張宏科

（新疆克孜爾水庫管理局，新疆庫車842313）

0 前言

新疆克孜爾水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)于2000年汛前投入試運行，同年9月23日通過了國家防總組織的預(yù)驗收，并于2003年1月9日通過了自治區(qū)防總組織的終驗，項目竣工決算總投資161.7萬元。

克孜爾水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)在渭干河上游16637 km2的流域面積上布設(shè)了6個水位站和13個雨情站點，且多數(shù)雨量站點布設(shè)在海拔2000 m左右的前山區(qū)。目前系統(tǒng)已經(jīng)過10個汛期的運行。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）信息采集傳輸子系統(tǒng)：遙測自動收集水雨情信息、超短波信息，自動解碼與數(shù)據(jù)核查、濾錯，水雨情動態(tài)監(jiān)視與報警，數(shù)據(jù)上傳、下載等功能模塊。

（2）洪水預(yù)報子系統(tǒng)：通過建立洪水預(yù)報模型庫，應(yīng)用預(yù)報成果實時修正技術(shù)，實現(xiàn)自動與人工交互預(yù)報，進行實時交互式洪水預(yù)報與假擬未來降雨洪水預(yù)報。包括水雨情數(shù)據(jù)處理、實時洪水預(yù)報、假想洪水預(yù)報、預(yù)報成果管理等功能模塊。

（3）洪水調(diào)度子系統(tǒng)：建立調(diào)度模型庫，實現(xiàn)自動與交互兩種方式推求水庫的洪水調(diào)度方案，并對方案進行多目標(biāo)模糊優(yōu)選，提供快速方便的洪水調(diào)度決策輔助功能。包括常規(guī)經(jīng)驗調(diào)度、交互式洪水調(diào)度、水庫優(yōu)化調(diào)度等功能模塊。

（4）數(shù)據(jù)庫管理及信息服務(wù)子系統(tǒng)：在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和開發(fā)中采用Client/Server結(jié)構(gòu)體系，使系統(tǒng)既可用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，又可用于單機系統(tǒng)，便于系統(tǒng)的集成。包括水雨情數(shù)據(jù)處理、水雨情數(shù)據(jù)查詢、水雨情數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖形查詢等功能模塊。

2 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）根據(jù)克孜爾水庫流域的水文地理和氣象特征，按分塊流域分別應(yīng)用大伙房匯流模型、變時段匯流模型和廣義相關(guān)融雪模型;利用經(jīng)驗單位線、模式單位線、馬斯京根法和合成流量法，研制了考慮上游水利工程影響的入庫洪水計算方法、洪水預(yù)報模型庫、實時洪水預(yù)報綜合修正技術(shù)；開發(fā)了基于圖形界面的實時交互綜合修正、假擬降雨預(yù)報等交互式標(biāo)準(zhǔn)功能模塊。

（2）研制開發(fā)了規(guī)劃調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、閘門控制調(diào)度等水庫洪水調(diào)度模型；建立了克孜爾水庫洪水調(diào)度模型庫；實現(xiàn)了模型與經(jīng)驗有機結(jié)合的洪水調(diào)度決策技術(shù)和多階段多目標(biāo)水庫防洪調(diào)度決策的模糊優(yōu)選模型技術(shù)。用戶可依據(jù)不同的約束條件生成洪水調(diào)度方案，通過人機交互方式靈活多樣、直觀方便地實現(xiàn)洪水模擬仿真、多方案優(yōu)選，為會商決策提供技術(shù)支持。

（3）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫事務(wù)對象實現(xiàn)多個模型和數(shù)據(jù)源的自由選擇。允許各個水庫或防洪控制點斷面所在河流增加系統(tǒng)沒有提供的預(yù)報模型，或原來預(yù)報模型的變異。在系統(tǒng)使用環(huán)境上，通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)流的有效劃分，系統(tǒng)可非常方便地應(yīng)用于單機或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以適應(yīng)所在流域計算機應(yīng)用環(huán)境。

（4）系統(tǒng)可擴展性和可移植性處理方法。通過優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫設(shè)計和面向?qū)ο缶幊?，使系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境變化，具有很好的可擴展性。

3 應(yīng)用情況及效益分析

3.1 洪水預(yù)報精度及削峰率統(tǒng)計

系統(tǒng)2000年6月投入運行以來，成功預(yù)報并攔蓄大于4年重現(xiàn)期流量400 m3/s的洪水共計5次、10年重現(xiàn)期流量1312 m3/s的洪水共計6次、僅次于20年重現(xiàn)期流量1885 m3/s的洪水2次、50年重現(xiàn)期流量2718 m3/s的洪水1次、100年重現(xiàn)期流量3380 m3/s的洪水2次。表1為對2001～2010年發(fā)生的洪峰流量大于1000 m3/s的6場次洪水所做的預(yù)報精度分析。表1反映出：洪峰流量平均預(yù)報精度為88.2%，洪水總量預(yù)報精度為82.6%，平均預(yù)見期為8 h，該洪水預(yù)報系統(tǒng)對渭干河洪水的預(yù)報是可信的，其預(yù)報成果具有較高的應(yīng)用價值。

表2統(tǒng)計了2001～2010年6場次洪水發(fā)生期間的水庫削峰率。數(shù)據(jù)表明，水庫通過預(yù)泄、削峰等綜合調(diào)度后，削峰率至少在63%以上，既確保了水庫工程安全度汛，又減輕了下游庫車、沙雅、新和三縣的防洪壓力，保證了防洪區(qū)內(nèi)人民的生命財產(chǎn)及交通、水利、石油等重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全，防洪減災(zāi)效益顯著。

3.2 實例分析

克孜爾水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)在2010年“7·29”大洪水中發(fā)揮了重要作用，為決策者正確決策提供了強有力的支持，創(chuàng)造了明顯的效益。

表1 2001～2010年實際作業(yè)預(yù)報精度統(tǒng)計表Table 1:Accuracy of flood forecast during 2001～2002

（1）防洪效益

進入2010年7月下旬、8月上旬以來，水庫壩址以上盆地降雨偏多，平均降雨量均達到或超過歷史同期最高水平，其中單站日降雨量達65.0 mm。水情自動測報系統(tǒng)及時、準(zhǔn)確地為洪水預(yù)報、洪水調(diào)度工作提供了水、雨情信息，大大增長了洪水預(yù)見期。從7月29日～8月3日，共進行了11次洪水預(yù)報，均做出了相應(yīng)洪水調(diào)度方案，增長洪水預(yù)見期8～48 h，為上級防汛部門的調(diào)度決策提供了科學(xué)依據(jù)。

2010年“7·29”洪水使克孜爾水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)經(jīng)歷了實踐的檢驗。經(jīng)克孜爾水庫工程經(jīng)濟效益評價，2010年水庫防洪減災(zāi)效益為43.23億元。按常規(guī)劃分，非工程措施效益即洪水調(diào)度系統(tǒng)效益占防洪總效益的5%～10%，按7%計為3.03億元?？梢姾樗{(diào)度系統(tǒng)的防洪效益是顯著的。

表2 2001～2010年洪峰1000 m3/s以上洪水削峰率統(tǒng)計表Table 2:Peak cut for the floods above 1000 m3/s during 2001～2010

（2）發(fā)電效益

7月29日8 時～9月20日8時水庫泄流期間，電站4臺機組基本滿發(fā)，累計發(fā)電1224.0萬kW·h，合人民幣294.0萬元。汛末根據(jù)實際情況，經(jīng)科學(xué)調(diào)度，逐步減小泄量并及時關(guān)閘蓄水，減少了棄水，使水庫超蓄0.40億m3，此水量可增加灌區(qū)秋灌供水量。

（3）社會效益

在“7·29”大洪水中，水庫不僅保護了渭干河下游庫車、新和、沙雅3個縣24萬ha農(nóng)田、塔河油田、70萬人的生命財產(chǎn)安全，而且確保了314國道、南疆鐵路、南疆通訊光纜的暢通。

在抗御2010年渭干河流域重現(xiàn)期百年大洪水中，利用該系統(tǒng)共完成洪水預(yù)報（包括實時修正、假擬降雨預(yù)報）11余次，洪水過程預(yù)報合格率達90%以上，及時生成數(shù)十個調(diào)度方案，優(yōu)化出4個，極大支持了調(diào)度決策，為下游抗洪搶險贏得了寶貴時間，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

4 應(yīng)用中存在的問題

（1）水庫上游流域缺少土壤含水量監(jiān)測點,在洪水預(yù)報中,不能及時準(zhǔn)確得到土壤飽和程度數(shù)據(jù),影響洪水預(yù)報的準(zhǔn)確性。

（2）現(xiàn)有的洪水預(yù)報模型在匯流計算時未采取流域劃分水源（劃分地面水、壤中水和地下水三種水源）的方法；同時未根據(jù)克孜爾水庫的實際情況將汛期劃分為前汛期、主汛期和后汛期幾個階段，在各個階段確定幾條不同的經(jīng)驗單位線推算出流過程，而是采用一條經(jīng)假定、均化、概化的單位線推算流域出流過程，與流域?qū)嶋H情況不完全相符。

（3）克孜爾水庫流域為地形變化較大的山區(qū),降雨、蒸發(fā)等水文要素時空分布差異較大。但模型中雨量站點在易產(chǎn)生降雨的黑孜河、卡拉蘇河上游布置過于稀疏,無法真實反映降雨的空間分布不均勻性。如黑孜河上游黑孜站控制面積為3342 km2,卡拉蘇河上游卡拉蘇站控制面積為1114 km2,權(quán)重控制如此大的雨量站,暴雨發(fā)生時很難真實反映雨量的分布,使預(yù)報產(chǎn)生較大的誤差。

（4）①在率定模型參數(shù)的過程中,融雪計算未利用氣象部門提供的歷年山區(qū)降雪量、降雪范圍、雪線高度、高空零度層等資料對融雪模型參數(shù)實時進行修正。②匯流計算沒有考慮到流域的調(diào)蓄作用,致使計算成果與實測系統(tǒng)產(chǎn)生偏差。③模型未充分考慮退水曲線呈季節(jié)性變化及小洪水與大洪水、孤立洪水與連續(xù)洪水退水規(guī)律不同等因素，模型中采取統(tǒng)一退水曲線，計算得R（透水面積上的產(chǎn)流量）與實際值不相符合。

5 建議

根據(jù)克孜爾水庫的實際情況及多年的洪水預(yù)報經(jīng)驗，做出了符合渭干河流域洪水產(chǎn)生機理及特點的分布式洪水預(yù)報模型,一方面為水庫安全度汛、防洪調(diào)度提供科學(xué)參考，另一方面為汛末水庫蓄水提供參考依據(jù)。為提高洪水預(yù)報精度，建議:

（1）建立卡爾曼濾波模型參數(shù)修正，依據(jù)卡爾曼濾波在水文預(yù)報方面的應(yīng)用成果，利用已建立的各支流水位站出口斷面流量，對各預(yù)報子單元預(yù)報值進行實時修正。

（2）利用GIS空間數(shù)據(jù)處理功能,采用數(shù)字高程模型推求流域平均匯流路徑長度和坡度等特征值，對流域的匯流做更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬和應(yīng)用分析。

（3）在現(xiàn)有雨水情遙測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,在卡拉蘇河、黑孜河上游易產(chǎn)生暴雨洪水的區(qū)域適當(dāng)增設(shè)雨量站,更好地預(yù)報雨量在空間上的不均勻分布。

6 結(jié)語

克孜爾水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)是水利建設(shè)專項基金項目，是該基金項目在我國西北地區(qū)第二批試點水庫建設(shè)項目，系統(tǒng)中的幾項關(guān)鍵技術(shù)均屬開創(chuàng)性研究。該系統(tǒng)從根本上解決了以前克孜爾水庫實時洪水預(yù)報、洪水調(diào)度中存在的靠手工計算、憑經(jīng)驗決策的狀況，增強了克孜爾水庫洪水預(yù)報、洪水調(diào)度決策的實時性和科學(xué)性。同時，克孜爾水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)不僅理論上先進，且有非常好的實用性，研究成果可以推廣應(yīng)用到類似大、中型水庫的防洪調(diào)度決策中，其推廣應(yīng)用前景非常好。■