田兆伟,刘金凤,张 炜,宋利祥,解河海

(1.广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516003;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广州 510610)

1 概述

西枝江流域地处亚热带季风气候区，上游为广东三大山脉之一的莲花山脉。由于特殊地形地貌及气候特点，西枝江历来是一个洪涝灾害频发的地区。2013年8月，流域暴雨中心高潭站最大24 h降雨达到906.0 mm；仅仅时隔5 a，2018年8月，流域暴雨中心高潭站最大24 h降雨达到1 056.7 mm，不仅打破2013年8月最大暴雨记录，更是刷新了广东省有气象记录以来最大24 h降雨的记录，暴雨洪水严重威胁两岸人民群众的生命财产安全。传统洪水预报结果往往只是某个水文站点某个时刻的水位、流量值，也未能与流域水工程调度有机结合，不能较好地将整条河流的洪水演进及淹没过程快速、直观、形象、动态的展示出来，防汛决策技术支持有明显短板，一套集洪水预报、调度、演进于一体的西枝江流域实时洪水预报系统亟需建设。

2 西枝江流域概况

西枝江是东江第二大支流，发源于惠东县宝口镇左坑村，流经惠东县、惠阳和惠城区，在惠城区东新桥汇入东江。流域面积为4 120 km2，河长为179 km，流域内大于100 km2以上的支流有10条，有宝溪水、安墩水、白花河、淡水河等。流域上游建有1座大型水库——白盆珠水库，总库容为12.2亿m3，控制集水面积为856 km2，占整个流域的20.7%，是西枝江流域的控制性水利工程。流域中游平山县城下游附近建有西枝江水利枢纽，为径流式电站，正常运行水位为16.5 m。西枝江流域目前有26个雨量站，10个水文(位)站。西枝江流域河流水系、主要水利工程、水文站点分布见图1所示。

图1 西枝江流域水系测站分布示意

3 技术路线

首先，利用流域DEM、防洪保护区内1∶10 000地形图及1∶2 000河道地形图等提取流域河流水系、划分分布式预报模型网格、防洪保护区二维水动力模型计算网格、一维水动力模型河道剖面等，构建数字西枝江。其次，接入实时降雨数据和QPF降雨数值预报结果，实现水文气象数据耦合输入[1-2]。然后，构建了基于新安江、TOPMODLE和神经网络等多种计算方法的洪水预报模块，各模型计算结果经交互确认后，作为水库调度模型和河道演进模型输入。水库调度根据“13.8”和“18.8”调度经验，分为规则调度、水位控制调度和下泄流量控制调度3种方式，经统筹上、下游和水库自身三方安全后，确定水库出库调度方案，并作为河道演进的上边界。河道演进以水库出库、支流洪水预报及东江干流岭下、博罗站为边界，构建了白盆珠水库坝下～西枝江口的一维水动力模型；两岸100年一遇洪水位加5 m裕度划分保护区内的二维水动力模型网格，一维、二维模型通过耦合边界的水力连接条件来实现模型联解，二维模型还采用了GPU并行高速计算技术，实现了洪水演进淹没的快速实时模拟。最后，结合无人机实景三维数据，实现了重点区域的淹没模拟可视化。预报调度演进一体化技术路线示意见图2，西枝江流域模型构建主要节点示意见图3。

图2 西枝江流域预报调度演进一体化技术路线示意

图3 西枝江流域预报调度演进建模节点示意

4 洪水预报

洪水预报模块引入概率预报理念，除实时监测数据外，还接入了欧洲中心、日本、广东省气象局等多个气象数值预报结果，实现了多源数据输入、水文气象数据有机耦合；构建了新安江、TOPMODLE、基于地形指数的分布式、基于神经网络的人工智能等多个模型库和方案库，实现了多模型、多方案的计算模拟[3-4]。专家交互模块则可供专家根据洪水实时数据、各模型优缺点和适用性、历史相似洪水特点及专家经验等对计算结果进行交互修正和验证，并给出最终预报结果。流域内九洲水文站、白盆珠水库水文站有多年历史资料，可用于模型参数的率定，白花河、楼下水等支流无水文观测站，区间来水预报模型采用九洲站参数移植方法进行计算。经率定，九洲、白盆珠水库新安江和TOPMODLE模型预报方案基本可以达到乙级精度，可用于洪水作业预报，分布式和神经网络模型方案达到丙级，可用于参考预报。九洲、白盆珠水库新安江和TOPMODLE方案率定见表1所示。

表1 九洲、白盆珠水库站预报方案误差分析统计

5 水库调度

水库调度核心是进行水库洪水的调洪计算，即在入库洪水过程、库容曲线、泄洪建筑物的形式尺寸确定的条件下，推求下泄流量过程和库水位过程。本次水库调度融入了“2013.08”和“2018.08”两场特大暴雨洪水的调度经验，开发了规则调度、库水位控制、下泄流量控制等3种调度计算模型[5-8]。

规则调度是根据水库建设时的防洪、供水[9]等目标，按照设计洪水计算所确定的一套调度规则，随着经济社会发展，水库功能或者上下游的保护对象可能发生变化，当时的调度规则可能不适用现实情况，或者是理论调度规则过于复杂，现实操作可行性较差。

水位控制是给定调度期内入库洪水过程、水库始水位和调洪过程中水位上下限，在考虑各种约束条件下，确定水库的洪水调度过程，使得水库各时段水位尽量满足给定的上下限。一般适用于流域暴雨中心在上游时，上游防洪保护对象压力大，以上游水位为主要控制目标进行调洪演算。

下泄流量控制是给定调度期内入库洪水过程、水库始水位和调洪过程中出库流量上下限，在考虑各种约束条件下，确定水库的洪水调度过程，使得水库各时段出库流量尽量满足给定的上下限要求。当暴雨中心在下游时，在保证大坝安全前提下，以下游防洪安全泄量为目标，尽量减小淹没损失，将各时段水库出库流量控制在一定的范围内。

调度模型还将入库洪峰、入库总水量、最高库水位、最大出库流量、总出库水量、拦蓄水量、削峰率等特征值进行了实时统计计算，大大提高了防洪调度决策是效率。水库调度界面见图4所示。

图4 系统水库调度示意

6 洪水演进

为考虑东江洪水对西枝江洪水的顶托作用[10]，本次对东江干流(岭下站至博罗站)及西枝江干流(白盆珠水库大坝～河口)进行整体一维水动力建模[11-12]，对西枝江干流两岸防洪保护区进行二维水动力建模[13]。东江干流及西枝江干流整体一维水动力模型与防洪保护区二维水动力模型通过堤岸进行耦合，模拟河道洪水及溃堤、漫堤洪水演进过程[14]。

一维水动力模型以水库调度模块的白盆珠水库出库流量过程和东江干流岭下站流量过程为上边界；以博罗站流量过程为下边界；以西枝江水利枢纽和东江水利枢纽为内边界。西枝江支流小沥河、安墩水、楼下河、碧山河、白花河、梁化河、淡水河等支流的洪水预报模块计算结果为区间输入。根据西枝江干流和东江干流实测地形资料，确定河道左、右岸边界，并以此为界按照与河道主流垂直的方向进行河道断面划分。一维水动力模型共概化河道河长约160 km，剖分断面388个，断面间距50～500 m不等。

由于西枝江干流河段较长，为进一步提高模型的计算精度，加强模型的人机交互，本次还构建了以平山为界的分段一维模型，平山站有实测水位、流量过程，有相对成熟预报方案，以其水位、流量为控制边界，可靠程度会进一步提高，并可加强对模型的人工交互校正。一维水动力模型断面布置示意见图5。

图5 一维水动力模型断面剖分示意

二维模型范围为白盆珠水库坝下至河口两侧防洪保护区，按河道堤防或天然河岸、以及100年一遇洪水位加上5 m裕度的地形等高线为界，包括惠东县多祝镇、平山街道、白花镇、平潭围、马安围、惠州大堤南堤防洪保护区等，模型范围面积为787 km2。模型网格按防洪重点关注河段50 m进行控制，其他河段按80 m控制，保护区外延边界按250 m控制，用三角形进行网格剖分，共计划分97 660个单元、51 083个网格节点。网格最小面积为0.000 7 km2，最小边长为28 m；网格最大面积为0.04 km2，平均面积为0.008 km2。通过GPU并行计算技术，西枝江流域6天洪水过程计算时间可在15 min内完成。

以“08.6”、“13.8”、“18.8”3场洪水的岭下、博罗、白盆珠水库出库实测资料为边界，根据实测降雨和预报模型计算安墩水、楼下河、白花河、淡水河等支流来水，以干流多祝、平山、平潭站为控制站，对一维模型进行率定。由图6和图7可知，计算值与实测值基本吻合，其中起涨和退水末段由于受西枝江水利枢纽和东江水利枢纽控制调节影响，精度稍差。“18.8”洪水二维模拟淹没示意见图8，白花镇淹没范围、水深与洪水调查结果基本吻合。

图6 平山站“08.6”洪水计算与实测水位、流量过程线示意

图7 平山站“13.8”洪水计算与实测流量过程线示意

图8 白花河“18.8”洪水计算淹没示意

7 三维淹没实景模拟技术

本系统对西枝江沿岸城镇进行了无人机倾斜摄影三维建模，并结合洪水二维水动力模型计算结果，进行洪水淹没的三维可视化模拟，大大提高了洪水淹没展示的可视化程度。洪水淹没三维示意见图9。

图9 洪水淹没三维示意

8 结语

西枝江流域实时洪水预报系统融入了多源数据输入、气象水文耦合及集合预报等理念，基于无人机倾斜摄影、GIS及GPU并行计算等先进技术，构建了集洪水预报、调度、演进于一体的流域实时洪水预报技术体系。系统提高了流域洪水预报精度，实现了河道洪水演进实时模拟、自动圈化洪水危险区、淹没三维实景模拟等功能，流域防汛抢险决策可视化、自动化等技术水平显著提高，为“四预”和“数字孪生流域”建设奠定了良好的基础。西枝江流域规模适中，流域内既有大型综合性水利枢纽工程、有人工干预的影响，又有相对开发程度不是太高的天然下垫面状态，代表性强，基于其建设的预报、调度、演进一体化的实时洪水预报技术体系具有较好的推广应用价值。