密云水库洪水预报误差分析（綦中跃）

摘要：在对密云水库的洪水预报误差进行分析的基础上, 找出现有预报模型存在的不足和产生误差的原因。结合流域自然地理的变化和人类活动影响等因素, 提出如何进行密云水库洪水预报的建议, 做好水库的洪水预报, 为科学地管理洪水资源提供依据。

关键词：水库 预报误差 分析

水库洪水预报的第一要素是入库洪水总量。水库是一个蓄滞洪水和调节洪水过程的工程, 相对于自然河道的洪水预报, 它没有洪水流量与洪水水位的关系, 只有水库库容与水库水位的关系。在水库的防洪调度中, 洪水初始库容加上入库洪水总量就可以计算出洪水后库容和对应的最高库水位然后根据水库的调度方案, 推求水库泄流量, 以确保水库的库水位控制在安全水位以内。根据已经发生的降雨量做水库的洪水预报, 如果时效性短, 就会影响水库防洪调度的效果。为此, 对密云水库的洪水预报误差进行分析, 找出存在的不足, 提出解决问题的建议, 从而提高人库洪水预报的时效和精度, 科学地进行洪水资源管理。

1 流域概况

密云水库是潮白河流域的控制性工程, 流域由3部分组成, 白河流域、潮河流域和水库区间流域, 流域面积1万5788km2。流域大部分为山区, 地面覆盖层为1m左右的土层, 土层以下基本为不透水山石。但流域内各地差异较大, 不少地方岩石裸露, 裂隙较发育。

潮河流域主要由潮河组成, 入库控制站（下会水文站）以上集水面积5340km2。流域内丰宁分水岭至小坝子区域, 沙化较严重。丰宁县城以下植被比白河流域好, 流域内截水工程少, 但河道比降小、采砂场多, 输水损失大。

白河流域主要由白河、黑河、天河、汤河和菜食河等组成, 人库控制站张家坟水文站以上总集水面积8506km2。流域内土壤以砂土为主, 土石山区, 植被以灌木丛为主, 一般表上较厚, 渗水力强, 地下水相对较丰富。主河道白河以水源, 基本被白河堡水库截流。

水库区间流域为在潮河和白河入库控制站以下, 主要由安达木河、清水河、忙牛河、白马关河等直接人库的河流组成, 集水面积1942km2。流域植被较好, 本流域为暴雨多发地区。年来水量占全流域来水量的27%。

密云水库流域位于欧亚大陆东部中纬度地区, 属大陆性季风气候。冬季干燥寒冷, 夏季炎热, 年内气温变化显著, 流域降水量主要集中在6-9月份。根据1960-2004年45年的资料统计, 流域多年平均降水量为482mm, 其中汛期降水量占全年降水量的80.4%。降水量年际变化较大, 最大年降水量为655mm, 最小年降水量为348mm。流域降水量基本上是南大北小, 暴雨中心在四海、枣树林和古北口到六道河一带, 多雨区分布在燕山迎风坡地带。

密云水库流域的洪水主要是汛期的集中暴雨形成, 历年暴雨洪水常发生在7月下旬以后。洪水过程形状极不对称, 共同特点是峰型尖瘦, 涨水段快, 退水段慢。

2 洪水预报历史及现状

密云水库水文预报的历史可以追溯到建库时期, 当时水文预报为正常施工起到很大作用。建库后, 由于当时的特殊情况, 预报工作发展得不是很快, 虽然也有过一些小型的预报方案, 但在调度工作中未能充分发挥其应有的作用。在进行洪水预报时, 经常使用的是径流系数法。直到1989年, 密云水库与南京水文水资源研究所合作, 共同完成了以新安江三水源模型为基础的密云水库洪水预报方案,开发研制了密云水库洪水预报调度软件包。由于各种因素影响, 该方案的预报精度较差。1999年, 大连理工大学做出了密云水库洪水预报调度系统, 但预报方案是以南京水文水资源研究所编制的方案为基础, 没有实质性突破。在实际工作中, 更多的时候还是用一些如径流系数法、退水曲线法等手工方法进行洪水预报。2004年, 南京水利科学研究院在原预报模型的基础上, 对参数进行改进、流域细化分区后编制了新的水库洪水预报模型。因为该模型在试运行阶段, 使用后发现误差仍然很大, 实际应用中, 做洪水预报采用的仍是径流系数法。根据多年来的洪水预报成果分析, 密云水库采用的新安江模型无论如何修正参数和改进水源划分, 都存在预报误差较大的问题。

3 洪水预报结果统计

针对密云水库洪水预报的特点, 主要是次洪的7d来水量和峰现时间, 选出90年代以后的几场洪水做精度分析, 其预报结果及精度分析如表1。

从分析中可见, 90年代以后的洪水预报结果在洪量及峰现时间上误差均较大。预报结果总体上是峰量偏大, 峰现时间提前。

4 洪水预报误差分析

4.1 预报方法误差

新安江模型是一个具有分散参数的概念性模型, 将流域划分为若干单元面积, 对每个单元面积计算到达流域出口的出流过程, 这些过程线性叠加, 得流域总出流过程。该模型适用于湿润、半湿润地区, 产流方式为蓄满产流。密云水库流域的上游大部分地区地形坡度大, 植被覆盖率低,还有岩石裸露的地区, 流域洪水的发生多为山区性的集中暴雨, 雨强大, 历时相对较短, 所以其产流方式多为超渗产流。在模型分区中, 将蓄满产流地区和超渗产流地区划在一个模型子区域里, 无法将复杂的产流形式正确地模拟。

流域的下垫面条件及降雨特性决定了其产汇流机制。影响水文要素的因素很多, 而在一定物理成因基础上加以均化、概化和假定, 对于水库流域复杂的产汇流机制来讲,固定的参数计算必然产生误差。

就模型内部的结构来讲, 流域的坡面汇流和河道汇流均为非线性问题, 但在模型中为了简化计算, 而概化为线性系统。蒸发量受土壤含水量的影响较为显著, 实际上两者应为一条渐变的曲线, 但模型中概化成几段折线表示。如上概化所产生的预报误差均为模型误差。

4.2 资料代表性误差

不同时期观测洪水资料代表着不同的流域自然条件,把下垫面及洪水形成条件差异很大的资料混杂在一起, 作为一个样本进行数理统计和应用, 对近些年的已经发生变化的实际不具有代表性。在洪水观测期内, 因流域上修建了蓄水、引水、分洪、滞洪等工程, 或发生溃坝、改道、决口等事件, 此类人为或天然的因素使流域的洪水形成条件有所改变, 因而洪水的某些要素会发生很大变化。

现采用的率定模型参数及其洪水拟合的资料均为80年代以前的较大洪水, 即使加入90年代的几场洪水, 并不能完全体现近些年及未来的水文规律。现在的洪水预报模型是在历史资料的基础上分析得出规律, 力求能在近些年洪水资料缺少的情况下, 做出相对准确的预报, 而现在模型中采用的洪水资料均为流域下垫面条件变化及其人类活动影响相对较少的80年代以前的。所以资料代表性误差(抽样误差)是密云水库洪水预报精度不够的另一重要因素。

4.3 测验误差

密云水库流域为地形变化较大的山区, 降雨、蒸发等水文要素时空分布差异较大。但模型中取用的降雨量站点在潮、白河上游过于稀疏, 无法真实地反映出降雨的空间分布不均性。如白河上游刁鹦站控制面积为1742km2, 潮河上游小坝子站控制面积为1318km2, 权重控制如此大的雨量站, 在暴雨发生时很难真实反映雨量的分布, 使得预报产生较大的误差。

蒸发资料的选取, 在潮河、白河上各有2个蒸发站, 其他各站的资料就近移用, 该流域面积广, 地形复杂, 高程变化大, 影响蒸散发能力大小的地面条件及天气条件等因素变化明显。这种蒸发资料的移用, 显然会带来一定的误差。另外, 在现在的条件下, 如何进行蒸发系数的折算缺乏必要的试验。如此, 采用资料的系统偏差必将带来预报的系统误差。

传统的泰森多边形划分的单元面积存在跨分水岭问题,因为密云水库流域的降雨迎风坡较背风坡大, 用一边的雨量站来做另一部分面积的代表站, 使面雨量产生误差。分水岭一边的径流跨过分水岭汇人另一边,造成汇流模拟的误差, 均会对预报结果产生误差。

4.4 计算方法误差

主要是水文、气象要素值在计算过程中, 采用的方法不够严密所带来的误差。模型中计算土壤含水量时, 是用日模型计算的, 一般认为该值为每日8时土壤含水量, 因此, 对非时开始计算的次洪, 只有线性内擂才能计算含水量, 这显然是不合理的。在率定模型参数的过程中, 采用非独立的次洪进行模拟, 计算时采用的临时方法, 如前期退水过程用概化的退水曲线推求, 均会给预报带来误差。

4.5 人类活动影响

上游人类活动等影响带来的误差最为不确定。通过对密云水库年降雨一径流、年代降雨一径流的分析, 相同降雨条件下产生的径流量, 有时超过50%。如此情况同人类活动随着经济社会等各方面发展而加剧产生的后果是极为密切的。流域的水土保持工作、农业结构的调整、水利工程的建设、矿山开采、河道采砂等活动对流域的下垫面条件的改变, 从而影响了流域的产汇流机制。如2003年潮河上游大阁水文站实测洪峰流量120m3/s, 而该次洪峰到达潮河入库站下会水文站时, 洪峰衰减至12.8m3/s。可见,最为不确定的人类活动改变了流域多年的下垫面条件, 导致产汇流机制发生变化。小洪水时对洪水预报误差影响非常大, 大洪水或特大洪水的误差有待分析验证。

5 结语

近些年, 作为洪水预报理论基础的降雨径流形成原理和洪水波运动理论有了长足的进步。为能更准确地做好密云水库的洪水预报, 在分析流域气候变化、下垫面条件变化等基础上, 根据实际情况及多年的预报经验做出适合于密云水库流域自身特点的密云水库洪水预报模型, 为进行水资源的合理开发和利用、科学的调度洪水资源提供支撑,建议如下:

(1)对密云水库流域上、下游的经济社会、自然地理、气候气象、水利建设、生产生活等进行全面调查。分析流域下垫面变化情况和变化趋势, 根据近些年的洪水资料分析降雨一径流关系, 分析在下垫面条件改变情况下流域的产汇流机制。

(2)基于GIS空间数据处理功能, 建立流域下垫面的各种地形地貌模型, 利用数字高程模型推求流域平均汇流路径长度和坡度等特征值。对流域的汇流做更准确的数值模拟和应用分析。

(3)在现有雨水情遥测系统的基础上, 在上游适当增设雨量站, 更好地控制雨量在空间上的不均匀分布, 并在暴雨中心地带利用雷达联合雨量计估测降水。面雨量的大小与地形和降水类型密切相关, 由于雨量计的空间代表性较差, 雷达可以探测较大范围的瞬时雨强, 雨量计可以准确测量雨量站处的每小时降雨量, 在暴雨区内雷达联合雨量计估测降水分布, 可以充分利用两者的优势, 最大限度地提高降水分布估测的精度。

(4)利用多年的气象资料分析流域蒸散发的变化和本流域影响其变化的主要因素。分析流域近些年的降雨特性及其空间分布特点。

参考文献

1 庄一鸽, 林三益.水文预报[M].南京:河海大学出版社,1999,(2).

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4 大连理工大学, 国家防总.水库防洪预报调度方法及应用[M].北京:中国水利水电出版社,1996,(11).

5 井立阳, 张行南, 等。GIS在三峡流域水文模拟中的应用[J].水利学报,2004,(4).

作者简介：綦中跃（1974-）, 男, 助理工程师。

来源：《北京水利》2005.6

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