基于致洪暴雨预报的三峡水库洪水预估系统及试验评估*

金 琪，王继竹，高 琦，孟英杰，陈良华

(1.长江流域气象中心，湖北武汉430074;2.三峡梯调通信中心，湖北宜昌443133)

基于致洪暴雨预报的三峡水库洪水预估系统及试验评估*

金 琪1，王继竹1，高 琦1，孟英杰1，陈良华2

(1.长江流域气象中心，湖北武汉430074;2.三峡梯调通信中心，湖北宜昌443133)

介绍了一种基于致洪暴雨预报，结合水文控制站水位、流量信息，运用多元统计回归模型开展的三峡水库洪水程度分级预估的方法。通过历史回代和2010、2011年预估试验应用表明:该预估系统稳定可靠，适用于三峡水库洪水程度预估，对三峡上游暴雨引发的洪水程度能进行准确的预估，而且对三峡上游支流的暴雨洪水预测也有一定的预见性。应用该系统三峡水库的洪水预见期可达3 d以上，能为防汛决策和三峡水库防洪调度赢得时间。

致洪暴雨;洪水程度;预估系统;三峡水库

1900年来，随着生态环境的迅速恶化，长江流域的洪涝灾害更加频繁。随着经济的发展，特大洪水所造成的经济损失也在不断增加［1－3］。如1990年代长江流域相继发生了5次洪水，特别是1998年的洪水，受灾面积达2 120万hm2，直接经济损失达1 700多亿元［3］。2010年长江上游出现超1998年的罕见洪峰，其重要支流嘉陵江、岷江、沱江、汉江进入21世纪以来也频繁出现洪涝灾害。

图1 三峡水库上游六大流域分布

本文所指的三峡水库上游流域范围大致为99°～111.2°E、26°～35°N，主要包括岷沱江、嘉陵江、乌江、宜宾－重庆、重庆－万州、万州－宜昌等长江上游六大流域(图1)。上述流域分布在四川、贵州、湖北省及重庆市境内，地形、地貌十分复杂，天气变化剧烈，暴雨频繁易使长江成为一条雨洪河流，从而形成全流域或区域性洪水，严重影响三峡库区调度及中下游防汛［4－5］。大型江河的洪水预报主要由流域降水径流预报和河道洪水预报组成，而洪水的发生主要还是由于强降水所造成，两者之间存在直接的因果关系［6］。因此，文中应用气象部门的致洪暴雨实况和预报，结合长江上游重要水文控制站的水位、流量资料，建立了基于面雨量的三峡水库及上游支流洪水程度分级预估模型，开展了洪水程度预估试验和评估，试验结果在2010、2011年长江流域气象防汛决策服务中起到了很好的技术支撑和应用。

1 洪水预估方程的建立

1.1 资料的计算与整理

1.1.1 面雨量的计算

面雨量表示一定区域内或范围的平均降水量，能较客观地反映整个区域的降水情况。面雨量计算和预报是各级政府组织防汛抗洪以及水库调度等决策的重要依据，也是水利部门洪水预报非常重要的参数，是气象部门开展水文气象服务的重要内容。面雨量可表示为:式中:为面雨量;A为特定区域的面积;P为有限元dA上的雨量。面雨量的计算方法主要有泰森多边形法、算术平均法、等雨量线法、逐步订正格点法等，其中算术平均法因为简便易行，适用于测站多且分布较为均匀的流域，应用十分广泛，其数学表达式是:式中:n为总站数;Pi为各站雨量。秦承平等人［7］利用算术平均法对长江上游干流及各主要支流面雨量进行过探讨，结果表明对气象测站分布比较均匀、雨量资料较为齐全的三峡区间来说，算术平均法简单易行。

结合前人的研究成果［8－9］，选择算术平均法并利用气象部门1971－2009年气象站点逐日24 h雨量实况资料，计算并整理出岷沱江、嘉陵江、乌江、宜宾－重庆、重庆－万州、万州－宜昌等长江上游六大流域逐日面雨量，其中各流域代表站点遵循气象部门《全国七大江河流域面雨量预报业务规定》执行。

1.1.2 水文资料的整理

针对岷沱江、嘉陵江、乌江、宜宾 －重庆、重庆－万州、万州－宜昌六大流域，结合长江流域水文站的分布，分别选取高场、北碚、武隆、寸滩、万州、宜昌水文站作为上述流域的控制站;利用《中华人民共和国水文年鉴》资料，整理1971－2009年上述流域控制站逐日水位、流量数据。其中由于三峡水库从2006年开始蓄水，宜昌水文站流量、水位变化与三峡水库调蓄密切相关。因此，2006年以后宜昌水文资料改为三峡水库水位、入库流量。

1.2 洪水预估方程的建立

1.2.1 预报因子初选

研究分析发现，长江上游致洪暴雨有一定的规律性［6，10］，其主要发生在6月下旬到8月下旬，且长江上游洪涝一般由大面积暴雨造成，过程持续时间一般在3 d以上。因此本文普查长江上游六大流域6－8月逐日面雨量，同时结合前人长江上游六大流域面雨量特征分析成果［8－10］，选取上述流域历史上主要致洪暴雨过程，其标准如下:岷沱江3 d面雨量≥50 mm，嘉陵江3 d面雨量≥50 mm，乌江3 d面雨量≥50mm，宜宾－重庆3 d面雨量≥60 mm，重庆－万州3 d面雨量≥60mm，万州－宜昌3 d面雨量≥60 mm。采取3 d前后滑动法筛选出暴雨过程，初步建立各流域预报因子序列:岷沱江流域67次、嘉陵江流域68次、乌江流域73次、宜宾－重庆45次、重庆－万州61次，万州－宜昌79次。

由于流量与水位有很好的相关性，且水位的高低也能反映水势的大小，因此本文也引入水位作为预报因子。针对上述个例流域暴雨过程，选取三天内各流域控制站最低水位建立相应的因子序列。

流域径流系数也是表征雨洪关系的重要因子之一，但由于该系数历史数据缺乏，因此选取暴雨发生前7 d面雨量之和表征流域土壤饱和程度，即径流系数，从而组成各流域致洪暴雨过程的第三组预报因子序列。

1.2.2 预报量的建立

本文研究的对象是暴雨产生的洪水，而暴雨到洪峰形成往往有一定时间的滞后，因此统计各流域暴雨过程中及其结束后7 d内流域控制站最大流量和最小流量，二者之差认为是该场暴雨过程产生的净流量，从而分别建立预报量序列。由于研究的是暴雨引发的洪水，而因为流域水库等人工干预影响，有少数个例在暴雨发生后控制站流量增量不明显，因此上述个例不参与方程建模。又由于三峡大坝蓄水后万州水文站水位、流量受三峡水库的蓄放水影响，流量无明显的变化规律，因此放弃万州流量预估，改将重庆－万州、万州－宜昌合并为重庆—宜昌流域进行预估。经筛选后各流域建模个例数分别为:岷沱江流域64次、嘉陵江流域61次、乌江流域67次、宜宾－重庆29次、重庆－宜昌42次。

1.2.3 建立方程

利用MATLAB，建立各流域净流量与面雨量等预报因子之间的多元一次回归预报模型(表1)。通过对各个流域暴雨致洪历史个例进行回代，洪峰预估的拟合平均相对误差低于20%，其中重庆－万州区间最低为13.61%。

表1 三峡水库上游主要流域净流量回归预测方程

上述流域或区间流量汇集构成三峡水库入库流量，则其计算式为:

式中:Q高场、Q北碚、Q武隆、Q宜宾分别为岷沱江控制站高场、嘉陵江控制站北碚、乌江控制站武隆及干流宜宾站暴雨前初始流量。由于各流域洪峰到宜昌传播时间各有不同，经调研三峡水库调度部门，结合气象部门面雨量预报的时空分辨率，式(3)分别按照岷沱江前48 h流量预估、嘉陵江、乌江前24 h流量预估、宜宾－重庆前24 h流量增量、重庆－宜昌当日流量增量及宜宾前48 h流量代入计算。

由于本文预估研究的主要对象是三峡水库入库洪水程度，经普查长江上流历史洪峰资料，结合相关文献［11－14］及水文部门的标准，制定以下标准对洪水进行分级(表2)。通过上述模型计算后，按照表2开展三峡水库入库洪水预估，为决策服务提供参考。

表2 三峡水库暴雨洪水程度分级

2 洪水预估方程的检验及评估

2010年汛期长江流域中上游发生大范围洪水，其中嘉陵江、岷沱江及上游干流由于强降水过程频繁，多次引起支流及干流出现超警戒水位洪水，三峡水库出现三次洪峰超50 000 m3/s的大洪水，特别是三峡水库出现建库以来最大洪水，入库峰值高达70 000 m3/s。2011年尽管长江流域降水总体偏少，水势平稳，但上游嘉陵江、乌江等支流均发生明显洪水，引起三峡水库出现两次较大洪峰。针对近两年三峡水库出现的五次明显洪峰及其主要支流发生的洪水，对洪水预估方程进行评估及预报试验。

2.1 预估方程的检验

应用面雨量实况数据和水文资料，针对2010、2011年三峡水库上游五次暴雨引起的洪峰及支流洪水，对预估方程的可靠性进行检验评估，表3所示为检验对比结果。通过检验对比可以发现:利用面雨量实况和水文数据演算的洪峰与实况相比基本吻合，2010、2011年三峡水库的5次洪水过程中，有4次与实况完全一致，1次预估程度大于实况，但相差仅一个量级。进一步分析流量预测的相对误差，5次洪水过程预测的相对误差均小于10%，最大为8.9%，最小为1.8%，特别是2010年7月20日三峡建库以来的最大洪峰，其等级和流量预估结果与实况均十分接近。此外，三峡水库洪水预估的中间结果－上游各子流域洪峰估算，与实况对比也表明，预估方程能准确地对各支流洪峰过程进行预估。

表3 2010－2011年三峡水库及上游支流暴雨洪水历史个例检验

虽然洪水估算与洪水实况接近，但也存在一定误差。由于造成洪锋误差有很多方面原因，比如上游水库、水利工程的人为调度，各支流洪水传播时间估算较为粗略，从降水到形成径流与流域的植被、地形走势及环境关系密切，而上述因子也未进行详尽考虑。尽管误差存在，但由于该系统仅开展洪水程度的预估，并不针对洪峰流量做出具体预报。通过检验对比，其程度估算准确可信，因此利用气象部门的面雨量和水文部门的水位数据建立的三峡水库洪水预估系统是可靠的，其结果可为水文气象决策服务提供参考。

2.2 预估试验及评估

前文利用面雨量实况数据对预估方程的可靠性进行了评估。在实际应用中，使用武汉中心气象台逐日面雨量预报数据开展2010、2011年预估试验及应用评估。

表4所示为2010－2011年三峡水库及上游支流暴雨洪水预估试验结果，可以发现利用面雨量预报对三峡水库近两年洪水程度开展预估，其对三峡上游暴雨引发的洪水能起到明显的预报作用，5次洪峰中有3次洪水等级与预报完全一致，对2010年7月20日出现的70 000 m3/s特大洪峰做出的预测相对误差仅为4.2%。而且另外2次洪水预测只相差1个等级，对于洪水的发生也有十分强的预见性。同样可见，运用面雨量预报制作三峡上游支流的洪水预测也有一定的参考性。

表4 2010－2011年三峡水库及上游支流暴雨洪水预估试验

值得指出的是，面雨量预报与实况存在一定的误差，可导致洪水程度预估误差变大。但从业务试验的结果来看，尽管预报与实况有所误差，但洪水程度预估与实况基本一致，能准确地把握暴雨引发的洪水过程，包括2010年7月28日、2011年9月21日两次洪水过程中虽然由于岷沱江、嘉陵江面雨量预报与实况相比偏小，导致洪水程度预估出现偏差，但由于把握住致洪暴雨过程的定性预报，因此预估结果仍反映出洪水的发生、发展趋势。

由于预估方程是基于三峡上游各支流或区间致洪暴雨预报基础上的，因此一旦某个支流或区域达到前文所述的面雨量标准，则启动该模型开展预估，且实际应用中随着预报时效的不断临近，面雨量预报误差不断减小，洪水预估程度越接近实况。

2.3 应用概述

从降水落下到形成径流并构成洪水，往往有所滞后，且有一定的传播时间，因此三峡上游支流或区间的暴雨不会立即在三峡水库产生洪水。研究和前文的历史过程普查表明，三峡上游致洪暴雨是由连续、集中的长历时、大面积的强降水造成的，在气象上是多种天气尺度系统综合影响的结果，具有明显的天气特征、环流特征及演变规律［4，10，15］。对此类致洪暴雨的天气影响系统及预报时效分析表明［16－19］:3 d内能做出较为准确的定量预报，7 d内能对致洪暴雨过程做出较为明确的趋势预报。由于降水形成的洪峰传播到宜昌一般滞后1～3 d。因此，在致洪暴雨过程预报准确的基础上，三峡水库的洪水预见期将达到3～5 d以上。

2010年、2011年长江流域气象中心在三峡上游连续性暴雨预报基础上，利用洪水程度预估系统，开展了洪水程度预估试验，试验结果为气象决策服务提供了直接参考，特别是在2010年7月20日迎战1998年以来长江上游最大洪峰降水预报服务中，先后发布《长江流域重要气象报告》3期，在14日指出“三峡库区上游可能形成一次较大洪水”，18日更是明确指出“将出现今年以来三峡库区最大洪水”，为防汛决策和三峡水库防洪调度提供了气象依据。

图2 2010－2011年三峡水库5次洪水过程曲线

需要指出的是，三峡洪水程度预估对象是长江上游主要支流和区间，均是长江三级以上支流，其径流和洪峰远远大于1 000m3/s以上，因此预估的误差对洪水程度影响不大，但其方法是否适用于一般河流值得进一步分析。另外，从历史普查近两年三峡水库5次洪水过程线可看出(图2)，暴雨引起的洪水涨幅明显，往往具有波动大、峰值高的特点，与暴雨过程有很好的一致性。因此，一旦致洪暴雨预报准确，洪水预估方程对于三峡水库这类大型洪水的预见性有很大的参考价值，在水文气象决策服务中能有效延长洪水预见期，从而为防洪调度赢得时间。在此基础上，进一步加强精细化雨量预报和水文模型的仿真模拟，可为水利部门防洪错峰调度和洪水资源化利用提供参考。

3 结论

本文基于致洪暴雨实况和预报，结合长江上游支流或区域重要水文控制站的水位、流量资料，介绍了一种三峡水库洪水程度分级预估模型建立方法及其试验评估，旨在探索一条预测意义明确、解决问题方便的技术方法，主要结论如下。

(1)历史回代检验证明该预估方程能准确对三峡水库洪水程度进行准确估算，估算结果稳定可靠。

(2)2010、2011年预估试验表明，该预估方程对三峡上游暴雨引发的洪水能起到明显的预报作用，5次洪峰中有3次洪水等级与预报完全一致，2次与预测相差1个等级。预估系统对三峡上游支流的暴雨洪水预测也有一定的预见性。

(3)面雨量预报与实况存在误差，但试验表明误差对三峡水库洪水程度预估影响不大，可通过滚动预报，缩小误差，提高洪水程度预估精度。

(4)应用三峡水库洪水预估系统，三峡水库的洪水预见期可达3 d以上，能为防汛决策和三峡水库防洪调度赢得时间。

(5)该方法适用于三峡水库这类大型河流或区间的洪水程度预估，对一般河流的应用性需进一步分析。

由于该方法只是基于面雨量预报和少量水位数据建立的洪水程度预估方程，对洪峰传播、径流、土壤含水量等与洪水有较大关系的因素考虑较少，因此只能对洪水程度进行预估。开展精细的流量、水位预报，需要更为准确、定时、定量的雨量预报和水文－气象耦合模型应用研究，要求气象、水文部门进一步加强资料共享，实现优势互补，从而为防洪调度和洪水资源化利用提供支撑。

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Flood Prediction System of Three Gorges Reservoir Based on Heavy Rains Forecast and Its Evaluation

Jin Qi1，Wang Jizhu1，Gao Qi1，Meng Yingjie1and Chen Lianghua2
(1．Meteorological Center of the Yangtze River，Wuhan 430074，China;2．Dispatch and Communication Center of Three Gorges Reservoir，Yichang 443133，China)

This paper introduces amethod for the flood level evaluation of Three Gorges Reservoir based on the heavy rains forecast and themultivariate statistics regression，using the data of hydrological control station water level and flow．The system runs stably with historical data backtracking and the evaluation tests of2010 and 2011，applies to the flood level evaluation，canmake a accurately forecast of upstream Three Gorges heavy rains and have a certain predictability for flood of upstream Three Gorges branches．The system foreseeable period can be brought forward about three days and give more time for the decision making of flood control and the operations of Three Gorges Reservoir．

the flood-resulting rainstorm;the flood degree;evaluation system;Three Gorges Reservoir

P45

A

1000－811X(2012)03－0054－05

2011－12－28

2012－02－24

中国气象局2011年城市气象防灾减灾专项“长江流域水文气象服务试点”

金琪(1978－)，男，湖北武汉人，高级工程师，从事流域水文气象预报与服务．E-mail:jin_qi@21cn．com