水电站施工期洪水预报系统设计与开发.pdf

'水利水电技术第48卷2017年第4期水电站施工期洪水预报系统设计与开发陆玉忠，胡宇丰，李匡，徐海卿(中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038)摘要：为了克服水电站施工期洪水预报方案不足，解决施工期洪水预报工作中存在的一些实际问题，针对水电站施工期的河道特性变化，分析了水电站施工期洪水预报的特定需求，提出水电站施工期洪水预报系统的设计思路和研发目标。总体设计方案包括系统开发及运行环境、设计的基本原则、预报模型配制的技术方案、施工期各阶段到运行期预报方案转换的思路等。系统总体土由数据支撑层、应用层、人机交互层构成。重点介绍了该系统开发的预报方案编制与修正、实时洪水预报等主要应用功能。本系统可针对水电站施工的不同阶段快速建立或调整预报方案；实时洪水预报可人机交互进行，支持增加输入预见期内降雨数据的预报，可为早期的防洪决策提供参考依据。该系统已集成到四川锅浪跷水电站施工期水情自动测报系统投入实际应用，从应用情况来看，该系统运行稳定、实用，达到了预期的研发目标，为开展施工期洪水预报工作提供了有效工具。关键词：水电站；施工期；水文预报模型；预报方案；洪水预报doi：10．13928／j．cnki．wralle．2017．04．006中图分类号：Tvl24文献标识码：A文章编号：1000—0860(2017)0L4一0030一05DesignanddeVelopmentofnoodforec嬲tingsysteminconstrIlctionperiodofhydropowerstationLUYuzhong，HUYufeng，LIKuang，XUHaiqing(BeijingIWHRTechnologyCo．，Ltd．，ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China)Abstract：Inordertoovercomethedeficiency0fnoodforecastingschemeduringtlleconstmctionofhydropowerstationandsolvosomepracticalprobkmsf如mthenoodforecastingintheconstmctionperiod，thespecificdemandsofthenoodforecastingintlleconstructionp商odofbydI．opowersta石ona∞anal)强edhereinforthechangeof矗verchannelcharacte—stjcsattbat矗me，andthenthedesignideasaIlddeVelopingtargetofthenoodforecastingsystemfortheconstmctionperiodofhydmpowerstationareputfor．ward．Thegenemldesignschemeincludestllesystemdevelopmentandoperationenvimnment，thebasicdesignprinciple，tlletechnicalschemefortlleforecastingmodelprepamtion，theideasofthetransf0瑚ationf而mallthephasesofⅥconstmctionperiodtotheforecastingschemeofopemtionperiod，etc．Thesystemisgenerallycomposedofsupponinglayer，印pHcationlayer锄dman—machineinteractionlayer．Themain印plicationfunctions，suchaspmgmmmingaIldrevisingofforecastingscheme，real—timenoodforecaLsting，etc．，fort11esystemdevelopmentismairIlyintroducedherein．Thesystemcanrapidlyestablishandad．justtheforecastingschemeforVariousphasesoftlleconstnJction0fhydropowerstation；埘thwhichthereal—timenoodforecastingcanbecarriedoutw油theman-machineinteractionandtheaddingoftheinputprecipitationdatatotheforecastingintllepredic-tionperiodcanbesupportedaswell；thustherelevantIjelbrencef}啪efbrtheeadynoodcontIDldecision．makingcanbepm、rid．ed．Thesystemisalreadyintegratedintotheautomatictelemeringsystemforwaterregimeduringtheconstmctionof(沁olan鹊iaoHydmpowerStationinSichuanPmVinceandputintotheactual印plication．Fmmtlleaspectofapplication，theoperationoft11e30收稿日期：2016—05—30作者简介：陆玉忠(1965一)，男，高级工程师，主要从事流域水情测报、洪水预报、水库调度自动化系统研究。E—mail：lu”zllong@163．com溉铆ResoHMnndHYa”pME晒Ⅲ峨：％1．48No．4 陆玉忠，等∥水电站施工期洪水预报系统设计与开发systemisstableandpracticable，tllusreachestotlleexpecteddevelopingtargetandprovidesane虢ctivet00lforc明了ingouttllenoodfbrecastinginconstructionperiod．Key、Vords：hydropowerstation；constnlctionperiod；hydrolo百cforecastingmodel；forecastingscheme；noodforecasting0引言大中型水电站工程的施工期长达数年，需要根据不同阶段的要求开展洪水预报工作，以保证施工人员及其器材的安全。水电站施工期的防洪标准一般都比较低，中小洪水不可忽略，尤其是围堰期，抗洪能力弱，中小洪水预报特别重要‘1J。然而，施工期预报实施过程中牵涉面广，遇到问题较多，甚至工作无法开展。这是由于：一方面因缺乏流域洪水资料及工程基础资料，难以编制完整的洪水预报方案，预报方案需在实际的预报工作中通过积累资料逐渐调整完善；另一方面因水电站施工过程中会不断改变天然河道的水力特性和水流状况，尤其在施工截流前后以及水库蓄水前后，预报方案也需要作必要的调整，以适应河道特性及水流状况的变化。施工期预报人员由于缺少有效的工具，大多需要靠经验或通过查图表及手工计算进行洪水预报作业，预报工作十分繁琐，有时难以达到满意的效果。为了克服水电站施工期洪水预报方案不足，解决施工期预报中存在的一些实际问题，利用现代洪水预报技术，开展施工期洪水预报研究是非常必要的旧J。因此，笔者通过对水电站施工期预报需求分析，确立研发目标，设计开发了一套水电站施工期洪水预报系统，此系统可集成到水情自动测报系统，快捷建立初步的洪水预报方案，利用遥测数据以及气象降雨预报数据开展施工期洪水预报作业；在系统的使用过程中可逐渐完善或调整预报方案，进而满足水电站施工的各个不同时期乃至运行期对预报方案进行必要调整的实际需求。1水电站施工期预报需求与研发目标1．1预报需求水电站施工期洪水预报方案与河道洪水预报、流域洪水预报、水库入库洪水预报基本相同，但需要根据施工期间河道、水流改变情况和施工具体要求作必要的调整。在整个施工期间需要预报水工建筑物附近料场和生活区的水位，以保证临时建筑物的安全。在施工的各个阶段对洪水预报的需求有所不同：(1)修筑围堰和导流建筑物阶段，需预报施水利水电技术第48卷2017年第4期工河段上游及围堰前的水位和流量；(2)河道截流施工阶段常在枯水季，除对枯季中小洪水做出预报外，还要预报截流时过水口门上下游的流量、水位，作为截流的依据；(3)河道截流后水库属于边施工边蓄水的阶段，要求预报水库水位和出库流量等要素。1．2系统研发目标依据对水电站施工期预报需求分析，确立水电站施工期洪水预报系统研发的总体目标为：(1)提供操作界面，可选择采用多种预报模型或方法建立预报方案，具有方案完善或调整编辑的功能，以便于用户根据施工期各个阶段及运行期的河道及水流特性变化，快捷调整或完善预报方案，不需要修改软件就能实现系统从施工期各阶段到运行期应用的转换。(2)增加预报操作的灵活性与快捷性，满足施工期水文预报的多种需求，设计开发基于图形界面的专家交互式预报功能，预报人员能在预报操作界面直接查询掌握预报所依据的基本信息，并对多个模型平行预报的结果做出科学判断和对综合预报结果进行合理修正。(3)系统可集成到水情自动测报系统，连接水情数据库，自动读取遥测数据作为系统输入，以提高洪水预报的自动化程度。(4)水文与气象相结合是增长洪水预见期的重要途径，系统应支持气象预报降雨数据的输入，实现前期洪水预测，即洪水还没发生时，根据前期气象预报的降雨量做出洪水预报，对洪峰、洪量和最高洪水位等关键数据进行较为准确地估计，为早期的防洪决策提供参考依据。2水电站施工期洪水预报系统总体方案设计2．1系统开发及运行环境系统开发采用C1ien∥SeⅣer(客户机／服务器)结构，服务器操作系统软件选用WindowsServer2012，工作站操作系统选用Windows7专业版，数据库平台系统选型为SQLServer2012。选用VB．net语言做编程开发，以水情自动测报数据库为基础数据源，建立洪水预报专用数据库用于存储模型参数及预报结果。 陆玉忠，等∥水电站施工期洪水预报系统设计与开发2。2系统设计的基本原则(1)开发设计系统形成集成化平台，满足可扩展性、易维护性、灵活性要求。(2)在预报模型的选用上，遵循实用性、可靠性原则，选择已在我国得到广泛应用的水文预报模型。(3)系统应具有一定的通用性，用户在提供的界面上通过简捷操作就可建立或修改预报方案。(4)预报操作可人机交互进行，能输出展示预报结果及其中间结果的多种专业图表，用于预报结果分析。2．3预报模型配制技术方案洪水预报方案基础是选用的模型或方法，一般由流域产流、汇流、实时校正等模型组成，水电站施工截流期、围堰期、运行期可通过调整模型或参数满足不同时期的预报需求，系统开发选择集成的水文预报模型旧。o如下：(1)流域产流模型。选用的产流模型主要有新安江三水源模型、水箱模型、API模型、改进型新安江模型。方案编制需根据流域水系、雨量站及水文控制站的布设情况分块、分单元，对流域内各单元的每一个雨量站设置权重，各单元块选择模型输人时段雨量、蒸发量、土壤含水量等数据就可计算出口断面相应时段的产流量。(2)汇流模型。流域汇流分为坡面汇流和河道汇流两个阶段，坡面汇流分为地面汇流、壤中流汇流和地下水汇流过程三部分。地面汇流可选择采用经验单位线及滞后演算法，壤中流和地下径流汇流采用线性水库方法，分别计算其流量过程并进行叠加，得到单元出口流量过程。河道汇流可选用经验单位线方法、马斯京根法、Nash单位线法。(3)实时校正模型。选用洪水预报残差自适应实时校正模型¨J，根据预报断面实际流量过程(入库流量采用还原计算)与预报流量的误差序列规律，对预报流量过程进行实时校正，以进一步提高洪水预报精度。(4)施工水尺预报。在水电站施工期间，上、下围堰的水位预报可选用水位系数方法和调洪演算方法"。o。水位系数方法是针对施工区水尺水位预报建立的一种经验方法；调洪演算方法是依据水量平衡原理、水位一库容关系曲线和导流建筑物的泄流能力曲线，建立围堰期水库调洪演算方程，根据预报流量对围堰期水库水位进行预报计算。2．4施工期各阶段到运行期预报方案转换系统开发及预报方案设计需充分考虑水电站建设特点，在系统软件总体结构不变的情况下可以通过调整预报方案中配置的模型及其模型参数，满足施工期各阶段及运行期的实际需要。具体如下：水电工程施工截流前的河道断面洪水预报方案与天然河道断面预报方案基本一致；修筑围堰期间由于河道的束窄，堰前发生水位壅高，需要增加壅水计算；截流后进入围堰挡水期，需要根据水位上升情况适当调整河道汇流模型参数，并需增加入库流量还原计算和围堰调洪演算功能；水电站工程竣工、水库蓄水后，需按照调洪规程进行调洪演算，与施工期相比河道水流特性发生改变，主要反映在水库面积增大，汇流时间缩短，入库洪水峰现时间提前，洪峰增大，此时需要调整河道汇流模型参数，以适应洪水汇流时间的改变。另外，由于水库蓄水，部分雨量站会因水位上升淹没而撤销或迁移，则需要针对流域产流模型预报单元的雨量站及权重参数重新配置，如果水文控制站因淹没而撤销，则需从方案中删除相应预报断面或不再采用该站点进行实时校正。2．5系统总体结构软件系统总体上由数据支撑层、系统应用层和人机交互层构成。其中数据支撑层是以水情自动测报系统数据库为基础，建立洪水预报专用数据库用于预报结果及模型参数存储；系统应用层则是在构件库的基础上开发应用程序功能模块，为人机交互层设计简捷的操作界面，控制系统应用程序的运行。软件系统逻辑结构如图1所示。3水电站施工期洪水预报系统功能设计3．1预报方案编制与修正3．1．1流域及测站管理采用向导模式提供一个有关预报流域及测站基本信息输入、编辑界面，需要输入的资料主要有流域面积，流域内测站名称、站码，流域分块后各块名称、编码、出口控制站的站码，块与块之间水流的拓扑关系，各块中所划分的计算单元编码、面积、雨量站及权重等。3．1．2预报方案管理提供操作界面设置方案属性、预报断面、预报模型及参数等。方案属|生设置内容包括方案名称、方案编码、计算时长选择等；预报断面设置用于配制方案中需要洪水预报的断面，是否进行预报校正，校正时段个数，断面所对应的流域块在方案中计算的序号水利水电技术第48卷2017年第4期 k。：。l。。。髓婚疆《爨磐臻氆。。|9g孤撮蕊蒙冁黼遥赣霉|?一凌聍洪水预报流预飚模静预洪预功域羞承撼能蠢羞基曩默斟型模块l≯一j|；萎jijj|j÷|?。|。i尊⋯i’i囊超纛恻；鍪刺；I：辘测警慰j÷t黧密◇；，j}}；；Ⅲ!|壤撩纛繁弱侮i一|{『}}I蒸蓊惩≥数据1．|l{；|瀚罄懿豁|l灞鏊鋈毽蓼库图1软件系统逻辑结构等；预报模型及参数设置则为每个预报断面所对应的流域块配置预报模型及其默认的初始参数。3．1．3历史洪水管理在操作界面上选取各控制断面历史上典型的洪水过程，统计洪水要素，主要用于流域洪水分析及模型参数率定。3．1．4模型参数率定通过操作界面对预报方案选择配制的模型进行参数率定和检验，参数率定调试既可自动计算，也可人工交互方式进行，可以输出各场次洪水拟合过程图形及其精度统计表。3．1．5静态曲线管理提供静态曲线管理、编辑界面，曲线可选择采用图形、表格形式显示，与水电站施工期洪水预报相关的曲线主要有：水库的水位一库容关系曲线、水文测站的水位一流量关系曲线、导流洞或围堰后的泄流能力曲线、导流洞或围堰后的泄流量一水位系数关系曲线等。3．2实时洪水预报3．2．1预报数据预处理采用图、表形式输出、展示预报所有依据测站的降雨量过程、水位及流量过程，如发现数据有问题可通过与临近站对比分析实现快捷修改。3．2．2洪水预报操作为用户提供洪水预报交互界面，采用图、表形式水利水电技术第48卷2017年第4期。。l蠡橇蠢黪I。蒸瞧藏鼹鼹囊。j熬冁潦攥罴A陆玉忠，等∥水电站施工剽洪水预报系统设计与开发直观输出各预报断面的洪水预报结果，包括降雨一流量对应过程、降雨一水位对应过程，支持增加输人预见期内降雨数据的预报，调整初始土壤含水量值后可直接输出新的预报结果。3．2．3预报成果管理对实时洪水预报过程中所保存的洪水预报成果进行查询、显示及管理，包括对各场次洪水预报的精度进行统计分析。4锅浪跷水电站施工期洪水预报系统应用案例四川锅浪跷水电站坝址位于天全河上游两河口下游约700m处，电站坝址以上集水面积936km2，属青衣江一级支流天全河梯级开发中的龙头电站。天全河在两河口以上为上游，天全河上游大部处于二郎山山脉东侧，河长49km，河床平均比降6．81％。流域山峦重迭，山势高峻，岭谷相间，平地极少，地形复杂，山地海拔多在3000～4000m。流域上游河段河谷狭窄深切，坡陡流急，河道断面多呈“V”型，两岸多原始森林。主要支流有发源于二朗山附近的新沟河，为天全河的重要支流，于两河口汇人天全河，河道长26．7km，比降7．81％，天然落差2086m，流域面积322．9km2。流域内降雨日数多。天全有“天漏”之称，多年平均降雨日数为235．7d，几乎三天中有两天下雨。天全河洪水由暴雨形成，每年汛期为6q月，由于降雨强度大，加之上、中游地形陡峻，河道比降大，有利于洪水汇集，致使干流洪水过程具有峰高量小，陡涨陡落，历时较短的特点。四川锅浪跷水电站施工期水情自动测报系统设有4个雨量站和3个水位加雨量站(昂洲河、长河坝、导流洞进口)，于2016年4月投运，流域遥测站布设方案如图2所示，这些布设的遥测站全为新建站，没有实测的历史资料，水文控制站(昂洲河、长河坝)的水位一流量关系还需要经过断面流量测量方式逐渐推求确定。锅浪跷水电站施工期某阶段需要预报导流洞进口处的流量及水位，施工期水情自动测报系统中集成了33 陆玉忠，等∥水电站施工期洪水预报系统设计与开发图2锅浪跷水电站施工期水情自动测报系统遥测站布设方案本次开发的施工期洪水预报系统，在缺乏流域历史洪水资料的情况下，利用该系统快速建立了初步的预报方案，可开展施工期实时洪水预报工作。由于水文控制站(昂洲河、长河坝)的水位一流量关系也是采用断面资料按水力学公式初步推算得到，还没通过大、中、小洪水实测流量的校核，在对当时推求的控制站流量精度还得不到保证的情况下，系统中可暂时选择设置不加实时校正功能。实时洪水预报的操作与结果输出界面如图3所示，其显示结果是模拟流域未来4h降雨过程可预测，且假定降雨量为40mm／h、30mⅡ∥h、20mIn／h、10mm／h的情况下，各预报控制站模拟预报的流量过程。在输出的各预报站降雨一流量过程图中用鼠标右键可切换输出相应的预报降雨一水位过程图。其预报精度还有待于进一步积累流域暴雨、洪水资料完善预报方案，并通过一定数量大、中、小洪水的实际预报应用后再作评价。幽㈣鬻I嚣．一*一m，嚣品；霎嚣嚣嚣甏自《燃鬻。曩。j”“鼍毪慧；目黼d*”口mMm霈音∞oI；赫蒜目Ⅻ”’≮}露鳓冁飘jIu溉蠹i誊j|蕊祺承灏擐臻台成果圜(漉萤)颧报时阀；如’蚤∞．2614§翌。、Ⅲ。。一■’0●●釉一舶情一*日∞一t蝴■t№}霎嚣警5：。。：{l：冀鬻：!葺=冀一{，、醚；遴器萋蘸藿!、脚}·，fq纂}tj＆￡缸．·-t-．囊鬻隧囊绺鬻纛麟#彝●—鲜‘’i．麓；1鬻睁孵“q睡n、。臻高器‘：豁：琏藤l_r7⋯[∞·*^R日“f{匕。。謦匮豢攮l麟鬻熏粼麟黼獬髑鬻骥鬻攀图3实时洪水预报操作及结果输出界面系统集成到水情自动测报系统投运为施工期预报人员提供了有效工具，使用人员应对每一次洪水预报情况进行分析总结，根据积累的实测洪水资料对初步的预报方案进行逐渐修订、完善。系统需要收集并更新的基础资料还有：(1)水库水位一库容关系；(2)昂洲河、长河坝断面的水位一流量关系；(3)导流洞的水位一泄流量关系；(4)导流洞的泄流量一水位系数关系。5结语本系统研发从水电站施工期洪水预报的实际需求出发，确立研发目标。设计、开发的施工期洪水预报系统，具有平台化特点，选择已在我国得到广泛应用的预报模型，在提供的界面上通过简捷操作就可编制或修改预报方案；实时洪水预报可交互进行，能输出用于展示预报结果及其中间结果的多种专业图表，支持气象降雨预报数据的输入，可增加有效预见期。系统集成到四川锅浪跷水电站施工期水情自动测报系统，为开展施工期预报工作提供了有效工具。在缺乏流域历史洪水资料的情况下，能快速建立初步的预报方案，实现施工期洪水预报功能；系统提供了预报模型参数率定功能，可根据水情自动测报系统积累的实测洪水资料对预报方案逐渐进行修订、完善，从而达到提高预报精度，满足水电站施工期各阶段洪水预报的需要，并可通过方案调整过渡到电站运行期应用。从系统实际的应用情况来看，系统运行稳定、实用，达到了预期的研发目标。该系统的成功开发与应用，为开展水电站施工期洪水预报提供了一种行之有效的解决方案。参考文献：[1]曹艳秋，王蕴芳．尼尔基水利枢纽施工期预报研究[J]．东北水利水电，2007，25(4)：21—23．[2]熊金和，雷辉光．构皮滩水电站施工期洪水预报综述[J]．贵州水力发电，2010，24(2)：4—7．[3]林三益．水文预报(第二版)[M]．北京：中国水利水电出版社，2001．[4]詹道江，叶守泽．工程水文学[M]．北京：中国水利水电出版社，2000．[5]包为民．水文预报[M]．北京：中国水利水电出版社．2013．[6]张恭肃，朱星明，杨小柳，等．洪水预报调度自动化系统[J]．水文，1988(5)：3—8．[7]李匡，朱成涛，胡宇丰，等．施工期水位预报的水位系数法[J]．中国水利水电科学研究院学报，2012，10(4)：273．276．[8]毛学工，安波，蹇德平，等．雅砻江流域梯级电站水情自动测报系统[M]．北京：中国水利水电出版社，2叭2．(责任编辑陈小敏)水利水电技术第48卷2017年第4期'