非洲熱帶草原氣候區水情監測預警系統的研究

嚴克凡 陳麗 駱成生

摘要：水情預警系統是根據水文預報基本原理，采取現代化的通訊手段，完成水情監測的信息化、模型化、網絡化，保障雨量信息能夠及時傳遞至監控中心，并通過計算機處理，將雨量信息導入模型，從而得到雨量的實時信息，并制成圖標，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為例，對該區域的水情監測預警系統進行研究，以期給其他國家和地區提供相應的借鑒意義。

關鍵詞：非洲熱帶草原氣候區;水情監測預警系統;研究要點

一、前言

在滿足工程項目的防洪度汛要求之后，因為考慮到當前全球范圍水電站存在的配套設置不完善、基礎服務相對落后以及相關資料缺失等情況，所以為了更好的保證項目汛期施工的安全性，必須建立符合實際的水情監測預警系統，這是非常關鍵的，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700km。電站工程區位于Rufiji河下游的Stiegler峽谷河段，距坦桑尼亞舊首都達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）、右岸引水系統及地面廠房等幾個方面組合而成的。地面式廠房長度280m，寬32m，高60m，且工廠廠房內部安裝了9臺立軸混流式水輪機組，單機容量235MW，電站總裝機容量為2115MW。廠房基礎高程44.0m，機組安裝高程61.0m，尾水平臺高程81.0m。工程區域屬熱帶草原氣候，6～10月份為干季，11～5月為雨季，年平均降雨量為1002mm，年平均蒸發量為2000mm;氣侯特征是每年4 月至9月氣溫相對較低，10月～3月氣溫相對較高，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，本電站澆筑強度位于所有已建在建項目中世界前10位。

三、非洲熱帶草原氣候區水情監測預警系統

本項目擬建立的水情監測預警系統就是以新安江模型為理論基礎建立的。通過雨量站收集雨量信息，根據多次降雨推求出產流公式中的常數，得到匯水流量，另外根據流量站，測流出河道斷面結構、流速、流量等信息，在得到上述全部信息后，在中心站進行匯總，將需要的所有參數代入模型公式，從而得到洪水過程線，預測洪水將要抵達的時間。完成一次水情監測預警，這個過程是連續不間斷的，因此我們得到的水情信息也是不間斷的。

關于新安江模型，其是一種分布式模型，可以用于濕潤地區與半濕潤地區的濕潤季節，這種模型是按照三層蒸散發對流域蒸散發進行計算，并且嚴格按照蓄滿產流概念對降雨過程中產生的總徑流量進行計算，通過流域蓄水曲線對下墊面不均勻對產流面積變化的影響進行充分考慮。同時在劃分徑流成分時按照“山坡水文學”產流理論對有限容積和測孔、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。同時計算匯流的過程中，單位面積內的地面徑流通常情況下會采用單位線法，土壤中水徑流和地下水徑流的匯流采用線性水庫法，通常情況下河網匯流會采用分段連續演算的Muskingum法或者滯時演算法。

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，基礎建設一般有所欠缺，經濟建設常常比較落后，導致在大壩庫區匯水流域，很少有非常詳實的水文資料。另外由于本項目地處國家動物保護區，野生動物多，攻擊性強，也導致水文站點、雨量站點稀少，同時當地技術服務工作意識不強，降水預報不夠準確。因此在本項目建立水文預警系統能有利于獲取第一手實際的降雨水文并進行洪水預警，也能方便收集和保存水文氣象資料，指導水電站建成后的多年降水調節。

2、建立水文站以后的好處：

（1）信息能通過手機軟件直達每個員工手中，及時降雨，瞬間了解水情，同時根據防洪預警方案作出反應。本項目網絡條件相對較好，在大多數地區可以接收到比較良好的信號，定制手機APP來接收中心站處理后的水文信息，根據權限來制定不同人的手機APP權限，高權限人員可以獲取全部水文信息，低權限人員獲得洪水預報，既避免不必要的信息對施工人員的干擾，也可以在洪水來臨的關鍵時期，避免因為信息傳遞不及時而導致寶貴的撤退時間被耽誤。 為防止雨量站等遙測站點出現故障、或雨季時候人工巡查雙保險，各遙測站點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、網絡通訊斷路的情況下，遙測站點也能及時將雨情信息傳遞到項目指揮與施工人員耳中。

（2）避免對雨情水情主觀臆測，科學處理洪水，避免無意義調度，洪水時也能及時作出反應，避免較大的人員財產損失。在雨季施工時，有兩個洪水預警的困難，一個是本區域雨量較大，但是洪水較為平緩，為了確保安全，項目會指揮現場人員撤退、設備撤離或封存，結果預料中的威脅安全的洪水沒有到達，又需要組織人員設備進場，從而導致無用調度，影響了施工組織生產;另一個是本區域雨量不大，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，人員設備緊急撤離，但是這種撤離要么不及時導致人員傷亡、設備損失，正在澆筑的倉號停倉，要么撤離不充分，導致不必要的經濟損失。通過水情預警系統的建立，在推求出合理的洪水過程線以后，根據來水情況，制定河道水位對應的應急響應辦法，低水位時保持靜默，水位上漲時，保持警戒繼續施工，水位達到預警水位，人員設備隨時準備撤離，在這個機制的指導下，有效的避免無用調度與洪水突然上漲造成損失。

（3）為以后相關項目洪水預警作出示范和指導。在完成本項目的水文預警系統的建設后，通過幾年的運行運轉，如果能夠滿足施工期的洪水預警的需要，避免了經濟損失，通過后期的核算，有明顯的經濟效益，那么這套系統就有推廣的價值，相關人員也可以做為技術指導，為本公司其他項目挽回潛在的損失、

五、非洲熱帶草原氣候區水情監測預警系統研究開發方法及技術路線

1、研究開發方法

水文監測預警系統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系曲線，在具體的計算過程中，需要基于流域雨量網站的分布，采用泰森多邊形法把全流域分成為很多塊單位子流域，對每一個單元子流域產匯流進行計算，得出單元子流域的出口流量過程，再對出口以下的河道洪水進行驗算，驗算出流域出口流量過程。同時應該將每個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預報結果造成的影響。

新安江模型的產流計算公式為：

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表示產流量，MM表示流域最大點蓄水容量，P表示降雨量;E表示蒸發量;K表示蒸散發折減系數;W表示流域蓄水容量。

河網洪水預報采取馬斯金根法用線性的槽蓄方程與水量平衡方程聯解，得出流域的有限差公式，以對河道供水進行驗算（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河段蓄量S與示儲流量Q'成線形關系，以此簡化驗算，即：S=KQ'。

在公式中K表示蓄量參數，因為河段蓄量可以分成為柱蓄和楔蓄兩個組成部分，所以Q'是入流I和出流O的函數，即Q'=〔XI+（1-X）O〕，

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

將馬斯京根槽蓄方程與水量平衡方程聯解，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對時段除和末時刻進行表示，用C0、C1、C2表示斯京根法參數K和X的參數，他們之和為1。

2、技術路線

（1）流域匯水面積研究、水文資料收集。根據前期水文勘測資料，進一步整理相關的信息，劃分流域、分水嶺、匯水面積的基礎信息。初步確需要布置站點的類型與數量，并根據想要實現的預警時間初步確定各站點的布置位置。

（2）現場踏勘雨量站布置，水文站定點，中心站網絡組裝。根據初步確定的站點位置，組織專業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指標與盡量滿足和方便的施工的前提下，確定各站點的最終位置，建設各站點，使其滿足水情監測預警系統的需要。在各個站點建設完畢后，組裝并入系統中，使得整個系統得以正常運轉運行。

（3）采集雨量信息。系統成功建立后，遙測雨量站的信息記錄隨即開始，此時在整個匯流面積中的降雨情況已經能夠實時的傳輸到中心站，并開始記錄，作為資料的一部分儲存并開始推求匯流關系。本項目工期異常緊張，圍堰的防洪標準只有5年一遇，因此，實時監測水情是滿足項目施工期安全的實際需要的必要條件。根據新安江模型，想要推求洪水過程線，必須要獲得降雨量，河道水位，過水斷面的斷面流量情況。分別對應雨量站，雷達水位計，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信息。

（4）根據日常雨量信息對未來短時間，中長時間雨量進行預判。在雨量站收集到幾次雨量信息和ADCP完成相應的測流之后，就可以根據新安江模型中的公式，推求出經驗公式中雨量匯流系數。得到匯流系數，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，有幾個小時到幾天的過程，建立了相應的關系后，可以將洪水預警提前，如洪水流量過大，撤退的工作就會進行的更加從容，安全撤離人員和設備，挽回更多的損失。

（5）ADCP測船建立水位流量關系曲線。在水文站建立后，纜道架設在合適的河道兩岸，通過將ADCP在河道上來回移動，可以得到對應位置的河床斷面情形，ADCP同時也會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系曲線。

（6）設定參數，調試系統。根據項目圍堰高程和防洪度汛標準，制定分級響應的水位高程線，并錄入到中心站點中。幾次小降雨后，整個匯水流域的雨量匯流關系曲線得以建立，河網的匯流關系曲線，洪峰到來時間與河道流速的關系也得到完善，整個水文監測預警系統便得以正式運行。

（7）開始播報，實時監控。在系統正式運行后，開始通過定制的手機APP開始進行發報。

六、水情監測預警系統應用中需要注意的要點

1、數據傳輸與管理

在對水情進行監測當中，監測站均是采用離散分布模式，但是由于數據都是集中管理，所以為了確保數據傳輸的有效性，不會選取不相同站點中的架線來傳輸，而是選取遠程無線控制模式，在發生緊急或危機情況之下會由人工方式來采集數據，其中無線通信包括超短波傳輸、衛星傳輸以及移動數據網絡等，移動數據傳輸得到了非常廣泛的應用。現階段，移動網絡已覆蓋了大部分地域，數據信息得以高速傳輸既可以保證傳輸的穩定性，還能減少運行成本投入，所以在水情檢測預警系統中，大多數都是采用移動數據網絡，采用這種無線通信來采集數據，可以高效、精準以及實時監測水文情況和降雨量，把所有數據都傳輸到信息控制中心，并且建立相應的數據庫，開發建設相應的信息化軟件，以此對數據進行統一管理、訪問以及共享。

3、預警

在進行水情監測當中預警系統是重點，預警系統在應用中需要注意兩個方面的內容，一是低于正常數值，該項類型的信息雖然不會引起工程災害，但是也一定程度影響經濟效益，主要是通過郵件方式發送出。二是超過安全警戒值，該類現象不僅極易引起安全事故，還會危害人們的人身安全，是通過短信發出的。如果監測數據與歷史資料差異較小，系統就會把信息直接發送給管理人員，且自動化的預警;如果檢測數據與歷史資料的差異比較大，比如對水庫進行監測過程中，會自動化的控制閘門的啟動和關閉，與此同時可以向管理人員發送警報，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撤離。

七、結束語

綜上所述，水情監測預警系統建設之后，通過幾年的運行運轉，如果能夠滿足施工期的洪水預警的需要，就可以避免了經濟損失，提高經濟效益。因此相關人員可以將水情監測預警系統作為技術指導，以此確保工作的有序進行。

參考文獻：

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（作者單位：中國水利水電第十一工程局有限公司）