王家厂水库洪水调度系统问题与建议

何银才

（澧县王家厂水库管理处常德市415500）

1 基本情况

王家厂水库座落在澧水一级支流涔水干流王家厂镇，1960年建成蓄水，总库容2.78亿m3，集雨面积484 km2，占全流域的41%，坝址以上河长48.5 km，河道坡降3.5‰。其中南支莲花堰水文站以上河长29.6 km，集雨面积163 km2，北支闸口水文站以上河长32.7 km，集雨面积161 km2，闸口－莲花堰－王家厂区间集雨面积160 km2。

王家厂水库洪水调度系统是国家防总在1998年全国16座大型水库进行的洪水调度系统工程试点之一，洪水调度系统工程于1999年4月1日投入试运行。

王家厂水库洪水调度系统主要包括水文自动测报系统和洪水实时预报调度系统两个部分。

水文自动测报系统由北京燕禹新技术开发公司承建，系统设1个中心站、7个终端站，通信频率为228.575 MHz，中心站设在水库管理处防汛搂。

大坝（水库站）、闸口（北支入库站）、莲花堰（南支入库站）3个水文站采用DY1090A型遥测雨量计、WFH-2型细井式遥测水位计及YCZ-PS自报式水位终端机等设备；城关、刘家湾、东门、洞市4个雨量站，采用DY1090A型遥测雨量计。当水位变化1 cm、雨量变化1 mm时，终端机自动向中心站传数，另每隔5个小时终端机向中心站传数一次。

洪水实时预报调度系统由当时的武汉水利电力大学设计、安装、调试。水库洪水预报方案由流域产流模型、流域汇流模型和洪水实时预报校正模型三部分组成。

流域产流模型采用三水源新安江流域产流模型；汇流模型采用流域分散入流非线性汇流模型；洪水实时校正模型是采用洪水预报残差自适应校正模型。

在洪水实时预报调度系统软件编制时，降雨及洪水资料采用1980～1997年资料，其中1980～1992年为预报方案评定期模型参数率定资料，1994～1997年为预报方案检验资料，入库洪水流量过程线采用水量平衡方程推算，计算时段为3小时。

2 系统存在的问题

王家厂水库洪水调度系统建成以来，总的来说对王家厂水库的调度工作起到了重要的作用，结束了长达40年来以人工测报、人工预报调度的历史，但系统本身所暴露的问题也不少，主要存在如下几个方面：

（1）系统未完建。

由于水文测报站点主要分布在水库上游，只覆盖涔水全流域面积的41%，而对下流澧阳平原和涔北丘岗区共700 km2未纳入监测范围，也未对下游降雨、径流及河网汇流模型进行研究，水库下泄流量还是采用人工经验判断，不利于王家厂水库错峰、削峰和下游补偿调节功能发挥，对下游淞澧大圈和水库本身安全有不利影响。

（2）水库库容曲线使洪水预报模型产生系统误差。

王家厂水库自建成以来，运行50年来没有重新测量库容，由于原始测量误差加上多年淤积、冲刷影响，误差在所难免，库容误差在给水库日常调度带来不利影响的同时，也造成了洪水调度系统先天不足。笔者查找到水库管理处不同时期采用的水位～面积、水位～库容关系图表，在此为方便说明，分别将其命名为1961年版（1961年图纸）、1985年版（1985年水利部编印基本资料）和1996年版（水库管理处1996年编基本资料），各版本数据有所不同(表1)，差别主要集中在75.0 m高程左右，在75.0 m高程时，不同版本水面积相差大于1 km2、库容相差大于100万m3，其它高程处也有不同程度变化。由于时间久、人事变动等原因没有留下相关资料，变更的具体时间和变更依据已无从查考，但总体来说不同版本的水位～库容关系图表差别相对较少，水库管理处及湖南水文部门目前使用的为1996年版的图表。

表1 王家厂水库管理处不同时期采用的水位～面积、水位～库容关系图表

笔者曾使用1996年版水位～面积关系图表推算出一套水位～库容关系图表，结果与1996年版水位～库容关系图表存在差别，最大差值为340万m3，在75.5高程，而以1996年版水位～库容关系图表反算水位～面积关系图表，得出的结果不仅与1996年版的水位～面积图表不符，而且发现面积与水位关系呈锯齿状，与现状不符，说明本套图表在原始测量或库容计算环节产生了误差，1998年洪水实时预报调度软件编写时使用的1996年版水位～库容图表必然产生系统误差。

这一问题在本洪水调度实时预报软件编写时就已出现，由于两个入库站控制集雨面积为324 km2，只占水库总集雨面积的67%，还有160 km2的区间汇流无法由入库站监测。软件编写时历史入库洪水过程采用了水库水量平衡方法进行推算，即采用公式Q入=Q出+（V末-V初）/Δt+Q损计算，这个公式虽然是推算已建水库入库洪水的经典公式，但它的精度依赖于所采用的参数的精度，由于水位～库容关系误差及水文记录以整厘米为单位记录等因素影响（1 cm影响库容约为10～20万m3）。软件编写时曾采用过Δt=1 h方案进行计算，发现入库流量出现负值和洪水过程呈现锯齿状情况较多，后改用Δt=3 h进行计算，入库流量出现负值和洪水过程呈现锯齿状情况大为减少，遂采用Δt=3 h反推入库洪水流量为基础，并参照两个入库站实测按流域面积放大流量过程，以修正入库过程线，但这种“修正”必然造成了推求的入库洪水过程线失真（表2），据此流量过程编写的洪水实时预报调度系统不可避免地会产生系统误差，虽然系统具有洪水预报校正功能，但由于存在系统误差，此功能发挥作用有限。

表2 由水量平衡计算公式推算的入库流量造成洪水过程线失真

（3）水文测报设备硬件方面存在不足。

设备故障频繁。各水文测报设备属专用设备，投入运行几年后故障频发，每到汛期水库管理处都要多次派人抢修，一旦专用设备（如主板、放大器等）发生故障，由于附近没有维修点，只能寄到制造厂家，维修不及时、不可靠，影响了水库正常调度。2005年初水库管理处被迫将水库下游一个雨量站（城关雨量站）全套设备拆下后作为备品备件。

通信传输受阻。系统仅采用无线通信，无其它备用通信方式，可靠性差。主要影响因素：一方面由于各测站天线采用的是高增益定向天线，方向感很强，受风吹影响天线在发生较小偏移的情况下就无法通信；另一方面无线电波穿透、绕射能力差，因房屋和树木阻挡导致通信中断的情况年年发生。

（4）系统老化失修。

2002年底，即系统运行满4年时，预留的备品备件已基本用完，从2003年起，系统的洪水实时预报调度系统部分已彻底瘫痪，在不断抢修的情况下，整个系统只有水文测报部分勉强维持运行，目前在通信方面能和管理处中心站保持正常联系的站只的莲花堰、刘家湾、洞市、东门四个站，闸口水文站由于建筑物和树木阻隔，虽经我们加装放大器、加高发射天线等方式处理，仍无法通信。

在雨情测报方面，由于闸口水文站通信障碍，雨水信息无法传送到水库中心站，目前系统可自动采集雨情数据的测站只有莲花堰、刘家湾、洞市、东门；在水情监测方面，莲花堰水文站因自记井老化水位数据误差大、可信度差，闸口水文站因通信故障造成水位数据无法传送。

由于中心站电子主设备已运行10多年，服务器、电脑也因多年运行“光荣退休”，原来采用的Windows98和Windows NT4.0系统早已更新为Windows XP和Windows server 2003,而洪水实时预报调度系统软件还是原来老版本，有些功能已无法在新电脑系统上实现。目前，洪水预报和调度方案编制恢复到系统建设前的人工经验预报模式，洪水实时预报和调度方案优选无法自动完成。

土建工程设施老化失修严重，王家厂水库水文、雨量站土建设施主要有两种：一是原省水文局所建站房及测流设施移交给水库管理处；二是租用民房。闸口、莲花堰两个入库水文站是省水文局20世纪70年代所建的站房和自记井，经过40年运行，房屋老化失修已成危房，严重威胁工作人员及设备安全，自记井由于多年运行，渗漏、垮塌严重，莲花堰站自记井由于渗漏，井内水位受山体渗水影响，长期高于河道内水位，即使在外河处于高水位时也有较大差别，涔水南支来水流量实时观测数据已严重失真。

洞市站、刘家湾站、东门3个站雨量站系委托雨量站，于1965年投入使用，一直租用民房，刘家湾站由于住户现已移居山下，原房屋（雨量设备安置处）未住人，而附近又没有合适人家迁移，为保证设备安全，从明年开始该测站设备将不得不相应下移，该站无线通信将受到严重影响。

3 建议

（1）水文测报方面。

完建涔水流域水文测报网点，采用专门成套设备。这方面气象、水文等有关部门已开发出成熟技术和产品，通信方面采用无线通信和公共通信（固话或手机）方式互为备用，制约只是资金问题。

另建中继站方案也是解决通信故障的可行方案之一，由于王家厂水库中心站高程在100 m左右，涔水下游地面高程顺50 m以下，位于水库上游的太青山、天供山、刻木山有较大地理优势，其中太青山最高点高程在1 000 m左右，为澧县最高点，可覆盖全澧县，但交通不便、路程远，设备维护难度大；刻木山最高点高程的500 m左右，距水库管理处最近，交通方便；天供山最高点高程在400 m左右，距管理处中心站10 km，交通最方便，这三点都可作为中心站备用地点，基本上都可覆盖涔、澹水全流域。

从可靠性保障角度来看，建议最好采用中继站+手机的通信方式，这一方面能保证各测报站点与水库管理处中心站水文测报数据可靠传输，另一方面还有一个好处：由于三地分别距湖南张家界、湖北松滋县距离不远，加上地理位置较高，天供山、太青山被湖北荆州市手机信号覆盖，刻木山被张家界市手机信号覆盖，在澧水或洞庭湖其它流域发生特大洪水、地质灾害造成长沙－常德－澧县通信光缆中断时，不但能保证水库与上级防汛调度部门水文、调度数据可靠传输，还可作为水库管理处与省防办、长江委紧急联系通道。

近年来，气象部门已在全省范围内建立了一套中小尺度天气资料应用系统，这套系统分布的很广，基本上覆盖了全省各乡镇，经一年来与水文测报系统对照使用，发现相邻地点两套系统所观测雨量数据差别较大，这个问题有待进一步与气象部门共同研究解决，如能较好地解决这个问题，可直接将气象部门自动观测数据导入水库水文测报系统数据库，这样相当于加密了水文自动测报网点，达到提高雨量监测精度和增加系统可靠性的目的。

（2）软件方面。

①对涔水全流域降雨、产流、汇流模型进行研究，建立起一套覆盖涔、澹水全流域的洪水实时预报模型，编制水库优化调度软件，充分发挥水库调洪作用和下游河道、北民湖调蓄能力，对下游进行补偿调节，保证水库及下游堤防安全。这项工作的难度最大，主要原因是水库下游的涔、澹水流域（包括澧阳平原）布设的水文网点少，缺乏实时观测资料。现在涔、澹水下游常德水文局雨量网点只有澹水中和铺站和涔水流彭家厂，澧阳平原雨量站点只有有澧县站（2008年新建）、津市站，历史上还有张公庙、樟柳河站。澧县水利局涔、澹水流域各乡镇水利站有汛期雨量或水位观测资料，但这些资料精度和完整性较差，也没经过系统整编，观测人员水平也参差不齐，参考作用有限。为彻底搞清涔、澹水下游水雨情及产汇流情况，还有很多工作要做，但不管怎样，这项工作必须尽早着手。

②为消减库容误差引起的系统误差，王家厂水库库容测量在所难免，越早完成越好，这项工作没有技术屏障，但工作量很大。为避免库容计算环节和水位观测环节误差造成的入库洪水误差，入库洪水过程线推算建议将公式进行如下变形后采用。

先将水量平衡公式Q入=Q出+（V末-V初）/Δt+Q损进行如下变换：

在Δt取值较小时，忽略Q损的影响，再将上式进一步变换为：

式中ω（z）——水库在某一水位时的水面积（直接由水位～面积图表查得）；

tg（β）——水位～时间变化曲线（水库站水位自记纸上的曲线）的导数；

k——常数（由于自记纸采用时间、水位与流量单位不统一，故在此加入转换系数）。

如需推求某时刻入库流量，先在库水位自记记录纸上查得相应点瞬时水位，再查得曲线在该点切线与水平线的角度，求得正切值，直接代入上式计算瞬时入库流量。经笔者实际采用2009年4月19日的王家厂水库水位自记曲线进行入库流量推算，发现这种方法有如下好处：避免由于库水位～库容关系误差对入库流量造成的系统误差；避免由于水位观测误差（如观测错误、水位记录以整厘米为单位造成的影响等）带来的偶然误差；避免了人为规定Δt对洪峰分割造成不利影响（坦化）；可求出水库任何时刻的瞬时入库流量，不受Δt取值制约；求得的入库流量曲线连续，不会出现因Δt取值不同造成推算出的入库流量过程线产生变异，流量过程线上也不会有负值、锯齿波等情况出现。

③软件尽量做到与上级防汛部门和水文部门软件相互兼容，便于自动上传、下载水文数据，避免重复建设，减少工程投资和维护成本。

与专业软件公司合作开发应用软件，人机界面与Windows相似，按键功能设置尽量与Windows一致，便于不太熟悉的人员也可尽快熟悉操作。软件编制完成后，请专业公司对软件系统的稳定性和可靠性进行评测，提高软件系统运行的可靠性。

④预报方案模型参数尽量采用所有发生过的典型降雨径流资料，而不仅采用1980～1992年12年资料作为评定期模型参数率定资料，预报方案检验资料采用系列也应相应延长，以提高洪水预报精度。

（3）管理方面。

管理是一个重要因素，是保障整个系统正常工作的重要条件，由于整套设备属于专用设备，涉及专业多，故障判断处理难，一般人员很难维修，只能作简单维护处理，这方面还有待厂家和水库管理处共同解决，一方面加强人员培训力度，提高管理人员技术水平，加强工作责任心；另一方面加大资金投入，保证设备完好，与设备制造厂家和软件编制单位签订长期服务协议，对设备搞好跟踪服务，对软件定期升级，保证系统高效运行。

4 结语

王家厂水库是一座以灌溉、防洪为主，兼顾发电、养鱼等综合利用的大（Ⅱ）型水库，每年平均为澧阳平原提供灌溉水1亿m3，灌溉农田面积2.67万hm2（40万亩），在预留0.51亿m3防洪库容条件下，能将20年一遇洪水（最大流量1 710 m3/s）按107 m3/s下泄，是淞澧大圈重要防洪工程，是事关澧县人民生命财产安全和保证澧县经济发展的重要民生工程，社会效益巨大。随着澧县经济社会发展，科学防洪对我们工作提出了更高的要求，覆盖涔水全流域洪水调度系统是王家厂水库抵御洪水不可缺少的辅助决策工具，系统升级换代迫在眉睫。