庫容，由于原始測量誤差加上多年淤積、沖刷影響，誤差在所難免，庫容誤差在給水庫日常調(diào)度帶來不利影響的同時，也造成了洪水調(diào)度系統(tǒng)先天不足。筆者查找到水庫管理處不同時期采用的水位～面積、水位～庫容關(guān)系圖表，在此為方便說明，分別將其命名為1961年版（1961年圖紙）、1985年版（1985年水利部編印基本資料）和1996年版（水庫管理處1996年編基本資料），各版本數(shù)據(jù)有所不同(表1)，差別主要集中在75.0 m高程左右，在75.0 m高程時，不同版本水面積相差大于1 km2、庫容相差大于100萬m3，其它高程處也有不同程度變化。由于時間久、人事變動等原因沒有留下相關(guān)資料，變更的具體時間和變更依據(jù)已無從查考，但總體來說不同版本的水位～庫容關(guān)系圖表差別相對較少，水庫管理處及湖南水文部門目前使用的為1996年版的圖表。

表1 王家廠水庫管理處不同時期采用的水位～面積、水位～庫容關(guān)系圖表

筆者曾使用1996年版水位～面積關(guān)系圖表推算出一套水位～庫容關(guān)系圖表，結(jié)果與1996年版水位～庫容關(guān)系圖表存在差別，最大差值為340萬m3，在75.5高程，而以1996年版水位～庫容關(guān)系圖表反算水位～面積關(guān)系圖表，得出的結(jié)果不僅與1996年版的水位～面積圖表不符，而且發(fā)現(xiàn)面積與水位關(guān)系呈鋸齒狀，與現(xiàn)狀不符，說明本套圖表在原始測量或庫容計算環(huán)節(jié)產(chǎn)生了誤差，1998年洪水實時預(yù)報調(diào)度軟件編寫時使用的1996年版水位～庫容圖表必然產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

這一問題在本洪水調(diào)度實時預(yù)報軟件編寫時就已出現(xiàn)，由于兩個入庫站控制集雨面積為324 km2，只占水庫總集雨面積的67%，還有160 km2的區(qū)間匯流無法由入庫站監(jiān)測。軟件編寫時歷史入庫洪水過程采用了水庫水量平衡方法進行推算，即采用公式Q入=Q出+（V末-V初）/Δt+Q損計算，這個公式雖然是推算已建水庫入庫洪水的經(jīng)典公式，但它的精度依賴于所采用的參數(shù)的精度，由于水位～庫容關(guān)系誤差及水文記錄以整厘米為單位記錄等因素影響（1 cm影響庫容約為10～20萬m3）。軟件編寫時曾采用過Δt=1 h方案進行計算，發(fā)現(xiàn)入庫流量出現(xiàn)負值和洪水過程呈現(xiàn)鋸齒狀情況較多，后改用Δt=3 h進行計算，入庫流量出現(xiàn)負值和洪水過程呈現(xiàn)鋸齒狀情況大為減少，遂采用Δt=3 h反推入庫洪水流量為基礎(chǔ)，并參照兩個入庫站實測按流域面積放大流量過程，以修正入庫過程線，但這種“修正”必然造成了推求的入庫洪水過程線失真（表2），據(jù)此流量過程編寫的洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)不可避免地會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，雖然系統(tǒng)具有洪水預(yù)報校正功能，但由于存在系統(tǒng)誤差，此功能發(fā)揮作用有限。

表2 由水量平衡計算公式推算的入庫流量造成洪水過程線失真

（3）水文測報設(shè)備硬件方面存在不足。

設(shè)備故障頻繁。各水文測報設(shè)備屬專用設(shè)備，投入運行幾年后故障頻發(fā)，每到汛期水庫管理處都要多次派人搶修，一旦專用設(shè)備（如主板、放大器等）發(fā)生故障，由于附近沒有維修點，只能寄到制造廠家，維修不及時、不可靠，影響了水庫正常調(diào)度。2005年初水庫管理處被迫將水庫下游一個雨量站（城關(guān)雨量站）全套設(shè)備拆下后作為備品備件。

通信傳輸受阻。系統(tǒng)僅采用無線通信，無其它備用通信方式，可靠性差。主要影響因素：一方面由于各測站天線采用的是高增益定向天線，方向感很強，受風吹影響天線在發(fā)生較小偏移的情況下就無法通信；另一方面無線電波穿透、繞射能力差，因房屋和樹木阻擋導(dǎo)致通信中斷的情況年年發(fā)生。

（4）系統(tǒng)老化失修。

2002年底，即系統(tǒng)運行滿4年時，預(yù)留的備品備件已基本用完，從2003年起，系統(tǒng)的洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)部分已徹底癱瘓，在不斷搶修的情況下，整個系統(tǒng)只有水文測報部分勉強維持運行，目前在通信方面能和管理處中心站保持正常聯(lián)系的站只的蓮花堰、劉家灣、洞市、東門四個站，閘口水文站由于建筑物和樹木阻隔，雖經(jīng)我們加裝放大器、加高發(fā)射天線等方式處理，仍無法通信。

在雨情測報方面，由于閘口水文站通信障礙，雨水信息無法傳送到水庫中心站，目前系統(tǒng)可自動采集雨情數(shù)據(jù)的測站只有蓮花堰、劉家灣、洞市、東門；在水情監(jiān)測方面，蓮花堰水文站因自記井老化水位數(shù)據(jù)誤差大、可信度差，閘口水文站因通信故障造成水位數(shù)據(jù)無法傳送。

由于中心站電子主設(shè)備已運行10多年，服務(wù)器、電腦也因多年運行“光榮退休”，原來采用的Windows98和Windows NT4.0系統(tǒng)早已更新為Windows XP和Windows server 2003,而洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)軟件還是原來老版本，有些功能已無法在新電腦系統(tǒng)上實現(xiàn)。目前，洪水預(yù)報和調(diào)度方案編制恢復(fù)到系統(tǒng)建設(shè)前的人工經(jīng)驗預(yù)報模式，洪水實時預(yù)報和調(diào)度方案優(yōu)選無法自動完成。

土建工程設(shè)施老化失修嚴重，王家廠水庫水文、雨量站土建設(shè)施主要有兩種：一是原省水文局所建站房及測流設(shè)施移交給水庫管理處；二是租用民房。閘口、蓮花堰兩個入庫水文站是省水文局20世紀70年代所建的站房和自記井，經(jīng)過40年運行，房屋老化失修已成危房，嚴重威脅工作人員及設(shè)備安全，自記井由于多年運行，滲漏、垮塌嚴重，蓮花堰站自記井由于滲漏，井內(nèi)水位受山體滲水影響，長期高于河道內(nèi)水位，即使在外河處于高水位時也有較大差別，涔水南支來水流量實時觀測數(shù)據(jù)已嚴重失真。

洞市站、劉家灣站、東門3個站雨量站系委托雨量站，于1965年投入使用，一直租用民房，劉家灣站由于住戶現(xiàn)已移居山下，原房屋（雨量設(shè)備安置處）未住人，而附近又沒有合適人家遷移，為保證設(shè)備安全，從明年開始該測站設(shè)備將不得不相應(yīng)下移，該站無線通信將受到嚴重影響。

3 建議

（1）水文測報方面。

完建涔水流域水文測報網(wǎng)點，采用專門成套設(shè)備。這方面氣象、水文等有關(guān)部門已開發(fā)出成熟技術(shù)和產(chǎn)品，通信方面采用無線通信和公共通信（固話或手機）方式互為備用，制約只是資金問題。

另建中繼站方案也是解決通信故障的可行方案之一，由于王家廠水庫中心站高程在100 m左右，涔水下游地面高程順50 m以下，位于水庫上游的太青山、天供山、刻木山有較大地理優(yōu)勢，其中太青山最高點高程在1 000 m左右，為澧縣最高點，可覆蓋全澧縣，但交通不便、路程遠，設(shè)備維護難度大；刻木山最高點高程的500 m左右，距水庫管理處最近，交通方便；天供山最高點高程在400 m左右，距管理處中心站10 km，交通最方便，這三點都可作為中心站備用地點，基本上都可覆蓋涔、澹水全流域。

從可靠性保障角度來看，建議最好采用中繼站+手機的通信方式，這一方面能保證各測報站點與水庫管理處中心站水文測報數(shù)據(jù)可靠傳輸，另一方面還有一個好處：由于三地分別距湖南張家界、湖北松滋縣距離不遠，加上地理位置較高，天供山、太青山被湖北荊州市手機信號覆蓋，刻木山被張家界市手機信號覆蓋，在澧水或洞庭湖其它流域發(fā)生特大洪水、地質(zhì)災(zāi)害造成長沙－常德－澧縣通信光纜中斷時，不但能保證水庫與上級防汛調(diào)度部門水文、調(diào)度數(shù)據(jù)可靠傳輸，還可作為水庫管理處與省防辦、長江委緊急聯(lián)系通道。

近年來，氣象部門已在全省范圍內(nèi)建立了一套中小尺度天氣資料應(yīng)用系統(tǒng)，這套系統(tǒng)分布的很廣，基本上覆蓋了全省各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，經(jīng)一年來與水文測報系統(tǒng)對照使用，發(fā)現(xiàn)相鄰地點兩套系統(tǒng)所觀測雨量數(shù)據(jù)差別較大，這個問題有待進一步與氣象部門共同研究解決，如能較好地解決這個問題，可直接將氣象部門自動觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入水庫水文測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，這樣相當于加密了水文自動測報網(wǎng)點，達到提高雨量監(jiān)測精度和增加系統(tǒng)可靠性的目的。

（2）軟件方面。

①對涔水全流域降雨、產(chǎn)流、匯流模型進行研究，建立起一套覆蓋涔、澹水全流域的洪水實時預(yù)報模型，編制水庫優(yōu)化調(diào)度軟件，充分發(fā)揮水庫調(diào)洪作用和下游河道、北民湖調(diào)蓄能力，對下游進行補償調(diào)節(jié)，保證水庫及下游堤防安全。這項工作的難度最大，主要原因是水庫下游的涔、澹水流域（包括澧陽平原）布設(shè)的水文網(wǎng)點少，缺乏實時觀測資料?，F(xiàn)在涔、澹水下游常德水文局雨量網(wǎng)點只有澹水中和鋪站和涔水流彭家廠，澧陽平原雨量站點只有有澧縣站（2008年新建）、津市站，歷史上還有張公廟、樟柳河站。澧縣水利局涔、澹水流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站有汛期雨量或水位觀測資料，但這些資料精度和完整性較差，也沒經(jīng)過系統(tǒng)整編，觀測人員水平也參差不齊，參考作用有限。為徹底搞清涔、澹水下游水雨情及產(chǎn)匯流情況，還有很多工作要做，但不管怎樣，這項工作必須盡早著手。

②為消減庫容誤差引起的系統(tǒng)誤差，王家廠水庫庫容測量在所難免，越早完成越好，這項工作沒有技術(shù)屏障，但工作量很大。為避免庫容計算環(huán)節(jié)和水位觀測環(huán)節(jié)誤差造成的入庫洪水誤差，入庫洪水過程線推算建議將公式進行如下變形后采用。

先將水量平衡公式Q入=Q出+（V末-V初）/Δt+Q損進行如下變換：

在Δt取值較小時，忽略Q損的影響，再將上式進一步變換為：

式中ω（z）——水庫在某一水位時的水面積（直接由水位～面積圖表查得）；

tg（β）——水位～時間變化曲線（水庫站水位自記紙上的曲線）的導(dǎo)數(shù)；

k——常數(shù)（由于自記紙采用時間、水位與流量單位不統(tǒng)一，故在此加入轉(zhuǎn)換系數(shù)）。

如需推求某時刻入庫流量，先在庫水位自記記錄紙上查得相應(yīng)點瞬時水位，再查得曲線在該點切線與水平線的角度，求得正切值，直接代入上式計算瞬時入庫流量。經(jīng)筆者實際采用2009年4月19日的王家廠水庫水位自記曲線進行入庫流量推算，發(fā)現(xiàn)這種方法有如下好處：避免由于庫水位～庫容關(guān)系誤差對入庫流量造成的系統(tǒng)誤差；避免由于水位觀測誤差（如觀測錯誤、水位記錄以整厘米為單位造成的影響等）帶來的偶然誤差；避免了人為規(guī)定Δt對洪峰分割造成不利影響（坦化）；可求出水庫任何時刻的瞬時入庫流量，不受Δt取值制約；求得的入庫流量曲線連續(xù)，不會出現(xiàn)因Δt取值不同造成推算出的入庫流量過程線產(chǎn)生變異，流量過程線上也不會有負值、鋸齒波等情況出現(xiàn)。

③軟件盡量做到與上級防汛部門和水文部門軟件相互兼容，便于自動上傳、下載水文數(shù)據(jù)，避免重復(fù)建設(shè)，減少工程投資和維護成本。

與專業(yè)軟件公司合作開發(fā)應(yīng)用軟件，人機界面與Windows相似，按鍵功能設(shè)置盡量與Windows一致，便于不太熟悉的人員也可盡快熟悉操作。軟件編制完成后，請專業(yè)公司對軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進行評測，提高軟件系統(tǒng)運行的可靠性。

④預(yù)報方案模型參數(shù)盡量采用所有發(fā)生過的典型降雨徑流資料，而不僅采用1980～1992年12年資料作為評定期模型參數(shù)率定資料，預(yù)報方案檢驗資料采用系列也應(yīng)相應(yīng)延長，以提高洪水預(yù)報精度。

（3）管理方面。

管理是一個重要因素，是保障整個系統(tǒng)正常工作的重要條件，由于整套設(shè)備屬于專用設(shè)備，涉及專業(yè)多，故障判斷處理難，一般人員很難維修，只能作簡單維護處理，這方面還有待廠家和水庫管理處共同解決，一方面加強人員培訓(xùn)力度，提高管理人員技術(shù)水平，加強工作責任心；另一方面加大資金投入，保證設(shè)備完好，與設(shè)備制造廠家和軟件編制單位簽訂長期服務(wù)協(xié)議，對設(shè)備搞好跟蹤服務(wù)，對軟件定期升級，保證系統(tǒng)高效運行。

4 結(jié)語

王家廠水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫，每年平均為澧陽平原提供灌溉水1億m3，灌溉農(nóng)田面積2.67萬hm2（40萬畝），在預(yù)留0.51億m3防洪庫容條件下，能將20年一遇洪水（最大流量1 710 m3/s）按107 m3/s下泄，是淞澧大圈重要防洪工程，是事關(guān)澧縣人民生命財產(chǎn)安全和保證澧縣經(jīng)濟發(fā)展的重要民生工程，社會效益巨大。隨著澧縣經(jīng)濟社會發(fā)展，科學(xué)防洪對我們工作提出了更高的要求，覆蓋涔水全流域洪水調(diào)度系統(tǒng)是王家廠水庫抵御洪水不可缺少的輔助決策工具，系統(tǒng)升級換代迫在眉睫。