巴基斯坦卡洛特水電站施工期水文氣象服務(wù)實(shí)踐

鄧頌霖 楊軍 邴林 李清華

摘要：為克服和解決吉拉姆河流域所屬權(quán)的特殊性、安全環(huán)境的復(fù)雜性、水文資料的不完整性給卡洛特水電站施工期水情氣象服務(wù)造成的諸多困難，通過分析整理歷史資料，構(gòu)建了代表性較強(qiáng)的自動測報(bào)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對較大無控區(qū)間采用氣象形勢預(yù)測與水文比擬的方法進(jìn)行了流量預(yù)測預(yù)報(bào)等工作，不斷提高預(yù)報(bào)精度。實(shí)際運(yùn)行情況表明，該電站自動測報(bào)系統(tǒng)穩(wěn)定，水情預(yù)報(bào)精度較高，取得了較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，可為類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒并起到一定示范效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：水文氣象服務(wù);無資料區(qū);施工期;一帶一路;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：P331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.08.004

巴基斯坦卡洛特水電站建設(shè)項(xiàng)目被列為“一帶一路”重點(diǎn)項(xiàng)目和“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”優(yōu)先實(shí)施能源合作項(xiàng)目?？逄厮娬舅幖泛恿饔?，絕大部分地區(qū)處于所屬權(quán)存在爭議的克什米爾地區(qū)，壩址以上流域面積26 700 km2.約50%的區(qū)域無法建站。巴基斯坦境內(nèi)經(jīng)濟(jì)、交通、電力、通信等環(huán)境相對較差，政治、宗教等關(guān)系復(fù)雜，給電站施工期水情服務(wù)帶來了諸多問題，甚至影響正常水文測報(bào)預(yù)報(bào)工作的開展?？逄厮橹行男枰ㄟ^優(yōu)化站網(wǎng)布設(shè)、提高自動測報(bào)系統(tǒng)穩(wěn)定性、充分利用現(xiàn)有資源，以滿足水電站施工期水文氣象服務(wù)工作要求。

1 流域概況及歷史資料分析

卡洛特水電站建設(shè)項(xiàng)目是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃的5個(gè)梯級電站的第4級。吉拉姆河流域多為高山峽谷，為典型的山區(qū)性河流，徑流以融雪水和季節(jié)性降雨補(bǔ)給為主，源頭沒有永久冰川覆蓋。流域全年降雨比較集中，干濕季節(jié)明顯，3-9月為雨季。壩址以上印控克什米爾地區(qū)無水文測站（水情測站布置詳見圖1）。壩址處多年平均流量819m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3。工程為單一發(fā)電任務(wù)的水利樞紐，水庫正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，設(shè)計(jì)洪水位461.13 m，校核洪水位467.06 m，為Ⅱ等大（二）型工程，電站裝機(jī)容量720MW（4x180 MW），設(shè)計(jì)年發(fā)電量32.13億kW-h。

1.1 歷史資料情況

吉拉姆河流域水文資料由巴基斯坦水電發(fā)展署（WAPDA）負(fù)責(zé)收集管理。流域干流設(shè)有帕坦、多邁爾、穆扎站，從1969年4月開始就有水文資料記錄，序列較長，資料一致性較好（卡洛特壩址以上流域在2018年4月以前無控制性水利工程投運(yùn)）。水位觀測主要以人工觀測為主，大部分測站水位是參照常年水位下某根水尺零高的水深，水位基面不固定，年際間水位常出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，且大部分測站僅在每日09：00-16：00采用人工逐時(shí)觀測，其他時(shí)段無資料;雨量資料絕大部分為人工觀測，僅有日雨量;流量采用流速儀法施測，絕大部分站無專用渡河設(shè)施（如水文纜道、機(jī)動船等）和動力設(shè)施，主要依托斷面附近橋梁渡河開展流量測驗(yàn)?；诙嗄曩Y料分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量大于1 500m3/s后，上述各站流量資料不完整或基本沒有。

1.2 歷史資料使用與處理

對于水位數(shù)據(jù)，將巴方英制單位的水深轉(zhuǎn)換成公制單位，進(jìn)行上下游對照，對漏測水位不進(jìn)行插補(bǔ)，但對明顯異常數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢查，刪除不合理的數(shù)據(jù)。

對于流量數(shù)據(jù)，將巴方英制單位的水深、流量、面積、流速等轉(zhuǎn)換成公制單位，點(diǎn)繪逐站水深一流量關(guān)系圖，參照面積、流速對異常的測點(diǎn)進(jìn)行修正或刪除。

針對年際間水位出現(xiàn)系統(tǒng)偏差的測站，采用2013～ 2015年數(shù)據(jù)綜合分析，結(jié)合中方實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行校核，分析率定水位一流量關(guān)系線。用率定的綜合水位一流量關(guān)系將水位轉(zhuǎn)換成流量。

因巴方水文部門高洪測驗(yàn)?zāi)芰τ邢?，大水年僅觀測水位，在編制預(yù)報(bào)方案前，采用水位一流量關(guān)系線，按趨勢外延和曼寧公式法，對各測站水位一流量關(guān)系線進(jìn)行中高水延長。

綜上，雖然卡洛特水電站有46 a的歷史資料，但因巴方水文部門測報(bào)能力有限，造成水文歷史資料不完整，時(shí)間間隔較大，如降水都為日平均資料，大大制約了水情預(yù)報(bào)方案的編制以及精度等級。

2 水情自動測報(bào)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2.1 站網(wǎng)布設(shè)情況

在分析流域水文氣象特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合自然地理?xiàng)l件和現(xiàn)場查勘及通信測試結(jié)果，遵循“臨時(shí)與永久相結(jié)合”，符合“容許最稀站網(wǎng)”原則，以滿足水文預(yù)報(bào)要求為主導(dǎo)，充分考慮水電站建設(shè)對水文特性的影響，論證并確定最終站網(wǎng)布設(shè)方案。其中，包括20個(gè)雨量站和14個(gè)水位（文）站（2個(gè)新建水文站、4個(gè)壩區(qū)新建水位站以及在巴方水文資料基礎(chǔ)上改建的8個(gè)水文站）。

2.2 預(yù)報(bào)方案

2.2.1 預(yù)報(bào)分區(qū)

為預(yù)報(bào)預(yù)見期（6h、12 h）內(nèi)的壩址流量和施工期不同階段壩區(qū)各組水尺的水位，根據(jù)卡洛特水電站壩址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，將壩址以上流域劃分為8個(gè)降雨徑流計(jì)算分區(qū)。

2.2.2 預(yù)報(bào)方案配置

在預(yù)報(bào)方案中，充分考慮現(xiàn)有的水文資料條件，選用具有實(shí)用性、可靠性且簡便的產(chǎn)匯流模型。流域產(chǎn)匯流模型分別選用API模型、新安江模型、經(jīng)驗(yàn)單位線;河道匯流選用馬斯京根法，壩區(qū)水位預(yù)報(bào)采用相關(guān)圖和水位系數(shù)法[1]。

2.3 自動測報(bào)系統(tǒng)

測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)以滿足水情預(yù)報(bào)為主要目標(biāo)，兼顧電站發(fā)電調(diào)度的需求[2]，其主要內(nèi)容為遙測水位（文）站、遙測雨量站及其避雷設(shè)施建設(shè)，中心站數(shù)據(jù)接收與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置以及應(yīng)用軟件等[3]。

由于壩址以上部分測站（如雨量站1、雨量站2、雨量站6、雨量站8、哈田巴拉水文站等）通信資源有限，故卡洛特水電站測報(bào)系統(tǒng)測站數(shù)據(jù)傳輸僅采用中國北斗衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)傳輸信道，并利用國內(nèi)北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心每5 min推送一次數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。如流域內(nèi)遙測站正常，當(dāng)水情中心站接受數(shù)據(jù)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，通過國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)推送也可保證數(shù)據(jù)及時(shí)入庫。自2016年10月至今，測報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行正常，月平均通暢率都達(dá)95%以上，滿足SL 61-2015《水文自動測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求。

同時(shí)，為確保工程度汛安全，在特殊水雨情時(shí)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場預(yù)報(bào)人員和國內(nèi)技術(shù)支撐團(tuán)隊(duì)前后方信息共享和會商的功能。

2.4 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)總體上由數(shù)據(jù)支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用層和人機(jī)交互層構(gòu)成[4]。預(yù)報(bào)系統(tǒng)做到了實(shí)用、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化[5]，反映用戶特點(diǎn)，滿足用戶要求;在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能開發(fā)和軟件編程等方面都實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，充分考慮流域梯級電站開發(fā)的需要[6-7]，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

3 水情預(yù)報(bào)服務(wù)的組織實(shí)施

3.1 實(shí)施中遇到的困難

實(shí)施中遇到的困難包括：①因安全因素導(dǎo)致上游已建干流控制水文站不能及時(shí)測流報(bào)汛，無法準(zhǔn)確把握上游來水流量，對水情預(yù)報(bào)造成較大困難。②水電站所處位置交通、電力、通信等環(huán)境相對較差，水情信息發(fā)布不暢通，發(fā)布方式單一。③由于吉拉姆河流域面積較小且巴基斯坦國內(nèi)氣象預(yù)報(bào)缺乏該流域內(nèi)氣象資料，氣象預(yù)報(bào)無法滿足水情預(yù)報(bào)需要。④由于受施工場地限制，近500萬m3渣場均在壩區(qū)周邊，且壩區(qū)位于暴雨中心區(qū)，確保壩區(qū)安全度汛面臨挑戰(zhàn)。⑤水文歷史資料不完整，且流域50%的面積無法建站，為無控區(qū)間，預(yù)報(bào)方案精度不高。

3.2 組織實(shí)施

3.2.1 人員配置

水文預(yù)報(bào)服務(wù)與管理是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)的工作，結(jié)合流域水情和國外工作特點(diǎn)，為確保工作的順利開展，保障卡洛特水電站施工期安全度汛，水情預(yù)報(bào)相關(guān)人員配置如下：枯季現(xiàn)場配置2名專業(yè)水文預(yù)報(bào)人員，汛期現(xiàn)場配置3名專業(yè)水文預(yù)報(bào)人員;現(xiàn)場配置網(wǎng)絡(luò)信息管理人員（兼自動測報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理人員）1名;在國內(nèi)配置若干水情和氣象預(yù)報(bào)人員對預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行校核和會商。

為保障水情站點(diǎn)平穩(wěn)運(yùn)行，測站能準(zhǔn)確率定水位一流量關(guān)系，因此均采用巡測方式，只有壩區(qū)專用站有中方人員3人駐測。

3.2.2 技術(shù)培訓(xùn)

為解決現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)與水文測驗(yàn)問題，中方對巴方員工開展相關(guān)技能培訓(xùn)工作，努力實(shí)現(xiàn)巡測和駐測工作技術(shù)人員的本地化。經(jīng)過培訓(xùn)，巴方員工基本掌握了遙測站安裝維護(hù)、常規(guī)水文測驗(yàn)儀器使用等，解決了測站維護(hù)和水文測驗(yàn)問題，實(shí)現(xiàn)壩區(qū)以上水文站巴方員工駐測、中方人員巡檢的模式，做到及時(shí)測流報(bào)汛，準(zhǔn)確把握上游來水流量。

3.2.3 水情信息發(fā)布

由于卡洛特水電站建設(shè)采用國際化標(biāo)準(zhǔn)管理，對其在社會、環(huán)境和安全方面要求較高，保證信息發(fā)布暢通顯得尤為重要。卡洛特水電站施工區(qū)基本無電話通信，網(wǎng)絡(luò)通信速度較慢且不穩(wěn)定，并時(shí)常面臨通信管制，水情預(yù)報(bào)成果常需人工送至相關(guān)單位。2017年后，工區(qū)新建通信基站，水情信息發(fā)布采用短信、郵件、QQ和微信等即時(shí)通信工具，大大提高了水情信息時(shí)效性。

根據(jù)預(yù)報(bào)預(yù)警發(fā)布流程，當(dāng)遇超標(biāo)洪水（5a-遇洪水4 660 m3/s）時(shí)，水情氣象信息采用中、英、烏爾都語及時(shí)對當(dāng)?shù)卣吧鐣姲l(fā)布，便于其了解水情氣象信息，減少當(dāng)?shù)鼐用褚蛘Z言、理解等差異而造成的不必要恐慌。

3.2.4 水文氣象預(yù)報(bào)服務(wù)

水文與氣象相結(jié)合是延長預(yù)見期的基本途徑[8-9]。為實(shí)現(xiàn)水文與氣象相結(jié)合延長預(yù)見期，滿足工區(qū)施工對氣象服務(wù)的要求，與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T開展了溝通和合作，基本可滿足工程施工期水文氣象預(yù)報(bào)需求。

在預(yù)報(bào)法案配置中，重點(diǎn)考慮了印控克什米爾地區(qū)沒有布設(shè)水文站網(wǎng)的特殊情況。該流域面積大，來水量無法忽略，因此對該地區(qū)采用相似流域水文比擬法[9]進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，并根據(jù)測站實(shí)測資料，對預(yù)報(bào)方案不斷修正和完善。經(jīng)分析可知水情預(yù)報(bào)實(shí)際運(yùn)用效果良好。

通過對2016年4月-2018年8月收集到的水雨情數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，近2a汛期壩區(qū)發(fā)生暴雨和特大暴雨次數(shù)達(dá)7次，其中2018年8月7日02： 00～ 06： 00，壩區(qū)平均降雨量為97.4 mm，單站最大降水量達(dá)到170.5 mm。為確保安全度汛，當(dāng)預(yù)報(bào)和監(jiān)測到有大到暴雨時(shí)及時(shí)發(fā)布預(yù)警，施工現(xiàn)場根據(jù)預(yù)警等級，通過組織人員和設(shè)備進(jìn)行及時(shí)清障、排水和關(guān)鍵部位巡查。氣象預(yù)報(bào)、預(yù)警服務(wù)在工程防災(zāi)避災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。

4 施工水文氣象服務(wù)實(shí)踐

4.1 預(yù)報(bào)精度

按照GB/T 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，對2017年3-9月6h預(yù)報(bào)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水位預(yù)報(bào)平均誤差-0.05～ 0.16 m，合格率都在80%以上;壩址流量預(yù)報(bào)相對誤差-0.66%～2.52%，合格率都在7 1%以上。水文預(yù)報(bào)為水電站施工期安全防洪度汛提供了較好保障。統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表1。

4.2 典型洪水預(yù)報(bào)及其在工程度汛中的應(yīng)用

由于受巴基斯坦北部地區(qū)的過境強(qiáng)西風(fēng)波影響，吉拉姆河流域于2017年4月5-6日發(fā)生了2次大范圍持續(xù)性的強(qiáng)降雨過程，其中5日17：55-6日0：00流域普降大到暴雨，6日11： 00-13：00流域普降中到大雨，降水中心位于卡拉斯一帕坦之間，距卡洛特壩址較近，2次降雨過程單站最大降水量達(dá)137 mm。

受暴雨影響，穆扎、多邁爾、卡拉斯、壩址站流量開始相繼快速上漲，其他站點(diǎn)來水也呈緩慢增加的態(tài)勢。至4月6日16：00壩址以上千支流各站來水相繼現(xiàn)峰，上述各站洪峰分別為635 m3/s（4月6日15：00）、969 m3/s（4月6日15：00）、2 370 m3/s（4月6日16： 00）和3 280 m3/s（4月6日17：40）。各控制站逐時(shí)流量過程見圖2。

卡洛特水電站施工期洪水預(yù)報(bào)采用預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的預(yù)報(bào)模型及方法，采用考慮預(yù)見期降雨方案的交互預(yù)報(bào)模式，逐級預(yù)報(bào)演算。圖3為壩址預(yù)報(bào)流量過程與實(shí)際流量過程線對比，分析可知，預(yù)報(bào)洪水過程與實(shí)際過程基本一致，洪峰時(shí)間相當(dāng)，預(yù)報(bào)精度較高。洪峰流量與峰現(xiàn)時(shí)間誤差統(tǒng)計(jì)見表2。

由于當(dāng)時(shí)正處于導(dǎo)流洞緊張施工階段，導(dǎo)流洞施工圍堰堰頂高程尚未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，此時(shí)即將經(jīng)受第一次洪水考驗(yàn)。洪峰時(shí)水面距堰頂僅0.7 m，面對導(dǎo)流洞內(nèi)是否堅(jiān)持施工和人員設(shè)備是否全部撤離的關(guān)鍵時(shí)刻，水情預(yù)報(bào)人員根據(jù)水雨情分析得出預(yù)報(bào)成果：洪水已達(dá)到洪峰，人員可先撤離，設(shè)備可不撤離。對水雨情信息的準(zhǔn)確判斷避免了設(shè)備撤離造成的損失。

5 結(jié)語

由于水文氣象資料條件匱乏、國內(nèi)安全形勢不穩(wěn)等問題，作為“一帶一路”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的卡洛特水電站在施工期水文氣象服務(wù)方面面臨諸多困難。通過強(qiáng)化當(dāng)?shù)貑T工培訓(xùn)，與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T合作等措施，基本建立了滿足需求的水文預(yù)報(bào)方案體系，為該電站安全度汛提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。卡洛特水電站施工期水文氣象服務(wù)實(shí)踐可為類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)并起到一定的示范效應(yīng)。

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