非洲熱帶草原氣候區(qū)水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究

嚴(yán)克凡 陳麗 駱成生

摘要：水情預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)水文預(yù)報(bào)基本原理，采取現(xiàn)代化的通訊手段，完成水情監(jiān)測的信息化、模型化、網(wǎng)絡(luò)化，保障雨量信息能夠及時(shí)傳遞至監(jiān)控中心，并通過計(jì)算機(jī)處理，將雨量信息導(dǎo)入模型，從而得到雨量的實(shí)時(shí)信息，并制成圖標(biāo)，反饋給決策者，供其作出決策。本文主要以非洲熱帶草原氣候區(qū)為例，對(duì)該區(qū)域的水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期給其他國家和地區(qū)提供相應(yīng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：非洲熱帶草原氣候區(qū);水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng);研究要點(diǎn)

一、前言

在滿足工程項(xiàng)目的防洪度汛要求之后，因?yàn)榭紤]到當(dāng)前全球范圍水電站存在的配套設(shè)置不完善、基礎(chǔ)服務(wù)相對(duì)落后以及相關(guān)資料缺失等情況，所以為了更好的保證項(xiàng)目汛期施工的安全性，必須建立符合實(shí)際的水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，這是非常關(guān)鍵的，也值得大力推廣。

二、工程概況

朱利葉斯-尼雷爾水電站位于坦桑尼亞聯(lián)合共和國東南部Rufiji河上，魯菲吉河是坦桑尼亞的最大河流，總流域面積177000 km2，西起姆貝亞、東至印度洋，河道長達(dá)700km。電站工程區(qū)位于Rufiji河下游的Stiegler峽谷河段，距坦桑尼亞舊首都達(dá)累斯薩拉姆交通公路里程約350km。本工程樞紐是由碾壓混凝土重力壩（主壩）、壩身泄水建筑物、右岸4座副壩（含埡口輔助溢洪道）、右岸引水系統(tǒng)及地面廠房等幾個(gè)方面組合而成的。地面式廠房長度280m，寬32m，高60m，且工廠廠房內(nèi)部安裝了9臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)組，單機(jī)容量235MW，電站總裝機(jī)容量為2115MW。廠房基礎(chǔ)高程44.0m，機(jī)組安裝高程61.0m，尾水平臺(tái)高程81.0m。工程區(qū)域?qū)贌釒Р菰瓪夂颍?～10月份為干季，11～5月為雨季，年平均降雨量為1002mm，年平均蒸發(fā)量為2000mm;氣侯特征是每年4 月至9月氣溫相對(duì)較低，10月～3月氣溫相對(duì)較高，年平均最高氣溫33℃，年平均最低氣溫19℃，由于工期緊張，本水電站澆筑方量也較大，從歷史來看，本電站澆筑強(qiáng)度位于所有已建在建項(xiàng)目中世界前10位。

三、非洲熱帶草原氣候區(qū)水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

本項(xiàng)目擬建立的水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)就是以新安江模型為理論基礎(chǔ)建立的。通過雨量站收集雨量信息，根據(jù)多次降雨推求出產(chǎn)流公式中的常數(shù)，得到匯水流量，另外根據(jù)流量站，測流出河道斷面結(jié)構(gòu)、流速、流量等信息，在得到上述全部信息后，在中心站進(jìn)行匯總，將需要的所有參數(shù)代入模型公式，從而得到洪水過程線，預(yù)測洪水將要抵達(dá)的時(shí)間。完成一次水情監(jiān)測預(yù)警，這個(gè)過程是連續(xù)不間斷的，因此我們得到的水情信息也是不間斷的。

關(guān)于新安江模型，其是一種分布式模型，可以用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)的濕潤季節(jié)，這種模型是按照三層蒸散發(fā)對(duì)流域蒸散發(fā)進(jìn)行計(jì)算，并且嚴(yán)格按照蓄滿產(chǎn)流概念對(duì)降雨過程中產(chǎn)生的總徑流量進(jìn)行計(jì)算，通過流域蓄水曲線對(duì)下墊面不均勻?qū)Ξa(chǎn)流面積變化的影響進(jìn)行充分考慮。同時(shí)在劃分徑流成分時(shí)按照“山坡水文學(xué)”產(chǎn)流理論對(duì)有限容積和測孔、底孔的自由水蓄水庫把總徑流劃分成飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流。同時(shí)計(jì)算匯流的過程中，單位面積內(nèi)的地面徑流通常情況下會(huì)采用單位線法，土壤中水徑流和地下水徑流的匯流采用線性水庫法，通常情況下河網(wǎng)匯流會(huì)采用分段連續(xù)演算的Muskingum法或者滯時(shí)演算法。

四、建立水文站的必要性和好處

1、建立水文站的必要性

我國水電站工程多建立在第三世界國家，基礎(chǔ)建設(shè)一般有所欠缺，經(jīng)濟(jì)建設(shè)常常比較落后，導(dǎo)致在大壩庫區(qū)匯水流域，很少有非常詳實(shí)的水文資料。另外由于本項(xiàng)目地處國家動(dòng)物保護(hù)區(qū)，野生動(dòng)物多，攻擊性強(qiáng)，也導(dǎo)致水文站點(diǎn)、雨量站點(diǎn)稀少，同時(shí)當(dāng)?shù)丶夹g(shù)服務(wù)工作意識(shí)不強(qiáng)，降水預(yù)報(bào)不夠準(zhǔn)確。因此在本項(xiàng)目建立水文預(yù)警系統(tǒng)能有利于獲取第一手實(shí)際的降雨水文并進(jìn)行洪水預(yù)警，也能方便收集和保存水文氣象資料，指導(dǎo)水電站建成后的多年降水調(diào)節(jié)。

2、建立水文站以后的好處：

（1）信息能通過手機(jī)軟件直達(dá)每個(gè)員工手中，及時(shí)降雨，瞬間了解水情，同時(shí)根據(jù)防洪預(yù)警方案作出反應(yīng)。本項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)條件相對(duì)較好，在大多數(shù)地區(qū)可以接收到比較良好的信號(hào)，定制手機(jī)APP來接收中心站處理后的水文信息，根據(jù)權(quán)限來制定不同人的手機(jī)APP權(quán)限，高權(quán)限人員可以獲取全部水文信息，低權(quán)限人員獲得洪水預(yù)報(bào)，既避免不必要的信息對(duì)施工人員的干擾，也可以在洪水來臨的關(guān)鍵時(shí)期，避免因?yàn)樾畔鬟f不及時(shí)而導(dǎo)致寶貴的撤退時(shí)間被耽誤。 為防止雨量站等遙測站點(diǎn)出現(xiàn)故障、或雨季時(shí)候人工巡查雙保險(xiǎn)，各遙測站點(diǎn)還配備了超短波通訊，這種超短波通訊可以保證即便在電話、網(wǎng)絡(luò)通訊斷路的情況下，遙測站點(diǎn)也能及時(shí)將雨情信息傳遞到項(xiàng)目指揮與施工人員耳中。

（2）避免對(duì)雨情水情主觀臆測，科學(xué)處理洪水，避免無意義調(diào)度，洪水時(shí)也能及時(shí)作出反應(yīng)，避免較大的人員財(cái)產(chǎn)損失。在雨季施工時(shí)，有兩個(gè)洪水預(yù)警的困難，一個(gè)是本區(qū)域雨量較大，但是洪水較為平緩，為了確保安全，項(xiàng)目會(huì)指揮現(xiàn)場人員撤退、設(shè)備撤離或封存，結(jié)果預(yù)料中的威脅安全的洪水沒有到達(dá)，又需要組織人員設(shè)備進(jìn)場，從而導(dǎo)致無用調(diào)度，影響了施工組織生產(chǎn);另一個(gè)是本區(qū)域雨量不大，但是上游或支流的雨量很大，在毫無征兆的情況下，水位迅速上漲，人員設(shè)備緊急撤離，但是這種撤離要么不及時(shí)導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備損失，正在澆筑的倉號(hào)停倉，要么撤離不充分，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失。通過水情預(yù)警系統(tǒng)的建立，在推求出合理的洪水過程線以后，根據(jù)來水情況，制定河道水位對(duì)應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)辦法，低水位時(shí)保持靜默，水位上漲時(shí)，保持警戒繼續(xù)施工，水位達(dá)到預(yù)警水位，人員設(shè)備隨時(shí)準(zhǔn)備撤離，在這個(gè)機(jī)制的指導(dǎo)下，有效的避免無用調(diào)度與洪水突然上漲造成損失。

（3）為以后相關(guān)項(xiàng)目洪水預(yù)警作出示范和指導(dǎo)。在完成本項(xiàng)目的水文預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)后，通過幾年的運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，如果能夠滿足施工期的洪水預(yù)警的需要，避免了經(jīng)濟(jì)損失，通過后期的核算，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，那么這套系統(tǒng)就有推廣的價(jià)值，相關(guān)人員也可以做為技術(shù)指導(dǎo)，為本公司其他項(xiàng)目挽回潛在的損失、

五、非洲熱帶草原氣候區(qū)水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究開發(fā)方法及技術(shù)路線

1、研究開發(fā)方法

水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)匯水部分采用新安江模型建模，通過水量站采集降雨量信息，水文站采集河道水文流量關(guān)系曲線，在具體的計(jì)算過程中，需要基于流域雨量網(wǎng)站的分布，采用泰森多邊形法把全流域分成為很多塊單位子流域，對(duì)每一個(gè)單元子流域產(chǎn)匯流進(jìn)行計(jì)算，得出單元子流域的出口流量過程，再對(duì)出口以下的河道洪水進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算出流域出口流量過程。同時(shí)應(yīng)該將每個(gè)單位子流域出口流量疊加起來，這就形成了流域出口總出流過程，分散性要綜合考慮影響產(chǎn)流因素在流域上分布均勻度不夠的情況，比如降雨量、下墊面等分布均勻度不夠，從而一定程度避免其對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果造成的影響。

新安江模型的產(chǎn)流計(jì)算公式為：

式中：WM表示包氣帶張力水容量，B表示張力水容量曲線的方次，IM表示不透水面積的比值，R表示產(chǎn)流量，MM表示流域最大點(diǎn)蓄水容量，P表示降雨量;E表示蒸發(fā)量;K表示蒸散發(fā)折減系數(shù);W表示流域蓄水容量。

河網(wǎng)洪水預(yù)報(bào)采取馬斯金根法用線性的槽蓄方程與水量平衡方程聯(lián)解，得出流域的有限差公式，以對(duì)河道供水進(jìn)行驗(yàn)算（見河道洪水演算法）），因此這種方法引起了高度重視。線形馬斯京根槽蓄方程就是假設(shè)河段蓄量S與示儲(chǔ)流量Q'成線形關(guān)系，以此簡化驗(yàn)算，即：S=KQ'。

在公式中K表示蓄量參數(shù)，因?yàn)楹佣涡盍靠梢苑殖蔀橹詈托ㄐ顑蓚€(gè)組成部分，所以Q'是入流I和出流O的函數(shù)，即Q'=〔XI+（1-X）O〕，

在這一公式中用X來表示入流和出流對(duì)槽蓄影響的相對(duì)比重，用K和X來基于所研究的河道特性和洪水特性進(jìn)行決定，并且將其假定為常數(shù)。

將馬斯京根槽蓄方程與水量平衡方程聯(lián)解，得馬斯京根演算公式：

O2=C0I2+C1I1+C2O1

在這一公式中用I、O表示河段入流，用腳碼1、2對(duì)時(shí)段除和末時(shí)刻進(jìn)行表示，用C0、C1、C2表示斯京根法參數(shù)K和X的參數(shù)，他們之和為1。

2、技術(shù)路線

（1）流域匯水面積研究、水文資料收集。根據(jù)前期水文勘測資料，進(jìn)一步整理相關(guān)的信息，劃分流域、分水嶺、匯水面積的基礎(chǔ)信息。初步確需要布置站點(diǎn)的類型與數(shù)量，并根據(jù)想要實(shí)現(xiàn)的預(yù)警時(shí)間初步確定各站點(diǎn)的布置位置。

（2）現(xiàn)場踏勘雨量站布置，水文站定點(diǎn)，中心站網(wǎng)絡(luò)組裝。根據(jù)初步確定的站點(diǎn)位置，組織專業(yè)人員與施工人員前往各位置處踏勘，在兼顧完成水量站技術(shù)指標(biāo)與盡量滿足和方便的施工的前提下，確定各站點(diǎn)的最終位置，建設(shè)各站點(diǎn)，使其滿足水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的需要。在各個(gè)站點(diǎn)建設(shè)完畢后，組裝并入系統(tǒng)中，使得整個(gè)系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)行。

（3）采集雨量信息。系統(tǒng)成功建立后，遙測雨量站的信息記錄隨即開始，此時(shí)在整個(gè)匯流面積中的降雨情況已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)的傳輸?shù)街行恼?，并開始記錄，作為資料的一部分儲(chǔ)存并開始推求匯流關(guān)系。本項(xiàng)目工期異常緊張，圍堰的防洪標(biāo)準(zhǔn)只有5年一遇，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測水情是滿足項(xiàng)目施工期安全的實(shí)際需要的必要條件。根據(jù)新安江模型，想要推求洪水過程線，必須要獲得降雨量，河道水位，過水?dāng)嗝娴臄嗝媪髁壳闆r。分別對(duì)應(yīng)雨量站，雷達(dá)水位計(jì)，以及ADCP走航式測流儀，然后信息匯總在中心站，通過信息處理后得出相關(guān)信息。

（4）根據(jù)日常雨量信息對(duì)未來短時(shí)間，中長時(shí)間雨量進(jìn)行預(yù)判。在雨量站收集到幾次雨量信息和ADCP完成相應(yīng)的測流之后，就可以根據(jù)新安江模型中的公式，推求出經(jīng)驗(yàn)公式中雨量匯流系數(shù)。得到匯流系數(shù)，并得到雨量信息校核無誤。我們就可以利用雨量信息來推求即將到來的洪水過程線，一般而言，從降雨到洪水，有幾個(gè)小時(shí)到幾天的過程，建立了相應(yīng)的關(guān)系后，可以將洪水預(yù)警提前，如洪水流量過大，撤退的工作就會(huì)進(jìn)行的更加從容，安全撤離人員和設(shè)備，挽回更多的損失。

（5）ADCP測船建立水位流量關(guān)系曲線。在水文站建立后，纜道架設(shè)在合適的河道兩岸，通過將ADCP在河道上來回移動(dòng)，可以得到對(duì)應(yīng)位置的河床斷面情形，ADCP同時(shí)也會(huì)記錄河道的水流流速情況，通過在不同水位條件下多次記錄斷面和流速情況，就可以建立由低水位向高水位變化的水位流量關(guān)系曲線。

（6）設(shè)定參數(shù)，調(diào)試系統(tǒng)。根據(jù)項(xiàng)目圍堰高程和防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)，制定分級(jí)響應(yīng)的水位高程線，并錄入到中心站點(diǎn)中。幾次小降雨后，整個(gè)匯水流域的雨量匯流關(guān)系曲線得以建立，河網(wǎng)的匯流關(guān)系曲線，洪峰到來時(shí)間與河道流速的關(guān)系也得到完善，整個(gè)水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)便得以正式運(yùn)行。

（7）開始播報(bào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控。在系統(tǒng)正式運(yùn)行后，開始通過定制的手機(jī)APP開始進(jìn)行發(fā)報(bào)。

六、水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用中需要注意的要點(diǎn)

1、數(shù)據(jù)傳輸與管理

在對(duì)水情進(jìn)行監(jiān)測當(dāng)中，監(jiān)測站均是采用離散分布模式，但是由于數(shù)據(jù)都是集中管理，所以為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，不?huì)選取不相同站點(diǎn)中的架線來傳輸，而是選取遠(yuǎn)程無線控制模式，在發(fā)生緊急或危機(jī)情況之下會(huì)由人工方式來采集數(shù)據(jù)，其中無線通信包括超短波傳輸、衛(wèi)星傳輸以及移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等，移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫搅朔浅V泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋了大部分地域，數(shù)據(jù)信息得以高速傳輸既可以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還能減少運(yùn)行成本投入，所以在水情檢測預(yù)警系統(tǒng)中，大多數(shù)都是采用移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，采用這種無線通信來采集數(shù)據(jù)，可以高效、精準(zhǔn)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測水文情況和降雨量，把所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行?，并且建立相?yīng)的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)建設(shè)相應(yīng)的信息化軟件，以此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、訪問以及共享。

3、預(yù)警

在進(jìn)行水情監(jiān)測當(dāng)中預(yù)警系統(tǒng)是重點(diǎn)，預(yù)警系統(tǒng)在應(yīng)用中需要注意兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是低于正常數(shù)值，該項(xiàng)類型的信息雖然不會(huì)引起工程災(zāi)害，但是也一定程度影響經(jīng)濟(jì)效益，主要是通過郵件方式發(fā)送出。二是超過安全警戒值，該類現(xiàn)象不僅極易引起安全事故，還會(huì)危害人們的人身安全，是通過短信發(fā)出的。如果監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷史資料差異較小，系統(tǒng)就會(huì)把信息直接發(fā)送給管理人員，且自動(dòng)化的預(yù)警;如果檢測數(shù)據(jù)與歷史資料的差異比較大，比如對(duì)水庫進(jìn)行監(jiān)測過程中，會(huì)自動(dòng)化的控制閘門的啟動(dòng)和關(guān)閉，與此同時(shí)可以向管理人員發(fā)送警報(bào)，通過高音喇叭停通知四周人民群眾，人民群眾在接受到通知之后就可以及時(shí)撤離。

七、結(jié)束語

綜上所述，水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)之后，通過幾年的運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，如果能夠滿足施工期的洪水預(yù)警的需要，就可以避免了經(jīng)濟(jì)損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此相關(guān)人員可以將水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)作為技術(shù)指導(dǎo)，以此確保工作的有序進(jìn)行。

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（作者單位：中國水利水電第十一工程局有限公司）