浩口水電站施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 北部新區(qū)，401120)

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))是利用遙測(cè)、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，完成流域或測(cè)區(qū)內(nèi)水文、汛情、工情等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理，為工程防洪、興利、優(yōu)化調(diào)度提供服務(wù)的自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地采集、傳輸、處理流域內(nèi)的水雨情信息，并及時(shí)作出準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)；能有效提高洪水預(yù)報(bào)精度，增長(zhǎng)預(yù)見期；是確保水電工程安全度汛和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要非工程措施，已在國(guó)內(nèi)外水利水電工程施工和運(yùn)行中得到廣泛運(yùn)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工程基本情況

芙蓉江流域位于貴州高原東北邊緣，下游接近四川盆地。發(fā)源于貴州省遵義市綏陽(yáng)縣黃枧鄉(xiāng)，自南向北流經(jīng)正安、道真兩縣后進(jìn)入重慶市彭水縣和武隆縣境內(nèi)，于武隆的江口鎮(zhèn)匯入烏江。干流全長(zhǎng)233.7km，河床平均比降4.81‰，全流域面積7886km2。

浩口電站位于武隆縣浩口鄉(xiāng)浩口村，為芙蓉江干流(小河口～江口)梯級(jí)開發(fā)中的第11級(jí)，主要任務(wù)是發(fā)電。樞紐工程距下游江口電站約23km，距武隆縣城32km。壩址處控制集水面積7400km2，占全流域面積的93.8%，電站裝機(jī)容量13.5萬(wàn)kW，調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié)。

角木塘水電站位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省遵義市道真仡佬族苗族自治縣境內(nèi)忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪，上銜官莊電站，下接浩口電站。該電站為河床式電站，距上游官莊電站廠址約15km，距下游浩口電站約20km，壩址在角木塘大橋下游約2.3km處芙蓉江河段上。壩址以上控制流域集水面積6886km2，占芙蓉江全流域面積(貴州省境內(nèi))的87.3%，電站裝機(jī)容量7萬(wàn)kW，調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié)。

由于浩口水電站和角木塘水電站為同一業(yè)主，基本上同步施工建設(shè)，且為上下游關(guān)系，因此，浩口水電站施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)覆蓋角木塘水電站，一并實(shí)施。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 現(xiàn)有測(cè)站基本情況

由于芙蓉江上游已經(jīng)建成多個(gè)水電站，目前，上游距離浩口及角木塘梯級(jí)水電站最近的魚塘水電站具有周調(diào)節(jié)性能，具有調(diào)節(jié)洪水的能力，在魚塘電站壩址以上流域沒(méi)有必要再布設(shè)遙測(cè)站點(diǎn)。因此，為滿足各梯級(jí)工程施工、運(yùn)行和流域梯級(jí)調(diào)度對(duì)水情預(yù)報(bào)預(yù)見期的要求，本測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬在魚塘電站至浩口電站壩址區(qū)間，測(cè)報(bào)面積為2065km2。

目前本次測(cè)報(bào)系統(tǒng)范圍內(nèi)，在芙蓉江流域建設(shè)有五家院子、長(zhǎng)壩等國(guó)家基本水文站，同時(shí)下游江口水電站建設(shè)有浩口水文站，在整個(gè)芙蓉江流域建設(shè)有17個(gè)遙測(cè)雨量站，在測(cè)報(bào)系統(tǒng)范圍內(nèi)有5個(gè)遙測(cè)雨量站。其中長(zhǎng)壩水文站在電站完工后將會(huì)被淹沒(méi)，五家院子水文站將受到角木塘回水影響。浩口水文站處于浩口水電站壩址處，在電站開工后拆除。

2.2 測(cè)站布設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)功能、流域河系情況、降雨洪水特性、現(xiàn)有測(cè)站分布情況、支流的梯級(jí)布設(shè)情況，以及測(cè)站交通環(huán)境條件，進(jìn)行浩口水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)布設(shè)。站網(wǎng)布設(shè)遵循以下基本原則：

(1)遙測(cè)站網(wǎng)應(yīng)滿足洪水預(yù)報(bào)要求，應(yīng)同時(shí)充分考慮電站施工期和運(yùn)行期洪水預(yù)報(bào)調(diào)度的要求；

(2)雨量站網(wǎng)密度應(yīng)能較好地控制流域內(nèi)降水的時(shí)空分布情況，分布基本均勻；

(3)充分考慮山脈、高程等對(duì)降水時(shí)空分布的影響，便于通信組網(wǎng)；

(4)庫(kù)區(qū)測(cè)站應(yīng)不受水庫(kù)淹沒(méi)或回水影響，重要河段應(yīng)有水文、水位站控制；

(5)應(yīng)符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、《水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》及《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)范、規(guī)程及規(guī)定；

(6)測(cè)站盡可能設(shè)在交通、生活方便的地方，便于建設(shè)和維護(hù)管理。

另外，站網(wǎng)兼顧系統(tǒng)施工期和運(yùn)行期各自的特點(diǎn)和需要進(jìn)行布設(shè)，力爭(zhēng)測(cè)站建設(shè)一次到位，節(jié)約投資。

根據(jù)以上水文站網(wǎng)布設(shè)原則，結(jié)合系統(tǒng)測(cè)報(bào)范圍論證結(jié)果，兼顧施工期和運(yùn)行期，施工期水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)共建立了1個(gè)中心站(浩口)；5座雨量站，分別為大矸、三橋、梅江、洛龍、濯水雨量站；2座水文站：五家院子、魚塘水文站；2座水位雨量站：浩口導(dǎo)流洞、角木塘導(dǎo)流洞水位雨量站；2016年3月，增設(shè)魚塘出庫(kù)水位站1座。

2.3 水情預(yù)報(bào)方案

浩口、角木塘水電站施工期洪水預(yù)報(bào)斷面包括：角木塘電站壩址、浩口電站壩址2個(gè)斷面。

根據(jù)芙蓉江流域徑流、暴雨洪水特性、流域開發(fā)情況以及梯級(jí)電站運(yùn)行及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的需要，施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)洪水期水情預(yù)報(bào)方案，宜采用河系預(yù)報(bào)和降雨徑流預(yù)報(bào)(施工期采用API模型)相結(jié)合的方法，由于各個(gè)斷面均設(shè)立了水位雨量站，河系預(yù)報(bào)精度較高。

但是對(duì)于角木塘電站，根據(jù)洪水傳播時(shí)間和降雨徑流預(yù)報(bào)初步分析，魚塘電站至角木塘洪水傳播時(shí)間較短(1h～3h)、區(qū)間(含梅江支流)產(chǎn)匯流至洪峰出現(xiàn)時(shí)間也較短(1h左右)，對(duì)施工期洪水預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)預(yù)見期較短。區(qū)間預(yù)見期根據(jù)流域特性已經(jīng)固定，因此，對(duì)于施工期安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)，必須時(shí)刻關(guān)注天氣預(yù)報(bào)以及實(shí)時(shí)降雨和水位變化，做好趨勢(shì)預(yù)報(bào)，同時(shí)關(guān)注雨量和水位預(yù)警指標(biāo)。

2.3.1 角木塘壩址預(yù)報(bào)方案

(1)常規(guī)方案

魚塘電站出庫(kù)至角木塘電站區(qū)間有較大支流梅江匯入，角木塘電站入庫(kù)洪水由兩部分組成：魚塘電站出庫(kù)流量，區(qū)間流量(含梅江流域)。

角木塘水電站壩址流量預(yù)報(bào)方案：由魚塘出庫(kù)和五家院子流量經(jīng)河系預(yù)報(bào)演算至角木塘壩址，同時(shí)疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量。

Qt+τ=f(Q五家院子t，Q魚塘t，P區(qū)t)

式中：Q——預(yù)報(bào)流量；

f——預(yù)報(bào)函數(shù)；

t——時(shí)間；

τ——相應(yīng)的預(yù)見期，

P區(qū)——區(qū)間降雨徑流量。下標(biāo)漢字為相應(yīng)的斷面名稱。

角木塘電站預(yù)見期較短，由于上游魚塘水電站出庫(kù)流量已經(jīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在預(yù)報(bào)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注梅江流域預(yù)報(bào)，本次施工期將采用API模型進(jìn)行降雨徑流預(yù)報(bào)。

(2)預(yù)警指標(biāo)

對(duì)于角木塘電站常規(guī)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，區(qū)間產(chǎn)匯流時(shí)間較短，為盡可能地提高預(yù)見期和大洪水反應(yīng)時(shí)間，在施工期預(yù)報(bào)方案編制時(shí)可探索引入水位和雨量預(yù)警指標(biāo)，為施工期服務(wù)。

①魚塘出庫(kù)水文站預(yù)警指標(biāo)

在《角木塘水電站可行性研究報(bào)告》提供的角木塘電站圍堰設(shè)計(jì)洪水流量的基礎(chǔ)上，確定魚塘出庫(kù)站實(shí)時(shí)水位或者流量預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)達(dá)到預(yù)警指標(biāo)后，立即向相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員發(fā)送預(yù)警短信。

S預(yù)=f(Q角設(shè)，Q魚，P區(qū))

式中：S預(yù)——預(yù)警短信發(fā)送條件指標(biāo)；

f——發(fā)送條件判斷函數(shù)；

Q角設(shè)——壩址圍堰設(shè)計(jì)洪水流量；

Q魚——魚塘出庫(kù)水文站實(shí)時(shí)流量(也可用水位代替)；

P區(qū)——區(qū)間面平均降雨。

預(yù)警指標(biāo)根據(jù)輸入條件的大小分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩種，在預(yù)報(bào)方案編制過(guò)程中完善。

②導(dǎo)流洞水位預(yù)警指標(biāo)

由于本次方案在電站導(dǎo)流洞進(jìn)口處設(shè)立了遙測(cè)水位站，根據(jù)導(dǎo)流洞進(jìn)口水位建立預(yù)警指標(biāo)，作為第一種預(yù)警指標(biāo)的補(bǔ)充，在實(shí)際施工過(guò)程中觀測(cè)和完善。

S預(yù)=f(Z導(dǎo))

式中：S預(yù)——預(yù)警短信發(fā)送條件指標(biāo)；

Z導(dǎo)——導(dǎo)流洞實(shí)時(shí)水位；

f——發(fā)送條件判斷函數(shù)。

應(yīng)實(shí)時(shí)判斷水位上漲趨勢(shì)，將指標(biāo)分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩種，實(shí)際過(guò)程中結(jié)合天氣預(yù)報(bào)以及上游來(lái)水不斷完善。

2.3.2 浩口壩址預(yù)報(bào)方案

浩口壩址流量采用河系預(yù)報(bào)結(jié)合流域預(yù)報(bào)為主。

(1)采用五家院子和魚塘出庫(kù)流量通過(guò)時(shí)變線性匯流模型演算至浩口壩址，同時(shí)疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量。

Qt+τ=f(Q五家院子t，Q魚塘t，P區(qū)t)

式中：Q——預(yù)報(bào)流量；

f——預(yù)報(bào)函數(shù)；

t——時(shí)間；

τ——相應(yīng)的預(yù)見期；

P——區(qū)間降雨。下標(biāo)漢字為相應(yīng)的斷面名稱。

(2)采用魚塘實(shí)測(cè)出庫(kù)流量和五家院子流量經(jīng)河系預(yù)報(bào)或線性演算至角木塘壩址，同時(shí)疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量，得出角木塘預(yù)報(bào)流量，然后采用預(yù)報(bào)流量通過(guò)河道演算并疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量得出。

Qt+τ=f(Q角木塘t，P區(qū)t)

式中：Q——預(yù)報(bào)流量；

f——預(yù)報(bào)函數(shù)；

t——時(shí)間；

τ——相應(yīng)的預(yù)見期；

P——區(qū)間降雨。下標(biāo)漢字為相應(yīng)的斷面名稱。

枯期預(yù)報(bào)區(qū)間采用退水曲線法，上游仍然關(guān)注魚塘電站的發(fā)電計(jì)劃和出庫(kù)水文站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

芙蓉江流域浩口、角木塘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)共設(shè)立了1個(gè)中心站，10個(gè)遙測(cè)站，其中水文站2個(gè)，水位站1個(gè)，水位雨量站2個(gè)，雨量站5個(gè)。2016年3月，增設(shè)魚塘出庫(kù)水位站1座。施工期間，浩口導(dǎo)流洞水位站于2016年3月12日05時(shí)06分損壞，于4月25日由導(dǎo)流洞進(jìn)水口撤至導(dǎo)流洞壩體測(cè)量高水位，中心站設(shè)備、各遙測(cè)站設(shè)備運(yùn)行良好，均無(wú)故障記錄。

2015年遙測(cè)站布設(shè)運(yùn)行以來(lái)，所有水情信息均為自動(dòng)采集，自動(dòng)傳輸，自動(dòng)生成報(bào)文，專業(yè)人員復(fù)核發(fā)送，保障了報(bào)汛的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，共向施工各部門負(fù)責(zé)人發(fā)報(bào)365×4×(發(fā)送人數(shù)52人)份。正常水情時(shí)，每日02∶00、08∶00、14∶00、20∶00時(shí)發(fā)送當(dāng)前水情信息，出現(xiàn)異常水情時(shí)，均第一時(shí)間向相關(guān)負(fù)責(zé)人匯報(bào)水情信息，報(bào)訊時(shí)效性達(dá)100%，內(nèi)容準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。

值班人員在每次水情信息報(bào)送后都建立審核制度，形成文檔。所有水情信息都建立了數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)庫(kù)中包括了實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史水情數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)。水情數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)錄入每次都執(zhí)行初校、復(fù)校等制度，所有水情信息均永久保存，并實(shí)行異地存放。

項(xiàng)目施工期間，值班人員嚴(yán)格執(zhí)行防汛紀(jì)律，掌握崗位相關(guān)技術(shù)規(guī)定和要求，熟悉水文預(yù)報(bào)理論與方法，堅(jiān)持24h值班制。采用短信傳送方式第一時(shí)間將水情變化信息匯報(bào)給項(xiàng)目負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)生較大水情時(shí)，及時(shí)地以電話方式匯報(bào)，為施工部門防汛提供了科學(xué)依據(jù)，有效地保護(hù)了人身財(cái)產(chǎn)安全，減輕了洪水災(zāi)害損失。