乏資料流域的水情自動測報系統設計與實現
——以南歐江梯級水電工程為例

周　馳，鄧　瑤，高　超

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

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乏資料流域的水情自動測報系統設計與實現

——以南歐江梯級水電工程為例

周馳，鄧瑤，高超

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

從老撾南歐江流域梯級水電站工程施工與運行的實際需求出發，中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司針對流域內水文站網密度低、缺乏歷史水文觀測資料的不利條件，在實踐工作中不斷探索、承優創新，逐步建立完善了南歐江梯級水電站水情自動測報系統，主要涉及該系統的規劃設計、系統站網建設、水情預報方案編制與實施、系統運行與維護等多項工作。目前該水情自動測報系統運行狀況良好，為各級電站施工期安全度汛、運行期優化調度等業主切實關心問題提供決策依據，發揮了應有的作用。

水情自動測報系統；乏資料流域；系統運行維護；南歐江梯級水電站

1　南歐江流域概況

南歐江(Nam Ou River)是老撾境內湄公河左岸最大支流，發源于中國云南省江城縣與老撾豐沙里省接壤的邊境山脈一帶，河流流向開始自北向南，約50 km后轉向朝東，在B.Muanghat Hin 又折向南至B.Sopkai，最后在B.Pak-ou 匯入湄公河，全河流域面積25 634 km2，河長475 km。南歐江干流河段按一庫七級方案開發，分兩期建設，其中二五六級電站為一期工程，一三四七級電站為二期工程。南歐江流域水系發達，支流眾多；但僅在南歐江干流下游孟威(M.Ngoy)縣城設有孟威水文站(Muong Ngoy)，集水面積19 258 km2。孟威水文站具有1987 年～2003 年的水位流量觀測資料，后已停止流量觀測。南歐江流域及鄰近流域僅有四個雨量站(豐沙里、孟賽、孟威水文站、瑯勃拉邦站)，平均超過6 000 km2才有一個雨量站，且資料年限較短。可見，南歐江流域為典型的乏資料流域，站網密度嚴重不足，無法滿足工程需求。

2　系統規劃設計

從老撾南歐江流域梯級水電站工程施工與運行的實際需要出發，業主委托中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司老撾南歐江水情項目部(以下簡稱“項目部”)建立了一套梯級水電站水情自動測報系統。系統設計遵循“流域統籌、遠近結合、分步實施”的原則。

2.1預報方案配置及站網布設

結合南歐江流域相對狹長、支流眾多的特點，為達到一定的洪水預報精度，預報方案配置以河系預報方案(以雨量為參數的相應流量、合成流量法)為主。每一級水電站以上游最近的干流控制站作為該級電站的入流控制站，主要支流通過支流水文站控制，流域區間降雨量通過區間各雨量監測點(含遙測雨量站和兼顧雨量監測的遙測水文站、遙測水位站)控制，以此開展該級電站的水情預報方案配置。即

Q入庫，t=f(Q上游，t-Δt)+f(Q支流，t-Δt’)+f(P，Pa)

(1)

式中，Q入庫，t為電站t時刻的入庫流量；Q上游，t-Δt為上游控制站(t-Δt)時刻的流量，Δt為區間河系洪水波的傳播時間；Q支流，t-Δt’為支流站(t-Δt’)時刻的流量，Δt’為支流站至該級電站壩址洪水波的傳播時間；P，Pa分別為流域區間降雨量、流域區間土壤含水量。

系統規劃設計考慮到老撾南歐江為乏資料流域，站網現狀基本空白，本系統站網布設必須覆蓋全流域，以達到基本控制流域內水雨情變化趨勢的目的。經過規劃，本系統擬新建巡測水文站12個、樞紐區臨時水位站與永久水位站各14個、遙測雨量站30個，共計70個遙測站。由于電站工程工期緊，設計從縮短系統建設周期、節省系統建設成本等方面考慮，本系統水文站按巡測水文站方式建設，不考慮生活及辦公用房，測流人員按租用民居方式開展工作。

系統中的12個巡測水文站分別布設于孟威水文站處、7級水電站庫尾處與4個主要支流流域出口處。系統中的28個遙測水位站中，施工期臨時站位于7個梯級水電站上、下圍堰處，運行期永久站位于7個梯級水電站壩前、尾水處。系統中的30個遙測雨量站主要布設于水文站未控區間，密度約500 km2/站。

2.2通信組網

現場踏勘及信道測試的結果表明，南歐江流域位于老撾北部山區，手機通訊條的件很差，北斗衛星的信號穩定。為滿足水情預報系統對信息傳輸的要求，本系統數據的傳輸采用北斗衛星通信為主信道、GSM短信息(GPRS)為備用通信信道混合組網方式。

綜合自報式、應答式和混合式3種常用工作體制的特性進行分析，考慮到衛星通信在待命狀態下功耗較大，且采用自報式工作體制其系統已具有現地和遠地編程控制功能、定時自報與事件自報(參數變化達到設定值加報)功能；為此，本系統采用自報式工作體制。

2.3系統站網建設

為保證工程質量，本系統實行嚴格的施工質量管理制度。自2013年8月開始籌建，2014年5月10日完成系統建設與設備安裝調試，共計48個遙測站、1個水情中心站。規劃設計中的30個遙測雨量站、12個巡測水文站全部完成，一期工程施工區6個臨時遙測水位站已完成。二期工程施工期8個臨時遙測水位站與全部運行期14個永久遙測水位站配合工程建設進度逐步實施。

水情中心站是為水情預報和信息服務提供軟硬件的平臺，主要由水情信息接受處理系統、數據庫、計算機網絡系統組成，設在業主營地，從2014年4月1日起正式運行服務。

3　乏資料流域的水情預報

3.1簡介

乏資料流域水文預報，簡稱為PUB( Predictions in Ungauged Basins)，從2003年7月開始成為國際水文科學學會新的國際水文十年計劃主題。傳統的水文預報研究大部分均是著眼于有資料流域的。即，根據已有資料建立合適的經驗關系或模型來進行預報。然而，當今地球上還存在著無數資料匱乏的流域，而且已具備資料的流域可能因為環境變化或人類活動影響使得歷史資料不可用而變為無資料的流域。

如何解決這些乏資料流域的水文預報問題，一直是困擾水文學家的難題。本系統所處的老撾南歐江流域便是一個典型的乏資料流域。項目部針對南歐江流域梯級水電站工程各階段施工與運行的實際需要，利用新建測站收集到的資料，對水情預報方案(包括施工期、運行期)進行編制與實施，使本系統發揮作用。

3.2預報方案的編制

工作初期，考慮到流域乏資料的特殊情況，在編制水情預報方案時并未采用新安江模型等參數較多的傳統水文模型，而是總結以往類似工作經驗的基礎上，編制了一套參數簡單合理、可自回歸修正率定的實時滾動預報模型。

本模型采用河系流量演算(主要支流采用合成流量法)加區間降雨徑流計算的方法，核心的產流計算模塊分為地表產流與地下產流兩個部分。地表產流計算將產流系數與流域土壤前期影響雨量建立起一組分段函數的關系；地下產流計算將本時刻的產流量與前一時刻的產流量和流域土壤前期影響雨量建立起一個相關關系。上述兩個相關參數可實時自回歸修正率定。此外，地表匯流采用單位線進行匯流計算，地下徑流計算采用線性水庫模型。每個梯級的出庫站作為下一個梯級的入庫控制站，逐級滾動預報。

目前，在不斷優化、完善上述模型的基礎上，項目部與武漢大學夏軍院士及其團隊積極合作，探討將其自主研發的具有自主知識產權、經過全球60多個代表性流域驗證的優秀成果——水文非線性時變增益模型(TVGM)應用于南歐江流域的水情預報中。該模型的主要特色是采用系統水文學的理論與方法，識別了降雨-徑流關系中關鍵的時變非線性問題；模型具有參數少、易于率定和在無資料地區應用的優勢。其中，重要的貢獻是產流過程中土壤濕度(即土壤含水量)不同所引起的產流量變化。

地表產流量Rs(t)描述為地表產流因子Gs(t)與實際降雨X(t)的乘積關系。即

Rs(t)=Gs(t)X(t)

(2)

地表產流方式采用時變增益的思想，即

Gs(t)=g1+g2API(t)

(3)

式中，g1和g2是時變增益因子的有關參數；API(t)是流域土壤前期影響雨量。

地下產流模塊中，由于API在一定程度上代表土壤含水量，因此，地下產流量Rg采用地下增益因子g3與土壤前期影響雨量API之積表示

Rg(t)=g3API(t)

(4)

式中，g3為地下產流系數，與流域下墊面特性有關。總產流量R為地表產流量Rs與地下產流量Rg之和。即

R(t)=Rs(t)+Rg(t)

(5)

此外，針對樞紐區水位流量關系受圍堰、壩體壅水影響而失效的情況，我們也進行了分析處理。天然情況下，洪水波主要受河床槽蓄影響，自上往下進行推進；圍堰或壩體上游壅水后，在水庫蓄水的淹沒范圍內，改變了原來河道的水力要素與水文特性，水流流速減慢而波速大大增加，對于洪水則有洪峰增高，峰現時間提前，洪水歷時減小等現象。

水庫的庫水位(庫容)主要受水庫上游來水及下泄流量決定，可利用水庫的時段水量平衡方程，進行水庫調節計算分析求解。

3.3預報方案的實施

本系統僅建設完成不到一個月的時間(即2014年6月1日)，中心站便已開始發布水情預報。然而傳統水文預報模型的建立及其相關參數的耦合計算是需要大量歷史水文氣象資料支撐的。根據《水文情報預報規范》(GB/T 22482—2008)的規定，編制水文預報方案使用的資料應滿足：對于洪水預報方案(包括水庫水文預報及水利水電工程施工期預報)，要求使用不少于10年的水文氣象資料。此外，流域山區性氣候特點與工程施工改變河道水文特性等原因都制約著水情預報方案的實施效果。

預報方案實施初期，梯級電站每月各預報項目12h預報合格率均大于70%，達到乙級精度等級。經過專業技術人員對南歐江流域特性的不斷總結、匯流參數的滾動分析、產流參數的滾動耦合計算，從當年枯季開始，梯級電站每月各預報項目12h預報合格率均大于85%，全部達到甲級精度等級。

針對類似乏資料流域水情預報方案的實施過程，尤其需要重視：①加強流域匯流特性的分析、降雨徑流的耦合計算，隨著資料的積累，流域水文特性的變化，對預報模型中河段流量演算及降雨徑流參數不斷修正；②對已發布的較長預見期的預報成果隨時進行修正，特別是預見期內區間降雨量較大時，發現可能存在較大誤差時，及時發布補充預報。

目前，上述水情預報方案的實施效果良好，預報精度與預見期均能滿足梯級電站工程施工與運行需要。同時，我們也積極摸索將水文非線性時變增益模型(TVGM)應用于南歐江流域梯級水電站水情預報工作中，與原有模型相互參照、相互印證，進一步提升本系統預報方案的實施效果，強化工程安全保障與效益發揮。

4　系統運行維護

南歐江梯級水電站水情自動測報系統運行服務工作由專門成立的項目部統一領導和安排，項目部嚴格按照服務合同及DL/T 1014—2006《水情自動測報系統運行維護規程》要求開展系統的運行服務。主要承擔如下工作：

4.1水情報汛服務

項目部安排技術熟練的具有水文、通信、計算機等方面專業知識的運行人員駐守水情中心站，開展梯級電站水情報汛服務。中心站嚴格按照規定執行水情發報以及暴雨、超標洪水的預警工作，通過水情日報、水情簡報、水情快報、水情簡訊及預警信息等方式及時發布水雨情信息，每月初發布上個月的水情月報，并通過各種渠道及時答復業主及各參建單位臨時性水情咨詢。

項目部不僅在中心站現場有人值守，在遇到重大水情時，其中還有技術專家提供支持。在遇到流域突降暴雨河水陡漲，樞紐區水位敏感，如：水位逼近設防水位或者預測會翻越圍堰等特殊水情時，中心站預報作業人員會及時聯系后方技術支持專家組，進行水情會商；還制定了一套嚴格的水情信息發布流程，區分信息的緊急程度對應采用不同的響應方式，具體如下。常規信息采用即時通訊軟件發布的方式，另在中心站提供WEB服務，將流域水雨情信息公布到專門網站上供查詢；有特殊水雨情時采用手機短信群發的方式；緊急水情以電話方式通知業主項目部負責人，在緊急情況而以上通訊方式不暢時，可采用衛星電話的方式進行發布。

4.2巡測站測流

巡測站測驗設備采用美國原裝進口的聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)進行流動巡測，測驗方式采用無線走航式。以巡測方式建設水文站固然可以縮短系統建設周期、節省系統建設與運行成本；但是由于水文站無人駐守，當預見到河道水位較大將出現漲幅或有可能出現洪峰時，項目部必須提前響應、安排巡測工作，以保證對應流量級不會漏測，為流域各斷面水位流量關系曲線的擬定提供堅實的保障。

系統運行以來，項目部除了每年開展常規巡測以外，還時刻關注流域天氣變化與河道水位變化情況，以做到有針對性地開展流量巡測工作。例如，2014年7月臺風“威馬遜”登陸前，項目部立即增派技術人員趕赴工地，組成三支隊伍分別堅守三個施工中的梯級電站，監測7月21日至22日的洪水。為本次洪峰流量的確定以及各斷面水位流量關系曲線的擬定奠定了堅實的基礎。

巡測站流量測驗工作為本系統各斷面水位流量關系曲線的擬定提供了寶貴的原始數據，為梯級電站水文情報預報工作的開展夯實了基礎。

4.3系統設備維護

系統運行以來，為確保系統設備處于正常工作狀態，項目部開展了卓有成效的設備維護工作，主要包括：①日常維護，委托遙測站看護人進行遙測設備的日常維護；中心站現場值班人員每日對中心站設備運行情況、遙測站設備工作狀態進行巡視，一旦出現故障，及時處理。②定期維護：進行了汛前檢查、汛期巡查和汛后檢查。

5　結　語

從老撾南歐江流域梯級水電站工程施工與運行的實際需求出發，針對流域缺乏歷史水文觀測資料的不利條件，項目部在實踐工作中不斷探索、承優創新，逐步建立并完善了南歐江梯級水電站水情自動測報系統。目前，系統運行狀況良好，為各級水電站施工期安全度汛、運行期優化調度等業主切實關心問題提供了決策依據，發揮了應有的作用。

[1]水利部水利水電規劃設計總院， 中水東北勘測設計研究有限責任公司. 水利水電工程水文自動測報系統設計手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2008．

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[3]談戈， 夏軍， 李新. 無資料地區水文預報研究的方法和出路[J]. 冰川凍土， 2004， 26(2)： 192- 196．

[4]夏軍， 宋霽云， 曾思棟， 等. 水文非線性與水系統科學[C]∥鄧堅. 中國水文科技新發展——2012中國水文學術討論會論文集. 南京： 河海大學出版社， 2012．

(責任編輯陳萍)

Design and Implementation of Watershed Automatic Hydrological Forecast System for Data-scare Basin: A Case of Cascade Hydropower Projects in Nam Ou River

ZHOU Chi, DENG Yao, GAO Chao

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

For meeting the actual demands of cascade hydropower project construction and operation in Nam Ou River of Laos on hydrological forecast, PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited gradually establishes and improves the automatic hydrological forecast system for cascade hydropower stations under the adverse conditions of low-density hydrologic network and lack of historical hydrological observation. The main tasks of automatic hydrological forecast system development include system planning and design, hydrological station network construction, preparation and implementation of hydrological forecasting, and system operation and maintenance. Currently, the system operates in good conditions which provide basis for decision making on the flood control during hydropower station construction period and the operation scheduling optimization of stations．

automatic hydrological forecast system; data-scare basin; system operation and maintenance; cascade hydropower station in Nam Ou River

2016- 03- 22

周馳(1980—)，男，重慶人，高級工程師，主要從事水情測報系統設計和實施工作．

P332

A

0559- 9342(2016)05- 0036- 04