苏阿皮蒂水电站水情水调自动化系统设计

崔 鹏，杨永建，宋伟华，居志刚

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.中国水利电力对外有限公司，北京 100120)

1 流域及工程概况

孔库雷河流域位于几内亚西南部，河流发源于富塔贾隆高原，河源高程约970 m，由东北向西南依次流经马木区和金迪亚区，在首都科纳克里北部注入大西洋，主河道总长约328 km，流域面积约16 800 km2。

孔库雷河流域年降雨量在1 600～2 500 mm之间，自上游向下游递增。降雨量年际变化较小，年内分配不均匀。流域内径流模数从上游至下游递增，Telimele站年平均径流量约96亿m3，径流系数0.48。径流量年际变化不大，最大最小比值为2.9，变差系数为0.26。径流的年内分配不均匀，雨季、旱季相差悬殊，7月至11月径流量占全年径流总量的90%。

苏阿皮蒂(Souapiti)水电站位于孔库雷河中游，集水面积10 800 km2，正常蓄水位相应库容63亿m3，多年平均径流量103.4亿m3，电站装机450 MW，多年平均发电量20.16亿kW·h，是干流规划4个梯级电站中的第二座。上游已建的格拉菲里(Garifiri)水电站，集水面积2 480 km2，多年平均径流量22.06亿m3，兴利库容13.5亿m3，装机75 MW，属多年调节水库。下游已建的凯乐塔(Kaleta)水电站距苏阿皮蒂水电站6 km，集水面积11 380 km2，总库容2 300万m3，多年平均流量109.5亿m3，装机容量235 MW。第四级Amaria水电站目前仍处于规划阶段尚未实施。

2 电站水情水调自动化系统设计内容

2.1 站网布设原则

水情自动测报系统需能为电站施工期防汛、运行期优化调度提供快捷的雨情、水情信息和预报成果。站网布设应考虑以下原则：

1)能反映测报系统覆盖范围内雨情和水情的变化，能基本控制区域的降雨分布和下垫面不均匀性对降雨径流的影响；

2)能够满足苏阿皮蒂水库洪水、径流预报和水库调度的需要；

3)有移动通讯服务，便于通信组网；

4)尽可能靠近居民点，交通方便，便于测报系统建设、运行和维护管理；

5)站网布设应符合《水文自动测报系统技术规范》[1]及《水文情报预报规范》[2]等有关规范。

2.2 站点布设

站点布设范围为Garifiri水电站下游至凯乐塔水电站区间的干支流流域。在分析该区域内的自然地理、地形地貌及降雨分布和洪水演进特点的基础上，结合施工期洪水预警、自动测报系统的要求，确定苏阿皮蒂水电站水情水调自动化系统的遥测站点。

2.2.1 水文站点

1)Garifiri出库水文站：上游已建的Garifiri水库未建设水情自动测报系统，下游无出库站，电站出库信息暂无法收集。规划设立Garifiri出库站，观测要素为水位、流量、降雨量。

2)Kondombofou水文站：位于支流Kakrima河上，控制面积5 800 km2，观测要素为水位、流量、降雨量。

3)凯乐塔水文站：位于下游凯乐塔水电站发电厂房下游200 m处。观测凯乐塔水电站出库流量，可根据凯乐塔水库水位变化推求苏阿皮蒂出库流量。

2.2.2 水位站点

1)凯乐塔水位站(坝上)。设立在凯乐塔水库坝顶靠上游侧，监测坝前水位。

2)苏阿皮蒂水位站(坝上)。设立在苏阿皮蒂水库坝顶靠上游侧，监测坝前水位。

3)Telimele临时水位站。在N24公路跨越孔库雷河桥址位置新建Telimele临时自动遥测水位站，可通过历史观测的水位流量关系成果，根据遥测水位推算流量。

4)苏阿皮蒂临时水位站。设立于苏阿皮蒂坝址上游围堰位置。作为电站施工期防汛预警的预报站，电站建成后作为尾水站。

在孔库雷河流域格拉菲里(Garifiri)～苏阿皮蒂(Souapiti)区间设立15个雨量站，其中在Kacrima河上设立10个遥测雨量站，对Kondombofou水文站洪水过程进行预报，Garifiri+ Kondombofou ～苏阿皮蒂区间5个遥测雨量站(含苏阿皮蒂、凯乐塔站)，结合Garifiri调度计划，对苏阿皮蒂水库入库流量进行预报。

本系统所涉及的Garifiri ～苏阿皮蒂区间设计遥测雨量站15处，其中纯雨量站11处，水文站兼有遥测雨量功能的水文站有2处，水位站兼有遥测雨量功能的水位站2处。

2.2.3 中心站设在凯乐塔电站内

综上所述， 苏阿皮蒂水库水情自动测报系统遥测站网共布设水文站3处，水位站4处，雨量站15处，中心站1处，各站报汛项目详见表1。站网布设图见图1。

表1 孔库雷河流域Garifiri～凯乐塔区间站网情况表

2.3 站网论证

针对Konkoure流域内降雨特点，需要布设一定密度的雨量站网才能控制降雨的空间分布。系统设计中以均匀分布为总体原则，充分考虑了系统覆盖范围的Garifiri～凯乐塔区间的流域自然地理和地形地貌特点、水系分布及走向和暴雨变化规律，共布设遥测雨量站点共计15处(含具有遥测雨量功能的遥测水文站和遥测水位站)，Garifiri～凯乐塔区间流域面积为8 900 km2，平均每站控制面积为590 km2，按照泰森多边形法对本区间进行分割，各雨量站控制面积最大为791 km2，最小为253 km2，大部分站点控制面积在450～750 km2之间，站网密度基本可控制区域降雨的空间分布。在缺乏降雨资料的西非地区，本系统雨量站网对摸清热带季风气候区降雨时空分布起到非常重要的作用。

图1 苏阿皮蒂水库水情自动测报系统站网布设图

2.4 系统设计

本系统由18个遥测站(包含2个临时站)和1个中心站组成。遥测站主要完成雨量、水位、流量等数据的采集，中心站负责信息接收处理、数据库管理、为水情预报和信息服务提供软硬件平台。遥测站与中心站之间通过GSM、北斗卫星等通信信道进行数据传输。

几内亚国内环境条件较为恶劣，交通不便，遥测站维护成本较高，因此，选择较为简单、轻便的系统，有利于降低故障率，且便于人员维修更换。系统工作体制采用自报式工作体制，主要由GSM完成。考虑到北斗卫星即将覆盖非洲地区，拟将北斗通信系统作为备用信道，待条件成熟后将北斗系统作为主信道。

系统布设遥测水文站3处，分别为Garifiri出库站、Kondombofou水文站、凯乐塔水文站。水文站断面为石质断面，水位流量关系稳定，因此，前期采用走航式ADCP巡测，确定水文站断面水位流量关系，后期自动采集水位、计算机置入流量数据；遥测水位站4处，分别为凯乐塔坝上水位站、苏阿皮蒂坝上水位站、Telimele临时水位站、苏阿皮蒂临时水位站，采集水位、雨量数据；新建遥测雨量站11处，自动采集雨量数据。

各遥测站采用测、报、控一体化的结构设计，包括遥测传感器(雨量计、水位计等)、数据采集终端、人工置数终端、通信设备、太阳能电源、蓄电池等。遥测水文站数据采集终端接收测站水位、雨量后，通过GSM或北斗卫星通信终端向中心站传输。

遥测水文站、水位站均配置雷达式水位计1套，雨量计1套，数据采集终端1套。水位数据通过GSM和北斗卫星信道传输至中心站。11个雨量站各配置翻斗雨量计1套、数据采集终端1套、配置GSM通信设备。各遥测站均采用太阳能电池板+蓄电池的供电方式。

中心站的基本功能为自动接收水情信息，主要由计算机网络、数据库、信息接收与处理、洪水预警、径流预报及应用软件系统等部分组成，具有遥测信息接收与处理、资料编辑、整理与入库、数据库管理、报警功能、遥测网络参数设置、数据统计分析及报表、信息查询、实时洪水预警作业等功能。

2.5 水文预报方案配置

编制预报方案时遵循以下原则：①施工期水情预警方案应符合苏阿皮蒂以上流域的水文特性，方案的预见期应满足水库施工防汛的需求；②考虑到水库调度及洪水资源化管理需要，依靠雨量站点，建立分布式水文模型进行入库洪水预报。

Telimele水位站至坝址36km，Garifiri站至坝址104km，Kondombofou站距离坝址68km。通过对历年洪水资料的分析，Telimele～苏阿皮蒂坝址上游围堰处洪水传播时间(约1 h)，Garifiri、Kondombofou到Telimele的洪水传播时间(约2～3h)，根据Garifiri、Kondombofou、Telimele实测水位、流量，对苏阿皮蒂坝址流量进行预警。

工程建成后，为Garifiri～苏阿皮蒂区间编制以河系预报为主的方案：①将Garifiri水库出库流量演算至苏阿皮蒂入库；②编制Kakrima河降雨径流及流域汇流预报方案，预报结果分别演算至Kondombofou站(苏阿皮蒂入库)；③编制Garifiri站、Kondombofou站——苏阿皮蒂区间降雨径流及流域汇流预报方案，预报结果与①和②合成后演算至苏阿皮蒂；④将①、②、③组合后得到苏阿皮蒂水库入库洪水，预见期为5 h左右。

降雨径流、流域汇流的计算选用成熟的新安江模型。

枯水期径流预报拟采用退水曲线法，选取有代表性的退水资料，采用退水方程或相邻时段流量关系图法求得流域的退水曲线。

1)退水方程。

Qt=Q0e-αt

式中，α为退水系数，可选取有代表性的退水资料，综合率定。

2)相邻时段流量关系图。取若干次峰后无降雨的洪水退水过程的前后时段流量点绘在图上(时段长一致)，把各次退水过程的相关点分别连成一条曲线，最后综合选取一条平均退水曲线。

3 结 语

苏阿皮蒂水电站水情水调自动化系统，在水库建设期间可提供所需要的实时降雨、径流、水位等水文信息，对施工期河道洪水进行预警，保证水库建设施工期的安全。水库运行期，水情自动测报系统实时收集水文信息及水情预报结果，为水库合理调度及运用管理提供决策依据，调节和利用孔库雷河水能资源，减少电站弃水。

以纯中国标准和规范建设的几内亚乃至西非首个水情水调自动化系统，推动了水文测验设施、信息采集传输、水文预报的现代化建设，及时准确地提供水文预报，满足了苏阿皮蒂电站建设和运用管理及防洪和水量调度的需要，实现了快速采集信息、提高了科学决策能力，同时实现了孔库雷河梯级水电调度管理工作的正规化和规范化，在“一带一路”战略的指引下，不仅仅为非洲援助建设了高质量水电工程，同时将我国科学有效的水库管理、调度经验带到非洲。