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        東北區(qū)域大洪水預(yù)測研究與思考

        2015-11-01 10:06:54金朝輝李文龍李秀斌
        東北水利水電 2015年12期
        關(guān)鍵詞:干流東北地區(qū)洪水

        金朝輝,李文龍,李秀斌

        (1.水利部松遼水利委員會(huì),吉林長春130021;2.新源控股公司豐滿發(fā)電廠,吉林省吉林市 132108;3.新源控股公司白山發(fā)電廠,吉林 樺甸 132400)

        東北區(qū)域大洪水預(yù)測研究與思考

        金朝輝1,李文龍2,李秀斌3

        (1.水利部松遼水利委員會(huì),吉林長春130021;2.新源控股公司豐滿發(fā)電廠,吉林省吉林市 132108;3.新源控股公司白山發(fā)電廠,吉林 樺甸 132400)

        東北地區(qū)是全國主要的洪澇災(zāi)害發(fā)生區(qū),洪澇災(zāi)害頻繁。文中對(duì)東北地區(qū)1856年以來成災(zāi)特大洪水,基于可公度預(yù)報(bào)方法,做出2013年東北區(qū)域性大洪水預(yù)報(bào),有效應(yīng)用在2013年東北電網(wǎng)水庫調(diào)度實(shí)踐中,發(fā)電量創(chuàng)歷史記錄,科學(xué)調(diào)度白山、豐滿等骨干水利工程,為減輕干流洪水壓力創(chuàng)造了巨大的防洪減災(zāi)效益。

        洪災(zāi)預(yù)報(bào);2013年;大洪水;東北區(qū)域

        1 概述

        東北地區(qū)尤其是松遼流域洪澇災(zāi)害頻繁,是全國主要的洪澇災(zāi)害發(fā)生區(qū)之一。根據(jù)歷史大洪水記載,自1856年以來成災(zāi)特大洪水已有15次,均造成重大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。目前,東北地區(qū)大江大河上建設(shè)了堤防為主,水庫調(diào)蓄,蓄滯洪區(qū)分洪的基本防洪工程體系,采取有效的非工程措施,對(duì)充分發(fā)揮防洪工程作用具有重要意義。洪水預(yù)報(bào)工作對(duì)科學(xué)調(diào)度水庫工程,利用水庫調(diào)蓄作用減輕江河洪水壓力具有重要的作用。

        如何準(zhǔn)確預(yù)測大洪水,是一項(xiàng)艱苦的探索研究工作。利用可公度預(yù)測理論,經(jīng)過不斷地探索與研究,得出東北電網(wǎng)水庫流域大洪水、特豐水年具有顯著的有序性、可公度性,大洪水在發(fā)生時(shí)間上具有網(wǎng)絡(luò)特性;2012年研究得出,東北地區(qū)水庫流域來水2010—2020年洪水進(jìn)入相似于20世紀(jì)50—60年代的多發(fā)期,2013年東北地區(qū)可能會(huì)發(fā)生類似1960年、1953年、2010年大洪水等結(jié)論。

        2 關(guān)于2013年大洪水特豐水預(yù)報(bào)

        2.1可公度性預(yù)測理論

        可公度性預(yù)測理論認(rèn)為:可公度性并不是偶然的,它是自然界的一種秩序,因而是一種信息系??晒刃圆粌H存在于天體運(yùn)動(dòng)中,也存在于地球上的自然現(xiàn)象中。使用可公度性進(jìn)行預(yù)測,原因在于可公度性反映了自然界中特殊事件的發(fā)生規(guī)律,從特殊事件系列的可公度性中抽取并非偶然的信號(hào),進(jìn)行預(yù)測。

        可公度預(yù)測模型來預(yù)測特殊事件的發(fā)生時(shí)間,其中適合外推預(yù)測的模型有:

        三元可公度預(yù)測模型:N=A+(B-C);

        五元可公度預(yù)測模型:N=A+(B-D)+(C-E);

        七元可公度預(yù)測模型:N=A+(B-E)+(C-F)+(D-G)。

        公式中A,B,C,D,E,F(xiàn),G為已發(fā)生特殊事件的時(shí)間,N為預(yù)測未來發(fā)生的時(shí)間。

        2.2點(diǎn)面結(jié)合洪災(zāi)預(yù)報(bào)技術(shù)

        基于可公度性預(yù)測的思想,選取各水庫的大洪水樣本,對(duì)樣本系列年份進(jìn)行差值計(jì)算,得出間隔年份及頻次,取間隔頻次3以上的年間隔做可公度元,對(duì)可公度元做篩選計(jì)算,求出獨(dú)立可公度元。應(yīng)用獨(dú)立可公度元和歷史大洪水年份進(jìn)行預(yù)測外推計(jì)算。

        點(diǎn)預(yù)報(bào)是根據(jù)流域內(nèi)一個(gè)水文站的資料來進(jìn)行的預(yù)報(bào),面預(yù)報(bào)則是根據(jù)一個(gè)流域(包括了點(diǎn)預(yù)報(bào)所在的水文站)的資料來進(jìn)行的預(yù)報(bào)。2種預(yù)報(bào)方法相互配合,從一個(gè)流域到具體水文站,相互論證預(yù)報(bào)的合理性,從時(shí)間、空間、量級(jí)三要素上,實(shí)現(xiàn)完整的“臨洪預(yù)報(bào)”。

        2.3東北區(qū)域面預(yù)報(bào)

        以《中國歷史大洪水》(1988)記載的12次與其后發(fā)生的1995年、1998年、2010年共15次東北地區(qū)特大洪災(zāi)為研究對(duì)象,用可公度預(yù)報(bào)程序,采用三元可公度、五元可公度預(yù)測模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1。經(jīng)三元、五元、七元可公度計(jì)算,相互驗(yàn)證,2013年7月三元排第一位、五元排第一位、七元排第二位,且2013年累計(jì)等式排前兩位。綜合結(jié)論2013年東北地區(qū)會(huì)發(fā)生大洪水,樣本指向1957,1960,1985年。

        表1 東北地區(qū)成災(zāi)洪水可公度計(jì)算成果表

        2.4特豐水年點(diǎn)預(yù)報(bào)

        采用第二松花江流域白山水庫、豐滿水庫,鴨綠江流域云峰水庫、水豐水庫、桓仁水庫,牡丹江流域的鏡泊湖水庫等年來水記錄,預(yù)測2013年東北地區(qū)來水特豐。計(jì)算結(jié)果見表2。

        根據(jù)預(yù)測,2013年東北地區(qū)鴨綠江流域、第二松花江流域、牡丹江流域水庫年來水特豐,豐水在4成以上。

        2.5大洪水年點(diǎn)預(yù)報(bào)

        采用第二松花江流域白山水庫、豐滿水庫,鴨綠江流域云峰水庫,牡丹江的鏡泊湖水庫的洪峰系列資料,預(yù)測2013年東北地區(qū)大洪水。計(jì)算結(jié)果見表3。

        根據(jù)預(yù)測,2013年東北地區(qū)鴨綠江流域、第二松花江流域、牡丹江流域水庫汛期有區(qū)域性大洪水。

        表2 東北地區(qū)主要水庫特豐水三元可公度計(jì)算成果表

        表3 東北地區(qū)主要水庫五元可公度計(jì)算成果表

        2.62013年東北區(qū)域性大洪水預(yù)測佐證

        根據(jù)天文研究成果,木星繞太陽一周12年,土星繞太陽一周是30年,兩者最小公倍數(shù)是60年;水星是每隔59年回到原方位,60年基本上土、木、水三星的會(huì)合周期;同時(shí),地球自轉(zhuǎn)周期60年,與土、木、水三星的會(huì)合周期同步,而這種同步有可能造成旱澇、地震等自然災(zāi)害。依據(jù)這種思想,1953年大洪水后推60年,對(duì)應(yīng)2013年大洪水;這種推理,進(jìn)一步提高了可公度預(yù)測結(jié)論2013年東北地區(qū)發(fā)生特大洪災(zāi)的可信度。

        3 預(yù)報(bào)驗(yàn)證

        3.1東北區(qū)域性大洪水驗(yàn)證

        2013年汛期,東北地區(qū)多條主要江河發(fā)生了大洪水或特大洪水。黑龍江干流呼瑪站以下段、嫩江干流、松花江干流、遼河干流發(fā)生全線超警洪水,其中,黑龍江干流同江至撫遠(yuǎn)段發(fā)生超100年一遇特大洪水;嫩江干流尼爾基水庫以上、渾河上游發(fā)生超50年一遇特大洪水;第二松花江上游發(fā)生60年一遇特大洪水;黑龍江干流上馬廠至同江段、嫩江干流尼爾基水庫以下、松花江干流發(fā)生10至20年中等洪水。松遼流域共有58條河流、116處測站,其中有44處干流站和14處一級(jí)支流把口站)發(fā)生超警戒以上洪水,20條河流發(fā)生超歷史洪水,其中額爾古納河2條、黑龍江3條、嫩江2條、第二松花江2條、松花江干流6條、烏蘇里江2條、遼河干流2條、渾太河1條。

        3.2豐滿水庫洪水預(yù)測驗(yàn)證

        豐滿水庫2013年春汛來水突破歷史,夏汛來水特豐,夏汛先后遭遇6年一遇中小洪水、70年一遇特大洪水,2次均達(dá)到泄洪標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2.1水庫來水特豐驗(yàn)證

        2013年1—10月,水庫來水226.9億m3,為多年同期來水量120.8億m3的188%。2013年1—5月春汛,豐滿水庫來水達(dá)73.5億m3,為多年同期入庫水量37.0億m3的198%,在歷史資料中排第1位。2013年6—9月夏汛,豐滿水庫來水達(dá)147.5億m3,為多年同期入庫水量78.6億m3的188%,來水特豐。

        3.2.2特大洪水驗(yàn)證

        8月14—17日,豐滿流域又遭遇了罕見的強(qiáng)降雨襲擊,流域降雨152mm,單站(露水河站)最大降雨量358mm,局地達(dá)到特大暴雨,最大12h洪峰為17300m3/s,達(dá)到70年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。按照洪水頻率50年一遇及以上為特大洪水評(píng)定,2013年為特大洪水年。

        3.2.3樣本指向驗(yàn)證

        從樣本指向看,以豐滿水庫為例,2013年來水、洪水,與1960年綜合特征最為接近,在年發(fā)電量特征上最接近;在特豐水特征上,與2010年最為接近;在大洪水特征上,與1953年最為接近。

        1)年來水1960,2010,2013年均為特豐水年。全年來水量2010,2013,1960年分別為239,235,198.9 m3;為多年平均年入庫水量127.1m3的188%,185%,156%;為1933年以來第1,2,7位。

        2)大洪水量級(jí)相近。2010,1953,2013,1960年豐滿流域(還原白山水庫)12h入庫流量分別為20600,17700,17300,15600m3/s,為1856年以來第1,3,4,7位洪水。

        3)大洪水發(fā)生時(shí)間2013年與1960年相近,均為后汛期。一般豐滿水庫大洪水發(fā)生在7月下旬、8月上旬,所以汛期分期以8月15日為界。8月16—8月31日,為汛期過渡期,汛限水位提高。1960年大洪水發(fā)生在8月24日,2013年發(fā)生在8月17日,大洪水發(fā)生在8月15日后,是典型的20世紀(jì)50—60年代特征。

        4)年發(fā)電量2013年與1960年相近,為豐滿發(fā)電廠有記錄前2位。1960年全年發(fā)電量為27.5億kW·h,為多年平均發(fā)電量16.1億kW·h的171%。2013年預(yù)計(jì)全年發(fā)電35億kW·h,為多年平均發(fā)電量16.1億kW·h的217%,超原歷史記錄1960年7.5億kW·h。

        5)大洪水3d洪量2013年與1953年基本一致。1953年、2013年豐滿流域(還原白山水庫)最大3 d洪量分別為28.8億、28.45億m3,為1856年以來第3位和第4位。

        4 預(yù)測應(yīng)用效益

        在可公度預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上,基于信息預(yù)報(bào)的核心理念,從特殊事件系列的可公度性中抽取并非偶然的信號(hào),這些并非偶然的信號(hào)無論從時(shí)間、地點(diǎn)、量級(jí)上都透漏出預(yù)報(bào)信息,提出點(diǎn)面結(jié)合洪災(zāi)預(yù)報(bào)技術(shù),對(duì)特大洪水、特豐水年的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、量級(jí)三要素進(jìn)行預(yù)報(bào)。成功預(yù)報(bào)2010年長江流域中上游大洪水、2013年東北區(qū)域性特大洪水。預(yù)報(bào)成果應(yīng)用于東北電網(wǎng)2013年發(fā)電調(diào)度中,1月即開展調(diào)度預(yù)控,加大發(fā)電,消落水位,騰出庫容,迎接洪水,在創(chuàng)造新的電網(wǎng)發(fā)電記錄的同時(shí),充分發(fā)揮了水庫工程的錯(cuò)峰、調(diào)蓄洪水作用,將災(zāi)害損失降低到最低程度,為減輕松花江干流洪水壓力創(chuàng)造了巨大的防洪減災(zāi)效益??茖W(xué)有效地利用了洪水資源,實(shí)現(xiàn)防洪、發(fā)電、興利、減災(zāi)大豐收。

        5 結(jié)語

        目前,可公度性理論論體系已應(yīng)用于很多預(yù)測領(lǐng)域,有些行業(yè)編制了程序化的可公度性預(yù)測工具。然而洪水是一種自然現(xiàn)象,大氣環(huán)流、海洋潮汐、各種地球物理因子和下墊面產(chǎn)流匯流條件,對(duì)洪水形成及演變都可發(fā)生影響,情況十分復(fù)雜。大洪水預(yù)測預(yù)報(bào)具有很多不確定性,目前還屬于探索與研究領(lǐng)域。

        [1]翁文波,呂牛頓,張清.預(yù)測學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1996.

        [2]水利電力部.中國歷史大洪水[M].北京:中國書店,1988.

        [3]李文龍,李秀斌.基于可公度預(yù)測方法的洪災(zāi)預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)用化研究-災(zāi)害預(yù)測方法集成[M].北京:氣象出版社,2010.

        [4]李文龍,等.基于可公度預(yù)測方法的東北地區(qū)特大洪災(zāi)預(yù)報(bào)-水文科技探索與應(yīng)用[M].長春:吉林大學(xué)出版社,2010.

        [5]李文龍,等.關(guān)于2010年長江大洪水的預(yù)測-水文科技探索與應(yīng)用[M].長春:吉林大學(xué)出版社,2010.

        [6]李文龍,李秀斌.關(guān)于2013年遼河、第二松花江特大洪水的預(yù)測[J].水電廠自動(dòng)化,2012(04).

        P338+.6

        B

        1002-0624(2015)12-0038-04

        2015-09-08

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