田兆偉,劉金鳳,張 煒,宋利祥,解河海

(1.廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003;2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣州 510610)

1 概述

西枝江流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，上游為廣東三大山脈之一的蓮花山脈。由于特殊地形地貌及氣候特點(diǎn)，西枝江歷來(lái)是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。2013年8月，流域暴雨中心高潭站最大24 h降雨達(dá)到906.0 mm；僅僅時(shí)隔5 a，2018年8月，流域暴雨中心高潭站最大24 h降雨達(dá)到1 056.7 mm，不僅打破2013年8月最大暴雨記錄，更是刷新了廣東省有氣象記錄以來(lái)最大24 h降雨的記錄，暴雨洪水嚴(yán)重威脅兩岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果往往只是某個(gè)水文站點(diǎn)某個(gè)時(shí)刻的水位、流量值，也未能與流域水工程調(diào)度有機(jī)結(jié)合，不能較好地將整條河流的洪水演進(jìn)及淹沒(méi)過(guò)程快速、直觀、形象、動(dòng)態(tài)的展示出來(lái)，防汛決策技術(shù)支持有明顯短板，一套集洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)于一體的西枝江流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)亟需建設(shè)。

2 西枝江流域概況

西枝江是東江第二大支流，發(fā)源于惠東縣寶口鎮(zhèn)左坑村，流經(jīng)惠東縣、惠陽(yáng)和惠城區(qū)，在惠城區(qū)東新橋匯入東江。流域面積為4 120 km2，河長(zhǎng)為179 km，流域內(nèi)大于100 km2以上的支流有10條，有寶溪水、安墩水、白花河、淡水河等。流域上游建有1座大型水庫(kù)——白盆珠水庫(kù)，總庫(kù)容為12.2億m3，控制集水面積為856 km2，占整個(gè)流域的20.7%，是西枝江流域的控制性水利工程。流域中游平山縣城下游附近建有西枝江水利樞紐，為徑流式電站，正常運(yùn)行水位為16.5 m。西枝江流域目前有26個(gè)雨量站，10個(gè)水文(位)站。西枝江流域河流水系、主要水利工程、水文站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1所示。

圖1 西枝江流域水系測(cè)站分布示意

3 技術(shù)路線

首先，利用流域DEM、防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)1∶10 000地形圖及1∶2 000河道地形圖等提取流域河流水系、劃分分布式預(yù)報(bào)模型網(wǎng)格、防洪保護(hù)區(qū)二維水動(dòng)力模型計(jì)算網(wǎng)格、一維水動(dòng)力模型河道剖面等，構(gòu)建數(shù)字西枝江。其次，接入實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)和QPF降雨數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水文氣象數(shù)據(jù)耦合輸入[1-2]。然后，構(gòu)建了基于新安江、TOPMODLE和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種計(jì)算方法的洪水預(yù)報(bào)模塊，各模型計(jì)算結(jié)果經(jīng)交互確認(rèn)后，作為水庫(kù)調(diào)度模型和河道演進(jìn)模型輸入。水庫(kù)調(diào)度根據(jù)“13.8”和“18.8”調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，分為規(guī)則調(diào)度、水位控制調(diào)度和下泄流量控制調(diào)度3種方式，經(jīng)統(tǒng)籌上、下游和水庫(kù)自身三方安全后，確定水庫(kù)出庫(kù)調(diào)度方案，并作為河道演進(jìn)的上邊界。河道演進(jìn)以水庫(kù)出庫(kù)、支流洪水預(yù)報(bào)及東江干流嶺下、博羅站為邊界，構(gòu)建了白盆珠水庫(kù)壩下～西枝江口的一維水動(dòng)力模型；兩岸100年一遇洪水位加5 m裕度劃分保護(hù)區(qū)內(nèi)的二維水動(dòng)力模型網(wǎng)格，一維、二維模型通過(guò)耦合邊界的水力連接條件來(lái)實(shí)現(xiàn)模型聯(lián)解，二維模型還采用了GPU并行高速計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)淹沒(méi)的快速實(shí)時(shí)模擬。最后，結(jié)合無(wú)人機(jī)實(shí)景三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域的淹沒(méi)模擬可視化。預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)一體化技術(shù)路線示意見(jiàn)圖2，西枝江流域模型構(gòu)建主要節(jié)點(diǎn)示意見(jiàn)圖3。

圖2 西枝江流域預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)一體化技術(shù)路線示意

圖3 西枝江流域預(yù)報(bào)調(diào)度演進(jìn)建模節(jié)點(diǎn)示意

4 洪水預(yù)報(bào)

洪水預(yù)報(bào)模塊引入概率預(yù)報(bào)理念，除實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，還接入了歐洲中心、日本、廣東省氣象局等多個(gè)氣象數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)輸入、水文氣象數(shù)據(jù)有機(jī)耦合；構(gòu)建了新安江、TOPMODLE、基于地形指數(shù)的分布式、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能等多個(gè)模型庫(kù)和方案庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了多模型、多方案的計(jì)算模擬[3-4]。專家交互模塊則可供專家根據(jù)洪水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各模型優(yōu)缺點(diǎn)和適用性、歷史相似洪水特點(diǎn)及專家經(jīng)驗(yàn)等對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行交互修正和驗(yàn)證，并給出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。流域內(nèi)九洲水文站、白盆珠水庫(kù)水文站有多年歷史資料，可用于模型參數(shù)的率定，白花河、樓下水等支流無(wú)水文觀測(cè)站，區(qū)間來(lái)水預(yù)報(bào)模型采用九洲站參數(shù)移植方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)率定，九洲、白盆珠水庫(kù)新安江和TOPMODLE模型預(yù)報(bào)方案基本可以達(dá)到乙級(jí)精度，可用于洪水作業(yè)預(yù)報(bào)，分布式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方案達(dá)到丙級(jí)，可用于參考預(yù)報(bào)。九洲、白盆珠水庫(kù)新安江和TOPMODLE方案率定見(jiàn)表1所示。

表1 九洲、白盆珠水庫(kù)站預(yù)報(bào)方案誤差分析統(tǒng)計(jì)

5 水庫(kù)調(diào)度

水庫(kù)調(diào)度核心是進(jìn)行水庫(kù)洪水的調(diào)洪計(jì)算，即在入庫(kù)洪水過(guò)程、庫(kù)容曲線、泄洪建筑物的形式尺寸確定的條件下，推求下泄流量過(guò)程和庫(kù)水位過(guò)程。本次水庫(kù)調(diào)度融入了“2013.08”和“2018.08”兩場(chǎng)特大暴雨洪水的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了規(guī)則調(diào)度、庫(kù)水位控制、下泄流量控制等3種調(diào)度計(jì)算模型[5-8]。

規(guī)則調(diào)度是根據(jù)水庫(kù)建設(shè)時(shí)的防洪、供水[9]等目標(biāo)，按照設(shè)計(jì)洪水計(jì)算所確定的一套調(diào)度規(guī)則，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水庫(kù)功能或者上下游的保護(hù)對(duì)象可能發(fā)生變化，當(dāng)時(shí)的調(diào)度規(guī)則可能不適用現(xiàn)實(shí)情況，或者是理論調(diào)度規(guī)則過(guò)于復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)操作可行性較差。

水位控制是給定調(diào)度期內(nèi)入庫(kù)洪水過(guò)程、水庫(kù)始水位和調(diào)洪過(guò)程中水位上下限，在考慮各種約束條件下，確定水庫(kù)的洪水調(diào)度過(guò)程，使得水庫(kù)各時(shí)段水位盡量滿足給定的上下限。一般適用于流域暴雨中心在上游時(shí)，上游防洪保護(hù)對(duì)象壓力大，以上游水位為主要控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)洪演算。

下泄流量控制是給定調(diào)度期內(nèi)入庫(kù)洪水過(guò)程、水庫(kù)始水位和調(diào)洪過(guò)程中出庫(kù)流量上下限，在考慮各種約束條件下，確定水庫(kù)的洪水調(diào)度過(guò)程，使得水庫(kù)各時(shí)段出庫(kù)流量盡量滿足給定的上下限要求。當(dāng)暴雨中心在下游時(shí)，在保證大壩安全前提下，以下游防洪安全泄量為目標(biāo)，盡量減小淹沒(méi)損失，將各時(shí)段水庫(kù)出庫(kù)流量控制在一定的范圍內(nèi)。

調(diào)度模型還將入庫(kù)洪峰、入庫(kù)總水量、最高庫(kù)水位、最大出庫(kù)流量、總出庫(kù)水量、攔蓄水量、削峰率等特征值進(jìn)行了實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，大大提高了防洪調(diào)度決策是效率。水庫(kù)調(diào)度界面見(jiàn)圖4所示。

圖4 系統(tǒng)水庫(kù)調(diào)度示意

6 洪水演進(jìn)

為考慮東江洪水對(duì)西枝江洪水的頂托作用[10]，本次對(duì)東江干流(嶺下站至博羅站)及西枝江干流(白盆珠水庫(kù)大壩～河口)進(jìn)行整體一維水動(dòng)力建模[11-12]，對(duì)西枝江干流兩岸防洪保護(hù)區(qū)進(jìn)行二維水動(dòng)力建模[13]。東江干流及西枝江干流整體一維水動(dòng)力模型與防洪保護(hù)區(qū)二維水動(dòng)力模型通過(guò)堤岸進(jìn)行耦合，模擬河道洪水及潰堤、漫堤洪水演進(jìn)過(guò)程[14]。

一維水動(dòng)力模型以水庫(kù)調(diào)度模塊的白盆珠水庫(kù)出庫(kù)流量過(guò)程和東江干流嶺下站流量過(guò)程為上邊界；以博羅站流量過(guò)程為下邊界；以西枝江水利樞紐和東江水利樞紐為內(nèi)邊界。西枝江支流小瀝河、安墩水、樓下河、碧山河、白花河、梁化河、淡水河等支流的洪水預(yù)報(bào)模塊計(jì)算結(jié)果為區(qū)間輸入。根據(jù)西枝江干流和東江干流實(shí)測(cè)地形資料，確定河道左、右岸邊界，并以此為界按照與河道主流垂直的方向進(jìn)行河道斷面劃分。一維水動(dòng)力模型共概化河道河長(zhǎng)約160 km，剖分?jǐn)嗝?88個(gè)，斷面間距50～500 m不等。

由于西枝江干流河段較長(zhǎng)，為進(jìn)一步提高模型的計(jì)算精度，加強(qiáng)模型的人機(jī)交互，本次還構(gòu)建了以平山為界的分段一維模型，平山站有實(shí)測(cè)水位、流量過(guò)程，有相對(duì)成熟預(yù)報(bào)方案，以其水位、流量為控制邊界，可靠程度會(huì)進(jìn)一步提高，并可加強(qiáng)對(duì)模型的人工交互校正。一維水動(dòng)力模型斷面布置示意見(jiàn)圖5。

圖5 一維水動(dòng)力模型斷面剖分示意

二維模型范圍為白盆珠水庫(kù)壩下至河口兩側(cè)防洪保護(hù)區(qū)，按河道堤防或天然河岸、以及100年一遇洪水位加上5 m裕度的地形等高線為界，包括惠東縣多祝鎮(zhèn)、平山街道、白花鎮(zhèn)、平潭圍、馬安圍、惠州大堤南堤防洪保護(hù)區(qū)等，模型范圍面積為787 km2。模型網(wǎng)格按防洪重點(diǎn)關(guān)注河段50 m進(jìn)行控制，其他河段按80 m控制，保護(hù)區(qū)外延邊界按250 m控制，用三角形進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共計(jì)劃分97 660個(gè)單元、51 083個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格最小面積為0.000 7 km2，最小邊長(zhǎng)為28 m；網(wǎng)格最大面積為0.04 km2，平均面積為0.008 km2。通過(guò)GPU并行計(jì)算技術(shù)，西枝江流域6天洪水過(guò)程計(jì)算時(shí)間可在15 min內(nèi)完成。

以“08.6”、“13.8”、“18.8”3場(chǎng)洪水的嶺下、博羅、白盆珠水庫(kù)出庫(kù)實(shí)測(cè)資料為邊界，根據(jù)實(shí)測(cè)降雨和預(yù)報(bào)模型計(jì)算安墩水、樓下河、白花河、淡水河等支流來(lái)水，以干流多祝、平山、平潭站為控制站，對(duì)一維模型進(jìn)行率定。由圖6和圖7可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，其中起漲和退水末段由于受西枝江水利樞紐和東江水利樞紐控制調(diào)節(jié)影響，精度稍差?！?8.8”洪水二維模擬淹沒(méi)示意見(jiàn)圖8，白花鎮(zhèn)淹沒(méi)范圍、水深與洪水調(diào)查結(jié)果基本吻合。

圖6 平山站“08.6”洪水計(jì)算與實(shí)測(cè)水位、流量過(guò)程線示意

圖7 平山站“13.8”洪水計(jì)算與實(shí)測(cè)流量過(guò)程線示意

圖8 白花河“18.8”洪水計(jì)算淹沒(méi)示意

7 三維淹沒(méi)實(shí)景模擬技術(shù)

本系統(tǒng)對(duì)西枝江沿岸城鎮(zhèn)進(jìn)行了無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模，并結(jié)合洪水二維水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行洪水淹沒(méi)的三維可視化模擬，大大提高了洪水淹沒(méi)展示的可視化程度。洪水淹沒(méi)三維示意見(jiàn)圖9。

圖9 洪水淹沒(méi)三維示意

8 結(jié)語(yǔ)

西枝江流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)融入了多源數(shù)據(jù)輸入、氣象水文耦合及集合預(yù)報(bào)等理念，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影、GIS及GPU并行計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了集洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)于一體的流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)體系。系統(tǒng)提高了流域洪水預(yù)報(bào)精度，實(shí)現(xiàn)了河道洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)模擬、自動(dòng)圈化洪水危險(xiǎn)區(qū)、淹沒(méi)三維實(shí)景模擬等功能，流域防汛搶險(xiǎn)決策可視化、自動(dòng)化等技術(shù)水平顯著提高，為“四預(yù)”和“數(shù)字孿生流域”建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。西枝江流域規(guī)模適中，流域內(nèi)既有大型綜合性水利樞紐工程、有人工干預(yù)的影響，又有相對(duì)開(kāi)發(fā)程度不是太高的天然下墊面狀態(tài)，代表性強(qiáng)，基于其建設(shè)的預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)一體化的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)體系具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。