曾志強(qiáng),湯正陽,曹 輝,舒衛(wèi)民,張海榮
(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心,湖北 宜昌 443002; 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002)
三峽水利樞紐梯級調(diào)度中心(以下簡稱“三峽梯調(diào)”)的主要核心業(yè)務(wù)包括:數(shù)據(jù)收集、氣象預(yù)測、水文預(yù)報(bào)、調(diào)度方案和實(shí)時(shí)調(diào)度[1-3]。針對長江上游流域的水文預(yù)報(bào)是三峽梯調(diào)各核心業(yè)務(wù)中的關(guān)鍵流程,在氣象預(yù)報(bào)和水庫調(diào)度中起到承上啟下的作用[4-6]。高精度的水文預(yù)報(bào)有助于提高水資源利用效率。目前,三峽梯調(diào)已圍繞長江上游流域水文預(yù)報(bào)展開一系列研究[7-9]。鑒于長江上游流域復(fù)雜的水文情勢以及較高的預(yù)報(bào)精度要求,有必要關(guān)注該流域的水文預(yù)報(bào)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,從而科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。
目前,三峽梯調(diào)所采用的水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)過多次升級改造,成為集降雨實(shí)況預(yù)報(bào)展示、短中長期徑流預(yù)報(bào)、水情預(yù)報(bào)會(huì)商和預(yù)報(bào)精度評價(jià)等多功能于一體的自動(dòng)化業(yè)務(wù)平臺,對三峽梯調(diào)水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)起輔助決策作用[10-11]。本文介紹了長江上游流域水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)(以下簡稱“水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)”),選擇2021年汛期的3場典型洪水進(jìn)行反演分析,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的下一步開發(fā)和今后水文預(yù)報(bào)研究工作提出建議。
(1) 流域概況。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬了長江源頭至湖北宜昌段流域的水循環(huán)過程,覆蓋流域面積約100萬km2,干流河段長4 504 km。按水系情況可以將長江上游流域劃分為金沙江、雅礱江、岷沱江、嘉陵江、長江上游干流、橫江、赤水河、綦江、烏江等流域,如圖1(a)所示。
(2) 流域分區(qū)。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中包含一二三級流域分區(qū)(圖1(b)~(d))、流域產(chǎn)匯流分區(qū)(圖1(e))以及流域子單元分區(qū)(圖1(f))等5種流域分區(qū)方法。一二三級分區(qū)分別將流域劃分為12,25個(gè)和51個(gè)區(qū)域,產(chǎn)匯流分區(qū)和流域子單元分區(qū)分別將流域劃分為377個(gè)和1 437個(gè)區(qū)域。上述5種分區(qū)逐步細(xì)化,層層嵌套。一二三級分區(qū)是氣象預(yù)報(bào)分區(qū)流域產(chǎn)匯流分區(qū)是長江上游流域產(chǎn)匯流計(jì)算的基本單元,包括小流域及區(qū)間流域;流域子單元分區(qū)是流域產(chǎn)匯流分區(qū)構(gòu)建的基礎(chǔ),通過合并屬于相同流域的子單元可生成產(chǎn)匯流分區(qū)。
圖1 長江上游流域分區(qū)Fig.1 Zoning of the upper reaches of Yangtze River
(3) 預(yù)報(bào)分區(qū)。長江上游流域包括金沙江、岷沱江、嘉陵江、烏江、向寸(向家壩-寸灘)區(qū)間以及三峽區(qū)間這6個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)域。目前,三峽梯調(diào)已針對這6個(gè)區(qū)域建立了6套預(yù)報(bào)方案,并針對整個(gè)長江上游流域建立了一套水文預(yù)報(bào)方案。上述7套水文預(yù)報(bào)方案包含132個(gè)預(yù)報(bào)點(diǎn)(圖2),其中水庫站33個(gè)。在后期運(yùn)行維護(hù)中,根據(jù)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求,可靈活增減預(yù)報(bào)點(diǎn)。
圖2 長江上游流域報(bào)汛站點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of flood reporting stations in the upper reaches of Yangtze River
(4) 站網(wǎng)建設(shè)。目前,水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中包含自建遙測系統(tǒng)的水雨情數(shù)據(jù)(638個(gè)遙測站)、與各省水文局同步的報(bào)汛水雨情數(shù)據(jù)(372個(gè)報(bào)汛站)、各水庫電站的共享水雨情數(shù)據(jù)(445個(gè)共享站)以及氣象部門的雨情數(shù)據(jù)(4 563個(gè)氣象站)等多套水雨情數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn),對4套站網(wǎng)進(jìn)行融合,建立了如圖3所示的水文氣象一體化站網(wǎng),站網(wǎng)中包含遙測站556個(gè)、氣象站207個(gè)、報(bào)汛站164個(gè)。
圖3 長江上游流域融合站網(wǎng)分布Fig.3 Distribution of forecast stations in the upper reaches of Yangtze River
(5) 預(yù)報(bào)模型。圖4所示為長江上游流域的流域拓?fù)渲貥?gòu)示意圖,由產(chǎn)匯流分區(qū)、河段、測站以及水量交匯點(diǎn)組成,采用經(jīng)典的新安江模型[12]作為降雨徑流模型,選用馬斯京根[13]和一維水動(dòng)力模型[14]進(jìn)行河道徑流演進(jìn),并利用反饋模擬模型和誤差自回歸模型實(shí)時(shí)校正[15]。在主汛期、消落期和蓄水期均采用不同的水文模型參數(shù)方案。模型之間采用單向松散耦合方式進(jìn)行耦合,各區(qū)間各個(gè)流域根據(jù)水系的連接情況依次匯入干流,干流采用了考慮支流入?yún)R的分段馬斯京根方法[16](圖5)。
圖4 流域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of drainage basin topology
(6) 氣象預(yù)報(bào)。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中引入了梯調(diào)中心氣象預(yù)報(bào)部門人工訂正后的分區(qū)氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,用于驅(qū)動(dòng)降雨徑流模型。其中,數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括三峽梯調(diào)中心網(wǎng)格產(chǎn)品、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)、三峽梯調(diào)中心1個(gè)月訂正產(chǎn)品和美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)9個(gè)月產(chǎn)品。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品被直接接入到洪水預(yù)報(bào)方案中,以延長作業(yè)預(yù)報(bào)預(yù)見期。此外,數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果可用于降雨量時(shí)空分析顯示,輔助會(huì)商研判。
(7) 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品接入。梯調(diào)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)見期為7 d,時(shí)間步長為3 h;歐洲預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)見期為10 d,其中,前3 d的時(shí)間步長為3 h,后7 d的時(shí)間步長6 h。與洪水預(yù)報(bào)方案進(jìn)行耦合時(shí),都按洪水預(yù)報(bào)方案的計(jì)算步長進(jìn)行插值,方便數(shù)據(jù)接入。空間尺度上采用流域子單元接入(圖6)、流域產(chǎn)匯流分區(qū)接入和流域降雨交互分區(qū)接入,即根據(jù)氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品的空間步長,動(dòng)態(tài)調(diào)整接入方式,完成洪水預(yù)報(bào)方案和氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品在預(yù)報(bào)區(qū)域上的耦合。
2021年汛期,針對長江上游流域共開展了3次防洪調(diào)度,分別發(fā)生于2021年9月3~6日(1號洪水)、9月13~19日以及10月3~6日。本文選擇這3次防洪調(diào)度所針對的洪水過程進(jìn)行預(yù)報(bào)反演分析,防洪調(diào)度過程的降雨發(fā)展情勢簡述如下。
(1) 第一次防洪調(diào)度。1號洪水對應(yīng)的降雨過程如下:2021年9月3日,嘉陵江、渠江中上游、岷沱江中下游、雅礱江中下游出現(xiàn)大到暴雨,局部大暴雨;9月4日,雨帶緩慢東移南壓,長江上游沿江以北、金沙江中下游沿江以北出現(xiàn)大到暴雨,局部大暴雨;9月5日,隨著新一輪冷空氣加入,橫江、宜賓至重慶、重慶至萬州、渠江出現(xiàn)大到暴雨,局部大暴雨;9月6日,雨帶進(jìn)一步東移南壓并減弱,三峽區(qū)間出現(xiàn)中到大雨,局部暴雨,上游大部分降水停止。此次降雨過程最大日面雨量為23.1 mm,于9月5日出現(xiàn)在寸灘至三峽區(qū)間。受降水影響,三峽入庫流量從9月3日02∶00的27 500 m3/s漲至9月6日20∶00的55 000 m3/s,后逐步退水至28 000 m3/s。
(2) 第二次防洪調(diào)度。2021年9月13~19日所發(fā)生的洪水過程對應(yīng)的降雨過程如下:9月13日,副高增強(qiáng)北抬,同時(shí)受高空槽、中低層切變線影響,沱江、涪江出現(xiàn)大到暴雨;9月14日,岷沱江中下游、涪江出現(xiàn)大到暴雨,局部大暴雨;9月15日,岷沱江、嘉陵江中下游流域出現(xiàn)大到暴雨,局部大暴雨到特大暴雨;9月16日,雨帶東移南壓并減弱,雅礱江中下游、嘉陵江流域、烏江流域、寸灘-三峽區(qū)間出現(xiàn)大到暴雨。此次降雨過程最大日面雨量為31.9 mm,于15日出現(xiàn)在沱江流域。9月17~19日上游流域出現(xiàn)一次較強(qiáng)降水過程,9月17日,嘉陵江流域北部、烏江流域出現(xiàn)中到大雨;9月18日,金沙江下游至長江上游干流一線出現(xiàn)中到大雨,其中,三峽區(qū)間出現(xiàn)大到暴雨;9月19日,三峽-宜昌區(qū)間出現(xiàn)中到大雨。此過程最大日面雨量為30.8 mm,于18日出現(xiàn)在寸灘至三峽區(qū)間。受此次降雨影響,三峽入庫流量從9月16日20∶00的24 500 m3/s起漲,17日22∶00漲至43 800 m3/s,后流量逐步轉(zhuǎn)退。
(3) 第三次防洪調(diào)度。2021年10月3~6日,長江上游北部出現(xiàn)一次強(qiáng)降水過程,具體過程如下:10月3日,沱江出現(xiàn)小雨,嘉陵江出現(xiàn)中到大雨,局部暴雨;10月4日,嘉陵江出現(xiàn)大到暴雨,沱江出現(xiàn)中到大雨;10月5日,嘉陵江出現(xiàn)中雨;10月6日,嘉陵江持續(xù)出現(xiàn)中雨,寸灘-三峽區(qū)間出現(xiàn)中雨。受長江上游流域北部降雨影響,三峽入庫流量從10月5日14∶00的17 000 m3/s起漲,7日14∶00漲至38 000 m3/s,洪峰持續(xù)12 h,后流量逐步轉(zhuǎn)退。
在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入典型洪水過程所對應(yīng)的降雨和水庫調(diào)度過程,并設(shè)置作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)間以及水文參數(shù)方案。由于上述3次洪水過程均發(fā)生在汛期,因此選擇主汛期水文參數(shù)方案作為交互預(yù)報(bào)的模型參數(shù)。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算完成后,可獲取水庫實(shí)測和模擬的水位、入庫流量以及出庫流量等數(shù)據(jù)。本文選擇接入實(shí)況降雨作為水文模型的輸入,降雨和水文預(yù)報(bào)的時(shí)間步長均為1 h。
引入確定系數(shù)來評價(jià)模擬徑流和實(shí)測徑流之間的誤差,確定性系數(shù)的表達(dá)式為
(1) 第一次防洪調(diào)度。為了完整展示一場洪水過程,選擇水文預(yù)報(bào)的起止時(shí)間分別為2021年9月2日12∶00和9月10日10∶00。在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入相應(yīng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)后,水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果見圖7。從整體上來看,實(shí)況降雨驅(qū)動(dòng)下洪水的漲、退水趨勢均與實(shí)況一致。實(shí)況降雨接入下的模擬洪峰為53 900 m3/s,與實(shí)測洪峰(60 100 m3/s)的誤差約為10.3%,峰現(xiàn)時(shí)間誤差約為6 h,峰現(xiàn)相對滯后,預(yù)報(bào)模型有改進(jìn)的空間。模擬入庫徑流和實(shí)況入庫徑流(反推入庫)過程的確定性系數(shù)為0.99,實(shí)況入庫徑流和模擬入庫徑流的擬合度較高。
圖7 三峽水庫預(yù)報(bào)調(diào)度綜合過程示意(第一次防洪調(diào)度)Fig.7 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir (the first flood control dispatch)
(2) 第二次防洪調(diào)度。選擇水文預(yù)報(bào)的起止時(shí)間分別為2021年9月13日08∶00和9月19日08∶00。在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入相應(yīng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果見圖8。從整體上來看,實(shí)況降雨驅(qū)動(dòng)下洪水的漲、退水趨勢均與實(shí)況一致。該場洪水過程包括兩個(gè)洪峰,第一個(gè)洪峰的模擬洪峰值為41 500 m3/s,與實(shí)測洪峰(43 800 m3/s)的誤差約為5.25%,峰現(xiàn)時(shí)間差約為7 h,峰現(xiàn)相對滯后,預(yù)報(bào)模型有改進(jìn)的空間。第二個(gè)洪峰的模擬洪峰值為46 200 m3/s,與實(shí)測洪峰(40 900 m3/s)的誤差約為12.96,洪峰誤差較大,峰現(xiàn)時(shí)間誤差約為2 h,峰現(xiàn)時(shí)間提前,峰現(xiàn)時(shí)間誤差小。模擬入庫徑流和實(shí)況入庫徑流(反推入庫)過程的確定性系數(shù)為0.95,實(shí)況入庫徑流和模擬入庫徑流的擬合度較高。
圖8 三峽水庫預(yù)報(bào)調(diào)度綜合過程示意(第二次防洪調(diào)度)Fig.8 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir(the second flood control dispatch)
(3) 第三次防洪調(diào)度。選擇水文預(yù)報(bào)的起止時(shí)間分別為2021年10月3日08∶00和10月6日08∶00。在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入相應(yīng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)后,水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果見圖9。從整體上來看,實(shí)況降雨驅(qū)動(dòng)下洪水的漲、退水趨勢均與實(shí)況一致。實(shí)況降雨接入下的模擬洪峰為 35 800 m3/s,與實(shí)測洪峰(38 500 m3/s)的誤差約為0.7%,峰現(xiàn)時(shí)間差約為1 h,模擬洪峰提前,預(yù)報(bào)模型精度精準(zhǔn)。模擬入庫徑流和實(shí)況入庫徑流(反推入庫)過程的確定性系數(shù)為0.98,實(shí)況入庫徑流和模擬入庫徑流的擬合度較高。
圖9 三峽水庫預(yù)報(bào)調(diào)度綜合過程示意 (第三次防洪調(diào)度)Fig.9 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of the Three Gorges Reservoir(the third flood control dispatch)
上述3次反演分析中,洪峰誤差最大為11.47%,最小為0.7%,峰現(xiàn)時(shí)間差最大為7 h,最小為1 h,不確定性系數(shù)均在0.9以上。總體而言,在降雨預(yù)報(bào)精度較高時(shí),水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)所預(yù)報(bào)的洪峰和峰現(xiàn)時(shí)間可輔助調(diào)度決策,但仍有改進(jìn)空間;洪水過程的預(yù)報(bào)精度則比較高,可以滿足生產(chǎn)需求。
長江上游流域水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)在三峽梯調(diào)水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中起到關(guān)鍵作用,為水資源高效利用提供了技術(shù)支撐。總體而言,該系統(tǒng)基本滿足目前的生產(chǎn)應(yīng)用需求,流域和預(yù)報(bào)分區(qū)劃分科學(xué),氣象水文站網(wǎng)建設(shè)齊全,用于流域水循環(huán)模擬的數(shù)學(xué)模型選用合理,氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品豐富且精度滿足生產(chǎn)要求,預(yù)報(bào)降雨接入方式科學(xué)且便捷。本文的典型洪水預(yù)報(bào)反演分析表明,水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)表現(xiàn)出了較好的性能和穩(wěn)定性。但是,水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)還存在以下問題。
(1) 目前,水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的水文參數(shù)方案相對固化,僅對主汛期、消落期和蓄水期這3種不同工況在水文參數(shù)上加以區(qū)別,沒有考慮不同降雨情景下水文參數(shù)的差異性。
(2) 水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型比較單一,可多引入一些性能較好的概念性水文模型、分布式水文模型以及水動(dòng)力模型,豐富水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模型庫,形成多模型預(yù)報(bào)方案,為水文預(yù)報(bào)人員提供更多預(yù)報(bào)手段。
(3) 基于物理機(jī)制的分布式水文模型和水動(dòng)力模型的引入,勢必會(huì)降低水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的計(jì)算效率,因此,需引入能提高計(jì)算效率的新技術(shù),在提高水文預(yù)報(bào)精度的同時(shí)保證其計(jì)算效率。
(4) 目前的水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中缺乏自主可控的水文參數(shù)率定模塊,使預(yù)報(bào)人員無法通過優(yōu)化水文參數(shù)的方式來改善預(yù)報(bào)精度,同時(shí)預(yù)報(bào)人員的經(jīng)驗(yàn)尚無法直接反映到水文參數(shù)上。
今后建議考慮針對以上幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),提高水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的適用性、準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。