乏资料流域的水情自动测报系统设计与实现——以南欧江梯级水电工程为例

周　驰，邓　瑶，高　超

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



乏资料流域的水情自动测报系统设计与实现

——以南欧江梯级水电工程为例

周驰，邓瑶，高超

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

从老挝南欧江流域梯级水电站工程施工与运行的实际需求出发，中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司针对流域内水文站网密度低、缺乏历史水文观测资料的不利条件，在实践工作中不断探索、承优创新，逐步建立完善了南欧江梯级水电站水情自动测报系统，主要涉及该系统的规划设计、系统站网建设、水情预报方案编制与实施、系统运行与维护等多项工作。目前该水情自动测报系统运行状况良好，为各级电站施工期安全度汛、运行期优化调度等业主切实关心问题提供决策依据，发挥了应有的作用。

水情自动测报系统；乏资料流域；系统运行维护；南欧江梯级水电站

1　南欧江流域概况

南欧江(Nam Ou River)是老挝境内湄公河左岸最大支流，发源于中国云南省江城县与老挝丰沙里省接壤的边境山脉一带，河流流向开始自北向南，约50 km后转向朝东，在B.Muanghat Hin 又折向南至B.Sopkai，最后在B.Pak-ou 汇入湄公河，全河流域面积25 634 km2，河长475 km。南欧江干流河段按一库七级方案开发，分两期建设，其中二五六级电站为一期工程，一三四七级电站为二期工程。南欧江流域水系发达，支流众多；但仅在南欧江干流下游孟威(M.Ngoy)县城设有孟威水文站(Muong Ngoy)，集水面积19 258 km2。孟威水文站具有1987 年～2003 年的水位流量观测资料，后已停止流量观测。南欧江流域及邻近流域仅有四个雨量站(丰沙里、孟赛、孟威水文站、琅勃拉邦站)，平均超过6 000 km2才有一个雨量站，且资料年限较短。可见，南欧江流域为典型的乏资料流域，站网密度严重不足，无法满足工程需求。

2　系统规划设计

从老挝南欧江流域梯级水电站工程施工与运行的实际需要出发，业主委托中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司老挝南欧江水情项目部(以下简称“项目部”)建立了一套梯级水电站水情自动测报系统。系统设计遵循“流域统筹、远近结合、分步实施”的原则。

2.1预报方案配置及站网布设

结合南欧江流域相对狭长、支流众多的特点，为达到一定的洪水预报精度，预报方案配置以河系预报方案(以雨量为参数的相应流量、合成流量法)为主。每一级水电站以上游最近的干流控制站作为该级电站的入流控制站，主要支流通过支流水文站控制，流域区间降雨量通过区间各雨量监测点(含遥测雨量站和兼顾雨量监测的遥测水文站、遥测水位站)控制，以此开展该级电站的水情预报方案配置。即

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

(1)

式中，Q入库，t为电站t时刻的入库流量；Q上游，t-Δt为上游控制站(t-Δt)时刻的流量，Δt为区间河系洪水波的传播时间；Q支流，t-Δt’为支流站(t-Δt’)时刻的流量，Δt’为支流站至该级电站坝址洪水波的传播时间；P，Pa分别为流域区间降雨量、流域区间土壤含水量。

系统规划设计考虑到老挝南欧江为乏资料流域，站网现状基本空白，本系统站网布设必须覆盖全流域，以达到基本控制流域内水雨情变化趋势的目的。经过规划，本系统拟新建巡测水文站12个、枢纽区临时水位站与永久水位站各14个、遥测雨量站30个，共计70个遥测站。由于电站工程工期紧，设计从缩短系统建设周期、节省系统建设成本等方面考虑，本系统水文站按巡测水文站方式建设，不考虑生活及办公用房，测流人员按租用民居方式开展工作。

系统中的12个巡测水文站分别布设于孟威水文站处、7级水电站库尾处与4个主要支流流域出口处。系统中的28个遥测水位站中，施工期临时站位于7个梯级水电站上、下围堰处，运行期永久站位于7个梯级水电站坝前、尾水处。系统中的30个遥测雨量站主要布设于水文站未控区间，密度约500 km2/站。

2.2通信组网

现场踏勘及信道测试的结果表明，南欧江流域位于老挝北部山区，手机通讯条的件很差，北斗卫星的信号稳定。为满足水情预报系统对信息传输的要求，本系统数据的传输采用北斗卫星通信为主信道、GSM短信息(GPRS)为备用通信信道混合组网方式。

综合自报式、应答式和混合式3种常用工作体制的特性进行分析，考虑到卫星通信在待命状态下功耗较大，且采用自报式工作体制其系统已具有现地和远地编程控制功能、定时自报与事件自报(参数变化达到设定值加报)功能；为此，本系统采用自报式工作体制。

2.3系统站网建设

为保证工程质量，本系统实行严格的施工质量管理制度。自2013年8月开始筹建，2014年5月10日完成系统建设与设备安装调试，共计48个遥测站、1个水情中心站。规划设计中的30个遥测雨量站、12个巡测水文站全部完成，一期工程施工区6个临时遥测水位站已完成。二期工程施工期8个临时遥测水位站与全部运行期14个永久遥测水位站配合工程建设进度逐步实施。

水情中心站是为水情预报和信息服务提供软硬件的平台，主要由水情信息接受处理系统、数据库、计算机网络系统组成，设在业主营地，从2014年4月1日起正式运行服务。

3　乏资料流域的水情预报

3.1简介

乏资料流域水文预报，简称为PUB( Predictions in Ungauged Basins)，从2003年7月开始成为国际水文科学学会新的国际水文十年计划主题。传统的水文预报研究大部分均是着眼于有资料流域的。即，根据已有资料建立合适的经验关系或模型来进行预报。然而，当今地球上还存在着无数资料匮乏的流域，而且已具备资料的流域可能因为环境变化或人类活动影响使得历史资料不可用而变为无资料的流域。

如何解决这些乏资料流域的水文预报问题，一直是困扰水文学家的难题。本系统所处的老挝南欧江流域便是一个典型的乏资料流域。项目部针对南欧江流域梯级水电站工程各阶段施工与运行的实际需要，利用新建测站收集到的资料，对水情预报方案(包括施工期、运行期)进行编制与实施，使本系统发挥作用。

3.2预报方案的编制

工作初期，考虑到流域乏资料的特殊情况，在编制水情预报方案时并未采用新安江模型等参数较多的传统水文模型，而是总结以往类似工作经验的基础上，编制了一套参数简单合理、可自回归修正率定的实时滚动预报模型。

本模型采用河系流量演算(主要支流采用合成流量法)加区间降雨径流计算的方法，核心的产流计算模块分为地表产流与地下产流两个部分。地表产流计算将产流系数与流域土壤前期影响雨量建立起一组分段函数的关系；地下产流计算将本时刻的产流量与前一时刻的产流量和流域土壤前期影响雨量建立起一个相关关系。上述两个相关参数可实时自回归修正率定。此外，地表汇流采用单位线进行汇流计算，地下径流计算采用线性水库模型。每个梯级的出库站作为下一个梯级的入库控制站，逐级滚动预报。

目前，在不断优化、完善上述模型的基础上，项目部与武汉大学夏军院士及其团队积极合作，探讨将其自主研发的具有自主知识产权、经过全球60多个代表性流域验证的优秀成果——水文非线性时变增益模型(TVGM)应用于南欧江流域的水情预报中。该模型的主要特色是采用系统水文学的理论与方法，识别了降雨-径流关系中关键的时变非线性问题；模型具有参数少、易于率定和在无资料地区应用的优势。其中，重要的贡献是产流过程中土壤湿度(即土壤含水量)不同所引起的产流量变化。

地表产流量Rs(t)描述为地表产流因子Gs(t)与实际降雨X(t)的乘积关系。即

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

(2)

地表产流方式采用时变增益的思想，即

Gs(t)=g1+g2API(t)

(3)

式中，g1和g2是时变增益因子的有关参数；API(t)是流域土壤前期影响雨量。

地下产流模块中，由于API在一定程度上代表土壤含水量，因此，地下产流量Rg采用地下增益因子g3与土壤前期影响雨量API之积表示

Rg(t)=g3API(t)

(4)

式中，g3为地下产流系数，与流域下垫面特性有关。总产流量R为地表产流量Rs与地下产流量Rg之和。即

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

(5)

此外，针对枢纽区水位流量关系受围堰、坝体壅水影响而失效的情况，我们也进行了分析处理。天然情况下，洪水波主要受河床槽蓄影响，自上往下进行推进；围堰或坝体上游壅水后，在水库蓄水的淹没范围内，改变了原来河道的水力要素与水文特性，水流流速减慢而波速大大增加，对于洪水则有洪峰增高，峰现时间提前，洪水历时减小等现象。

水库的库水位(库容)主要受水库上游来水及下泄流量决定，可利用水库的时段水量平衡方程，进行水库调节计算分析求解。

3.3预报方案的实施

本系统仅建设完成不到一个月的时间(即2014年6月1日)，中心站便已开始发布水情预报。然而传统水文预报模型的建立及其相关参数的耦合计算是需要大量历史水文气象资料支撑的。根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)的规定，编制水文预报方案使用的资料应满足：对于洪水预报方案(包括水库水文预报及水利水电工程施工期预报)，要求使用不少于10年的水文气象资料。此外，流域山区性气候特点与工程施工改变河道水文特性等原因都制约着水情预报方案的实施效果。

预报方案实施初期，梯级电站每月各预报项目12h预报合格率均大于70%，达到乙级精度等级。经过专业技术人员对南欧江流域特性的不断总结、汇流参数的滚动分析、产流参数的滚动耦合计算，从当年枯季开始，梯级电站每月各预报项目12h预报合格率均大于85%，全部达到甲级精度等级。

针对类似乏资料流域水情预报方案的实施过程，尤其需要重视：①加强流域汇流特性的分析、降雨径流的耦合计算，随着资料的积累，流域水文特性的变化，对预报模型中河段流量演算及降雨径流参数不断修正；②对已发布的较长预见期的预报成果随时进行修正，特别是预见期内区间降雨量较大时，发现可能存在较大误差时，及时发布补充预报。

目前，上述水情预报方案的实施效果良好，预报精度与预见期均能满足梯级电站工程施工与运行需要。同时，我们也积极摸索将水文非线性时变增益模型(TVGM)应用于南欧江流域梯级水电站水情预报工作中，与原有模型相互参照、相互印证，进一步提升本系统预报方案的实施效果，强化工程安全保障与效益发挥。

4　系统运行维护

南欧江梯级水电站水情自动测报系统运行服务工作由专门成立的项目部统一领导和安排，项目部严格按照服务合同及DL/T 1014—2006《水情自动测报系统运行维护规程》要求开展系统的运行服务。主要承担如下工作：

4.1水情报汛服务

项目部安排技术熟练的具有水文、通信、计算机等方面专业知识的运行人员驻守水情中心站，开展梯级电站水情报汛服务。中心站严格按照规定执行水情发报以及暴雨、超标洪水的预警工作，通过水情日报、水情简报、水情快报、水情简讯及预警信息等方式及时发布水雨情信息，每月初发布上个月的水情月报，并通过各种渠道及时答复业主及各参建单位临时性水情咨询。

项目部不仅在中心站现场有人值守，在遇到重大水情时，其中还有技术专家提供支持。在遇到流域突降暴雨河水陡涨，枢纽区水位敏感，如：水位逼近设防水位或者预测会翻越围堰等特殊水情时，中心站预报作业人员会及时联系后方技术支持专家组，进行水情会商；还制定了一套严格的水情信息发布流程，区分信息的紧急程度对应采用不同的响应方式，具体如下。常规信息采用即时通讯软件发布的方式，另在中心站提供WEB服务，将流域水雨情信息公布到专门网站上供查询；有特殊水雨情时采用手机短信群发的方式；紧急水情以电话方式通知业主项目部负责人，在紧急情况而以上通讯方式不畅时，可采用卫星电话的方式进行发布。

4.2巡测站测流

巡测站测验设备采用美国原装进口的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)进行流动巡测，测验方式采用无线走航式。以巡测方式建设水文站固然可以缩短系统建设周期、节省系统建设与运行成本；但是由于水文站无人驻守，当预见到河道水位较大将出现涨幅或有可能出现洪峰时，项目部必须提前响应、安排巡测工作，以保证对应流量级不会漏测，为流域各断面水位流量关系曲线的拟定提供坚实的保障。

系统运行以来，项目部除了每年开展常规巡测以外，还时刻关注流域天气变化与河道水位变化情况，以做到有针对性地开展流量巡测工作。例如，2014年7月台风“威马逊”登陆前，项目部立即增派技术人员赶赴工地，组成三支队伍分别坚守三个施工中的梯级电站，监测7月21日至22日的洪水。为本次洪峰流量的确定以及各断面水位流量关系曲线的拟定奠定了坚实的基础。

巡测站流量测验工作为本系统各断面水位流量关系曲线的拟定提供了宝贵的原始数据，为梯级电站水文情报预报工作的开展夯实了基础。

4.3系统设备维护

系统运行以来，为确保系统设备处于正常工作状态，项目部开展了卓有成效的设备维护工作，主要包括：①日常维护，委托遥测站看护人进行遥测设备的日常维护；中心站现场值班人员每日对中心站设备运行情况、遥测站设备工作状态进行巡视，一旦出现故障，及时处理。②定期维护：进行了汛前检查、汛期巡查和汛后检查。

5　结　语

从老挝南欧江流域梯级水电站工程施工与运行的实际需求出发，针对流域缺乏历史水文观测资料的不利条件，项目部在实践工作中不断探索、承优创新，逐步建立并完善了南欧江梯级水电站水情自动测报系统。目前，系统运行状况良好，为各级水电站施工期安全度汛、运行期优化调度等业主切实关心问题提供了决策依据，发挥了应有的作用。

[1]水利部水利水电规划设计总院， 中水东北勘测设计研究有限责任公司. 水利水电工程水文自动测报系统设计手册[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008．

[2]晏忠林. 水情自动测报系统在龙滩水电工程中的应用[J]. 水力发电， 2003， 29(10)： 27- 29．

[3]谈戈， 夏军， 李新. 无资料地区水文预报研究的方法和出路[J]. 冰川冻土， 2004， 26(2)： 192- 196．

[4]夏军， 宋霁云， 曾思栋， 等. 水文非线性与水系统科学[C]∥邓坚. 中国水文科技新发展——2012中国水文学术讨论会论文集. 南京： 河海大学出版社， 2012．

(责任编辑陈萍)

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

周驰(1980—)，男，重庆人，高级工程师，主要从事水情测报系统设计和实施工作．

P332

A

0559- 9342(2016)05- 0036- 04