王世平 王渺林 許全喜 熊金和

(1.長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局, 重慶 400014；2.長江水利委員會(huì)水文局, 湖北 武漢 430010)

水文水資源

三峽入庫站含沙量預(yù)報(bào)方法初探與試預(yù)報(bào)

王世平1王渺林1許全喜2熊金和1

(1.長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局, 重慶 400014；2.長江水利委員會(huì)水文局, 湖北 武漢 430010)

為滿足三峽水庫實(shí)時(shí)調(diào)度和管理需求，針對(duì)較小含沙量的預(yù)報(bào)，初步建立了以上下游站含沙量關(guān)系模型為基礎(chǔ)、結(jié)合短期水雨情預(yù)報(bào)的三峽入庫站含沙量預(yù)報(bào)體系和方法；提出了含沙量預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)；介紹了2012年汛期泥沙試預(yù)報(bào)情況和預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，含沙量預(yù)報(bào)與實(shí)際值較貼近，說明建立的預(yù)報(bào)體系和方法具有較好的可行性和時(shí)效性，預(yù)報(bào)精度滿足三峽水庫泥沙調(diào)度要求。

水庫泥沙;水文預(yù)報(bào)；預(yù)報(bào)體系；入庫含沙量；模型研究；三峽水利樞紐

1 概 述

水庫泥沙淤積是三峽水庫科學(xué)調(diào)度所面臨的關(guān)鍵問題之一。

目前，三峽水庫實(shí)時(shí)調(diào)度和管理所依據(jù)的水文氣象信息多以水情預(yù)報(bào)成果為主，缺乏相應(yīng)的泥沙預(yù)報(bào)成果。開展三峽入庫泥沙預(yù)報(bào)技術(shù)研究工作，不僅可及時(shí)掌握了解三峽水庫不同預(yù)見期內(nèi)來沙量信息，而且可填補(bǔ)少沙河流上大型水庫泥沙預(yù)報(bào)的空白，對(duì)于推動(dòng)我國泥沙學(xué)科發(fā)展和水電工程泥沙問題研究均具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

近年來，含沙量預(yù)報(bào)研究主要針對(duì)黃河流域，采用的預(yù)報(bào)方法包括輸沙單位線法、響應(yīng)函數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水力學(xué)法等[1,2]。如針對(duì)黃河中游吳堡-龍門區(qū)間泥沙量過程的特點(diǎn)，基于統(tǒng)計(jì)模型方法，建立了多輸入、單輸出的龍門站含沙量過程預(yù)報(bào)方案；針對(duì)黃河中游龍門-潼關(guān)河段, 建立了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的潼關(guān)站含沙量過程預(yù)報(bào)模型，且為提高預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)精度，利用誤差序列建立了相應(yīng)的誤差自回歸模型對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行校正。對(duì)三峽泥沙預(yù)報(bào)主要針對(duì)三峽庫區(qū)，建立了基于一維水沙模型的三峽庫區(qū)泥沙預(yù)報(bào)方法和作業(yè)預(yù)報(bào)方案[5,6]。

就入庫含沙量預(yù)報(bào)而言，國內(nèi)一些專家學(xué)者針對(duì)黃河小浪底水庫嘗試進(jìn)行了洪峰含沙量大小(沙峰含沙量大多在200 kg/m3以上)及峰現(xiàn)時(shí)間的預(yù)報(bào)工作，獲得了一定的研究成果和工作經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于長江上游特別是三峽入庫主要控制站-小含沙量(沙峰含沙量大多在3 kg/m3以下)的泥沙實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)尚屬空白。

為滿足三峽水庫實(shí)時(shí)調(diào)度和管理需求，本文提出了以上下游站含沙量關(guān)系模型為基礎(chǔ)，結(jié)合短期水雨情預(yù)報(bào)的三峽入庫站含沙量預(yù)報(bào)體系和方法，并介紹了2012年汛期泥沙試預(yù)報(bào)及其精度評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 預(yù)報(bào)體系

三峽水庫入庫沙量的主要控制站有朱沱、北碚、寸灘和武隆站。根據(jù)長江上游流域特性和水情預(yù)報(bào)分區(qū)狀況，為了滿足泥沙預(yù)報(bào)需要，將以下幾個(gè)預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)作為基本預(yù)報(bào)控制站，即金沙江的向家壩站；岷江的高場站；嘉陵江的小河壩、武勝、羅渡溪、北碚站；烏江的武隆站；長江上游干流的朱沱、寸灘和清溪場站。預(yù)報(bào)體系和流程圖見圖1。

2.1 泥沙報(bào)汛方法

傳統(tǒng)的懸移質(zhì)含沙量測量方法具有耗時(shí)、耗人力及物力的特點(diǎn)，需經(jīng)過取樣、沉淀、烘干稱重等環(huán)節(jié)，一般需5～7 d才能獲取含沙量資料，且資料的時(shí)效性不能滿足三峽水庫入庫泥沙預(yù)報(bào)的要求，因而需要尋求新的方法。

20世紀(jì)80年代以來，隨著科技的不斷進(jìn)步，各種現(xiàn)場物理快速測沙方法不斷涌現(xiàn)，為泥沙實(shí)時(shí)監(jiān)測開辟了新的途徑，這些方法主要有同位素測沙儀、振動(dòng)式測沙儀、光電測沙儀及超聲波測沙儀等。其中光電測沙儀是利用光的穿透能力、后向反射衍射原理，并將其轉(zhuǎn)化為光電流，通過建立光電流與含沙量之間的關(guān)系來測量水體中的含沙量。

常用的一些快速測量含沙量的儀器主要有：基于激光衍射的現(xiàn)場測沙儀(LISST-100X)及基于比濁法的濁度計(jì)等。但是這些儀器均不能直接測量含沙量，而是利用其施測的物理量(LISST-100X為激光能量、濁度計(jì)為濁度)與含沙量建立相關(guān)關(guān)系的方法，從而來間接推求含沙量。

現(xiàn)場測沙儀(LISST-100X)在泥沙顆粒較細(xì)的情況下，由于激光光束難以穿透水體中的泥沙小顆粒，而導(dǎo)致測量失效。濁度儀(HACH 2100)測沙即通過接收紅外輻射光的散射量監(jiān)測懸浮物質(zhì)，然后通過相關(guān)分析，建立水體濁度與泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行濁度與泥沙濃度的轉(zhuǎn)化，得到泥沙含量。濁度儀測沙操作簡單，能夠快速、實(shí)時(shí)、連續(xù)測量。

2010年以來，長江水利委員會(huì)(以下簡稱長江委)水文局在朱沱、寸灘、清溪場、北碚、武隆、黃陵廟、宜昌等三峽水庫進(jìn)出庫主要控制站,重點(diǎn)開展了2 000余次懸移質(zhì)泥沙濁度儀比測試驗(yàn)，以及泥沙實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究工作，通過不斷摸索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，建立了各站含沙量與濁度的非線性回歸模型。

2011年5月，開始進(jìn)行三峽水庫主要控制站點(diǎn)的泥沙實(shí)時(shí)報(bào)汛工作。2012年5月起，在上述各個(gè)站點(diǎn),利用濁度儀(HACH 2100)開展泥沙實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)汛工作。

2.2 泥沙預(yù)報(bào)體系和方法

查閱和研究前人有關(guān)研究成果，建立便于操作的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使之適應(yīng)預(yù)報(bào)作業(yè)中有限信息的實(shí)際情況來預(yù)報(bào)含沙量。下游站點(diǎn)的含沙量主要受上游干支流來水來沙的影響，因此，可以采用上游站含沙量、流量等參數(shù)，用水文學(xué)方法建立經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系。

本文研究的技術(shù)路線為：

(1) 收集相關(guān)水文資料，包括流量、含沙量、級(jí)配資料等。

(2) 對(duì)所收集的資料進(jìn)行分析，包括洪水流量、含沙量大小、傳播時(shí)間。

(3) 采用水文學(xué)方法建立含沙量預(yù)報(bào)模型，從可操作性、預(yù)報(bào)資料的要求和預(yù)報(bào)效果等方面選定模型。

根據(jù)泥沙報(bào)汛站監(jiān)測信息開展泥沙預(yù)報(bào)，不同站點(diǎn)的預(yù)報(bào)方法如下。

(1) 上游邊界站(向家壩、高場、武勝、羅渡溪、小河壩站)。利用未來48～72 h的流量預(yù)報(bào)成果，采用根據(jù)資料擬合的流量-含沙量相關(guān)關(guān)系查算,以得到未來含沙量預(yù)報(bào)。

(2) 北碚站。采用武勝、羅渡溪、小河壩至北碚站上下游含沙量關(guān)系模型，考慮傳播時(shí)間推求北碚站含沙量。當(dāng)草街電站調(diào)度運(yùn)行時(shí)，根據(jù)草街電站調(diào)度排沙計(jì)劃分析北碚站含沙量。

(3) 朱沱站。采用向家壩、高場至朱沱站上下游含沙量關(guān)系模型，考慮傳播時(shí)間推求朱沱站含沙量。

(4) 寸灘站。采用朱沱、北碚至寸灘站上下游含沙量關(guān)系模型，考慮傳播時(shí)間推求寸灘站含沙量。

(5) 武隆站。根據(jù)上游電站調(diào)度排沙計(jì)劃或結(jié)合流量-含沙量相關(guān)關(guān)系，推算武隆站含沙量。

(6) 清溪場站。采用寸灘、武隆至清溪場站上下游含沙量關(guān)系模型，考慮傳播時(shí)間推求清溪場站含沙量。

3 上下游站含沙量關(guān)系模型

根據(jù)泥沙預(yù)報(bào)體系，需要建立向家壩、高場至朱沱；武勝、羅渡溪、小河壩至北碚；朱沱、北碚至寸灘以及寸灘、武隆至清溪場站共4個(gè)區(qū)間的上下游含沙量關(guān)系。合成含沙量計(jì)算公式如下：

(1)

按流量傳播時(shí)間計(jì)算合成含沙量。以朱沱、北碚至寸灘區(qū)間為例，多年的洪水預(yù)報(bào)實(shí)踐證明，該河段的洪水傳播時(shí)間比較穩(wěn)定。朱沱至寸灘相距150km，洪水傳播時(shí)間為14h左右；北碚至寸灘河長為67km，洪水傳播時(shí)間為6h左右。朱沱、北碚至寸灘區(qū)間上游合成含沙量計(jì)算公式為

(2)

利用2000年以來徑流、泥沙資料，建立上下游站含沙量關(guān)系。以朱沱、北碚至寸灘區(qū)間為例，按照長江干流朱沱站、嘉陵江北碚站不同來水情況分別建立上下游站含沙量關(guān)系。

(1) 長江干流、嘉陵江均漲水情形。共選取203次漲水過程，經(jīng)分析得出，合成沙峰傳播時(shí)間為6～12h。朱沱、北碚至寸灘含沙量關(guān)系分析見圖2(a)，寸灘站含沙量計(jì)算公式為

ρ寸灘=0.843 4ρ上游合成+0.133 3，

相關(guān)系數(shù)R2=0.87

(3)

(2) 僅長江干流漲水情形。共選取92次漲水過程，經(jīng)分析得出，合成沙峰傳播時(shí)間為6～12h。朱沱、北碚至寸灘站含沙量關(guān)系分析見圖2(b)，寸灘站含沙量計(jì)算公式為

ρ寸灘=0.899ρ上游合成+0.0305，

相關(guān)系數(shù)R2=0.89

(4)

4 泥沙試預(yù)報(bào)

4.1 泥沙預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

應(yīng)從2個(gè)方面檢驗(yàn)預(yù)報(bào)模型，即模型是否可用以及預(yù)報(bào)結(jié)果的精度。通常,以預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際發(fā)生結(jié)果的相似程度作為預(yù)報(bào)精度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由于含沙量變化的不確定性因子多于洪水的不確定性因子，目前尚缺乏評(píng)價(jià)含沙量預(yù)報(bào)模型性能的合理標(biāo)準(zhǔn)。

參照GB/T22482—2008中關(guān)于洪峰流量預(yù)報(bào)許可誤差20%的要求，本次研究確定含沙量預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)為：含沙量過程預(yù)報(bào)許可誤差按實(shí)測含沙量的30%，預(yù)報(bào)誤差小于許可誤差為合格，反之為不合格。沙峰、次洪輸沙量預(yù)報(bào)也按照實(shí)測沙峰的30%作為許可誤差。

4.2 泥沙試預(yù)報(bào)結(jié)果

利用實(shí)時(shí)監(jiān)測滾動(dòng)資料、水雨情預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合水庫調(diào)度方案，在2012年汛期采用上述建立的三峽入庫泥沙預(yù)報(bào)方法進(jìn)行泥沙試預(yù)報(bào)工作，并采用泥沙預(yù)報(bào)精度標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)試預(yù)報(bào)成果。

2012年7～9月共完成36期三峽水庫入庫泥沙預(yù)報(bào)。寸灘站24h過程預(yù)報(bào)平均相對(duì)誤差為24%，預(yù)報(bào)合格率為78%。寸灘站2012年含沙量預(yù)報(bào)對(duì)比見圖3，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測值基本相符。

2012年7～9月庫區(qū)沙峰主要集中于7月和9月，8月份無較大沙峰出現(xiàn)，其中9月份由于上游地區(qū)普降暴雨及二灘水電站下閘放水，寸灘站最大含沙量達(dá)到6.06kg/m3(9月5日)。對(duì)寸灘站預(yù)報(bào)的沙峰峰值和峰現(xiàn)時(shí)間與實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表1。寸灘站平均預(yù)報(bào)誤差比為21%，最大誤差比為53%(7月18日預(yù)報(bào))，平均峰現(xiàn)時(shí)間誤差為12h，最大峰現(xiàn)時(shí)間差為20h。整體沙峰預(yù)報(bào)合格率為75%。

2012年寸灘站預(yù)報(bào)輸沙總量與實(shí)測值(濁度儀報(bào)汛數(shù)據(jù))對(duì)比見表2。2012年寸灘站輸沙總量誤差比平均為15%，最大預(yù)報(bào)誤差比為36%(7月17～19日輸沙總量預(yù)報(bào))。整體預(yù)報(bào)合格率為83%。

5 結(jié) 論

考慮到可操作性、預(yù)報(bào)資料的要求和預(yù)報(bào)效果，建立了三峽入庫站含沙量預(yù)報(bào)體系和方法，并介紹了泥沙試預(yù)報(bào)情況。該體系的建立，使入庫泥沙預(yù)報(bào)也能像流量預(yù)報(bào)一樣具有很強(qiáng)的針對(duì)性和時(shí)效性，可運(yùn)用于三峽入庫泥沙預(yù)測，對(duì)指導(dǎo)水庫泥沙實(shí)時(shí)調(diào)度具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

(1) 結(jié)合現(xiàn)有泥沙報(bào)汛站點(diǎn)狀況，提出了三峽入庫泥沙預(yù)報(bào)方法和體系。

(2) 利用2000年以來徑流、泥沙資料，建立上下游站含沙量關(guān)系模型，實(shí)踐證明，模型具有較高的精度。

(3) 提出含沙量預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，含沙量過程、沙峰、次洪輸沙量預(yù)報(bào)按照實(shí)測值的30%作為許可誤差。

(4) 2012年汛期泥沙試預(yù)報(bào)結(jié)果表明：預(yù)報(bào)方法可操作性強(qiáng)，預(yù)報(bào)與實(shí)際值較貼近，輸沙量的預(yù)報(bào)合格率為83%；預(yù)報(bào)精度滿足三峽水庫泥沙調(diào)度要求。

(5) 研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)較小含沙量的預(yù)報(bào)，構(gòu)建了以上下游站含沙量關(guān)系模型為基礎(chǔ)，結(jié)合短期水雨情預(yù)報(bào)的三峽入庫含沙量預(yù)報(bào)體系和方法。

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2015-01-20

三峽水庫科學(xué)調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究2012年課題五“三峽入、出庫泥沙預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)研究”(2012020007);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)課題一“長江中游通江湖泊江湖關(guān)系演變過程與機(jī)制”(2012CB417001)

王世平，男，長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局，高級(jí)工程師.

1006-0081(2015)05-0011-04

P332.5

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