浩口水电站施工期水情自动测报系统设计与应用

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 北部新区，401120)

水情自动测报系统(以下简称系统)是利用遥测、通信、计算机和网络等先进技术，完成流域或测区内水文、汛情、工情等参数的实时采集、传输和处理，为工程防洪、兴利、优化调度提供服务的自动化系统。系统能快速、准确地采集、传输、处理流域内的水雨情信息，并及时作出准确的洪水预报；能有效提高洪水预报精度，增长预见期；是确保水电工程安全度汛和提高经济效益的重要非工程措施，已在国内外水利水电工程施工和运行中得到广泛运用，并取得了良好的经济效益和社会效益。

1 工程基本情况

芙蓉江流域位于贵州高原东北边缘，下游接近四川盆地。发源于贵州省遵义市绥阳县黄枧乡，自南向北流经正安、道真两县后进入重庆市彭水县和武隆县境内，于武隆的江口镇汇入乌江。干流全长233.7km，河床平均比降4.81‰，全流域面积7886km2。

浩口电站位于武隆县浩口乡浩口村，为芙蓉江干流(小河口～江口)梯级开发中的第11级，主要任务是发电。枢纽工程距下游江口电站约23km，距武隆县城32km。坝址处控制集水面积7400km2，占全流域面积的93.8%，电站装机容量13.5万kW，调节性能为日调节。

角木塘水电站位于芙蓉江干流下游河段，地处贵州省遵义市道真仡佬族苗族自治县境内忠信镇联江村放牛坪，上衔官庄电站，下接浩口电站。该电站为河床式电站，距上游官庄电站厂址约15km，距下游浩口电站约20km，坝址在角木塘大桥下游约2.3km处芙蓉江河段上。坝址以上控制流域集水面积6886km2，占芙蓉江全流域面积(贵州省境内)的87.3%，电站装机容量7万kW，调节性能为日调节。

由于浩口水电站和角木塘水电站为同一业主，基本上同步施工建设，且为上下游关系，因此，浩口水电站施工期水情自动测报系统覆盖角木塘水电站，一并实施。

2 系统总体设计方案

2.1 现有测站基本情况

由于芙蓉江上游已经建成多个水电站，目前，上游距离浩口及角木塘梯级水电站最近的鱼塘水电站具有周调节性能，具有调节洪水的能力，在鱼塘电站坝址以上流域没有必要再布设遥测站点。因此，为满足各梯级工程施工、运行和流域梯级调度对水情预报预见期的要求，本测报系统设计拟在鱼塘电站至浩口电站坝址区间，测报面积为2065km2。

目前本次测报系统范围内，在芙蓉江流域建设有五家院子、长坝等国家基本水文站，同时下游江口水电站建设有浩口水文站，在整个芙蓉江流域建设有17个遥测雨量站，在测报系统范围内有5个遥测雨量站。其中长坝水文站在电站完工后将会被淹没，五家院子水文站将受到角木塘回水影响。浩口水文站处于浩口水电站坝址处，在电站开工后拆除。

2.2 测站布设

根据系统功能、流域河系情况、降雨洪水特性、现有测站分布情况、支流的梯级布设情况，以及测站交通环境条件，进行浩口水情测报系统站网布设。站网布设遵循以下基本原则：

(1)遥测站网应满足洪水预报要求，应同时充分考虑电站施工期和运行期洪水预报调度的要求；

(2)雨量站网密度应能较好地控制流域内降水的时空分布情况，分布基本均匀；

(3)充分考虑山脉、高程等对降水时空分布的影响，便于通信组网；

(4)库区测站应不受水库淹没或回水影响，重要河段应有水文、水位站控制；

(5)应符合《河流流量测验规范》、《水情自动测报系统设计规定》及《水文情报预报规范》等有关规范、规程及规定；

(6)测站尽可能设在交通、生活方便的地方，便于建设和维护管理。

另外，站网兼顾系统施工期和运行期各自的特点和需要进行布设，力争测站建设一次到位，节约投资。

根据以上水文站网布设原则，结合系统测报范围论证结果，兼顾施工期和运行期，施工期水情测报系统共建立了1个中心站(浩口)；5座雨量站，分别为大矸、三桥、梅江、洛龙、濯水雨量站；2座水文站：五家院子、鱼塘水文站；2座水位雨量站：浩口导流洞、角木塘导流洞水位雨量站；2016年3月，增设鱼塘出库水位站1座。

2.3 水情预报方案

浩口、角木塘水电站施工期洪水预报断面包括：角木塘电站坝址、浩口电站坝址2个断面。

根据芙蓉江流域径流、暴雨洪水特性、流域开发情况以及梯级电站运行及综合自动化系统建设的需要，施工期水情自动测报系统洪水期水情预报方案，宜采用河系预报和降雨径流预报(施工期采用API模型)相结合的方法，由于各个断面均设立了水位雨量站，河系预报精度较高。

但是对于角木塘电站，根据洪水传播时间和降雨径流预报初步分析，鱼塘电站至角木塘洪水传播时间较短(1h～3h)、区间(含梅江支流)产汇流至洪峰出现时间也较短(1h左右)，对施工期洪水预报来说预见期较短。区间预见期根据流域特性已经固定，因此，对于施工期安全运行来说，必须时刻关注天气预报以及实时降雨和水位变化，做好趋势预报，同时关注雨量和水位预警指标。

2.3.1 角木塘坝址预报方案

(1)常规方案

鱼塘电站出库至角木塘电站区间有较大支流梅江汇入，角木塘电站入库洪水由两部分组成：鱼塘电站出库流量，区间流量(含梅江流域)。

角木塘水电站坝址流量预报方案：由鱼塘出库和五家院子流量经河系预报演算至角木塘坝址，同时叠加区间降雨径流预报流量。

Qt+τ=f(Q五家院子t，Q鱼塘t，P区t)

式中：Q——预报流量；

f——预报函数；

t——时间；

τ——相应的预见期，

P区——区间降雨径流量。下标汉字为相应的断面名称。

角木塘电站预见期较短，由于上游鱼塘水电站出库流量已经实时监测，在预报过程中应重点关注梅江流域预报，本次施工期将采用API模型进行降雨径流预报。

(2)预警指标

对于角木塘电站常规预报来说，区间产汇流时间较短，为尽可能地提高预见期和大洪水反应时间，在施工期预报方案编制时可探索引入水位和雨量预警指标，为施工期服务。

①鱼塘出库水文站预警指标

在《角木塘水电站可行性研究报告》提供的角木塘电站围堰设计洪水流量的基础上，确定鱼塘出库站实时水位或者流量预警指标，当达到预警指标后，立即向相关领导和工作人员发送预警短信。

S预=f(Q角设，Q鱼，P区)

式中：S预——预警短信发送条件指标；

f——发送条件判断函数；

Q角设——坝址围堰设计洪水流量；

Q鱼——鱼塘出库水文站实时流量(也可用水位代替)；

P区——区间面平均降雨。

预警指标根据输入条件的大小分为准备转移和立即转移两种，在预报方案编制过程中完善。

②导流洞水位预警指标

由于本次方案在电站导流洞进口处设立了遥测水位站，根据导流洞进口水位建立预警指标，作为第一种预警指标的补充，在实际施工过程中观测和完善。

S预=f(Z导)

式中：S预——预警短信发送条件指标；

Z导——导流洞实时水位；

f——发送条件判断函数。

应实时判断水位上涨趋势，将指标分为准备转移和立即转移两种，实际过程中结合天气预报以及上游来水不断完善。

2.3.2 浩口坝址预报方案

浩口坝址流量采用河系预报结合流域预报为主。

(1)采用五家院子和鱼塘出库流量通过时变线性汇流模型演算至浩口坝址，同时叠加区间降雨径流预报流量。

Qt+τ=f(Q五家院子t，Q鱼塘t，P区t)

式中：Q——预报流量；

f——预报函数；

t——时间；

τ——相应的预见期；

P——区间降雨。下标汉字为相应的断面名称。

(2)采用鱼塘实测出库流量和五家院子流量经河系预报或线性演算至角木塘坝址，同时叠加区间降雨径流预报流量，得出角木塘预报流量，然后采用预报流量通过河道演算并叠加区间降雨径流预报流量得出。

Qt+τ=f(Q角木塘t，P区t)

式中：Q——预报流量；

f——预报函数；

t——时间；

τ——相应的预见期；

P——区间降雨。下标汉字为相应的断面名称。

枯期预报区间采用退水曲线法，上游仍然关注鱼塘电站的发电计划和出库水文站的实时数据。

3 系统应用效果

芙蓉江流域浩口、角木塘水电站水情测报系统共设立了1个中心站，10个遥测站，其中水文站2个，水位站1个，水位雨量站2个，雨量站5个。2016年3月，增设鱼塘出库水位站1座。施工期间，浩口导流洞水位站于2016年3月12日05时06分损坏，于4月25日由导流洞进水口撤至导流洞坝体测量高水位，中心站设备、各遥测站设备运行良好，均无故障记录。

2015年遥测站布设运行以来，所有水情信息均为自动采集，自动传输，自动生成报文，专业人员复核发送，保障了报汛的时效性和准确性，共向施工各部门负责人发报365×4×(发送人数52人)份。正常水情时，每日02∶00、08∶00、14∶00、20∶00时发送当前水情信息，出现异常水情时，均第一时间向相关负责人汇报水情信息，报讯时效性达100%，内容准确率达95%以上。

值班人员在每次水情信息报送后都建立审核制度，形成文档。所有水情信息都建立了数据库储存，数据库中包括了实时水情数据库和历史水情数据库，数据库表结构采用标准实时雨水情数据库表结构与标识符标准。水情数据库的数据录入每次都执行初校、复校等制度，所有水情信息均永久保存，并实行异地存放。

项目施工期间，值班人员严格执行防汛纪律，掌握岗位相关技术规定和要求，熟悉水文预报理论与方法，坚持24h值班制。采用短信传送方式第一时间将水情变化信息汇报给项目负责领导，发生较大水情时，及时地以电话方式汇报，为施工部门防汛提供了科学依据，有效地保护了人身财产安全，减轻了洪水灾害损失。