巴基斯坦卡洛特水电站施工期水文气象服务实践

邓颂霖 杨军 邴林 李清华

摘要：为克服和解决吉拉姆河流域所属权的特殊性、安全环境的复杂性、水文资料的不完整性给卡洛特水电站施工期水情气象服务造成的诸多困难，通过分析整理历史资料，构建了代表性较强的自动测报与预报系统，对较大无控区间采用气象形势预测与水文比拟的方法进行了流量预测预报等工作，不断提高预报精度。实际运行情况表明，该电站自动测报系统稳定，水情预报精度较高，取得了較好的社会和经济效益，可为类似项目提供经验借鉴并起到一定示范效应。

关键词：水文气象服务;无资料区;施工期;一带一路;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：P331

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.08.004

巴基斯坦卡洛特水电站建设项目被列为“一带一路”重点项目和“中巴经济走廊”优先实施能源合作项目。卡洛特水电站所处吉拉姆河流域，绝大部分地区处于所属权存在争议的克什米尔地区，坝址以上流域面积26 700 km2.约50%的区域无法建站。巴基斯坦境内经济、交通、电力、通信等环境相对较差，政治、宗教等关系复杂，给电站施工期水情服务带来了诸多问题，甚至影响正常水文测报预报工作的开展。卡洛特水情中心需要通过优化站网布设、提高自动测报系统稳定性、充分利用现有资源，以满足水电站施工期水文气象服务工作要求。

1 流域概况及历史资料分析

卡洛特水电站建设项目是巴基斯坦境内吉拉姆（Jhelum）河规划的5个梯级电站的第4级。吉拉姆河流域多为高山峡谷，为典型的山区性河流，径流以融雪水和季节性降雨补给为主，源头没有永久冰川覆盖。流域全年降雨比较集中，干湿季节明显，3-9月为雨季。坝址以上印控克什米尔地区无水文测站（水情测站布置详见图1）。坝址处多年平均流量819m3/s，多年平均年径流量258.3亿m3。工程为单一发电任务的水利枢纽，水库正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，设计洪水位461.13 m，校核洪水位467.06 m，为Ⅱ等大（二）型工程，电站装机容量720MW（4x180 MW），设计年发电量32.13亿kW-h。

1.1 历史资料情况

吉拉姆河流域水文资料由巴基斯坦水电发展署（WAPDA）负责收集管理。流域干流设有帕坦、多迈尔、穆扎站，从1969年4月开始就有水文资料记录，序列较长，资料一致性较好（卡洛特坝址以上流域在2018年4月以前无控制性水利工程投运）。水位观测主要以人工观测为主，大部分测站水位是参照常年水位下某根水尺零高的水深，水位基面不固定，年际间水位常出现系统偏差，且大部分测站仅在每日09：00-16：00采用人工逐时观测，其他时段无资料;雨量资料绝大部分为人工观测，仅有日雨量;流量采用流速仪法施测，绝大部分站无专用渡河设施（如水文缆道、机动船等）和动力设施，主要依托断面附近桥梁渡河开展流量测验。基于多年资料分析发现，当流量大于1 500m3/s后，上述各站流量资料不完整或基本没有。

1.2 历史资料使用与处理

对于水位数据，将巴方英制单位的水深转换成公制单位，进行上下游对照，对漏测水位不进行插补，但对明显异常数据进行合理性检查，删除不合理的数据。

对于流量数据，将巴方英制单位的水深、流量、面积、流速等转换成公制单位，点绘逐站水深一流量关系图，参照面积、流速对异常的测点进行修正或删除。

针对年际间水位出现系统偏差的测站，采用2013～ 2015年数据综合分析，结合中方实测点进行校核，分析率定水位一流量关系线。用率定的综合水位一流量关系将水位转换成流量。

因巴方水文部门高洪测验能力有限，大水年仅观测水位，在编制预报方案前，采用水位一流量关系线，按趋势外延和曼宁公式法，对各测站水位一流量关系线进行中高水延长。

综上，虽然卡洛特水电站有46 a的历史资料，但因巴方水文部门测报能力有限，造成水文历史资料不完整，时间间隔较大，如降水都为日平均资料，大大制约了水情预报方案的编制以及精度等级。

2 水情自动测报和预报系统

2.1 站网布设情况

在分析流域水文气象特性的基础上，结合自然地理条件和现场查勘及通信测试结果，遵循“临时与永久相结合”，符合“容许最稀站网”原则，以满足水文预报要求为主导，充分考虑水电站建设对水文特性的影响，论证并确定最终站网布设方案。其中，包括20个雨量站和14个水位（文）站（2个新建水文站、4个坝区新建水位站以及在巴方水文资料基础上改建的8个水文站）。

2.2 预报方案

2.2.1 预报分区

为预报预见期（6h、12 h）内的坝址流量和施工期不同阶段坝区各组水尺的水位，根据卡洛特水电站坝址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，将坝址以上流域划分为8个降雨径流计算分区。

2.2.2 预报方案配置

在预报方案中，充分考虑现有的水文资料条件，选用具有实用性、可靠性且简便的产汇流模型。流域产汇流模型分别选用API模型、新安江模型、经验单位线;河道汇流选用马斯京根法，坝区水位预报采用相关图和水位系数法[1]。

2.3 自动测报系统

测报系统建设以满足水情预报为主要目标，兼顾电站发电调度的需求[2]，其主要内容为遥测水位（文）站、遥测雨量站及其避雷设施建设，中心站数据接收与网络设备配置以及应用软件等[3]。

由于坝址以上部分测站（如雨量站1、雨量站2、雨量站6、雨量站8、哈田巴拉水文站等）通信资源有限，故卡洛特水电站测报系统测站数据传输仅采用中国北斗卫星作为数据传输信道，并利用国内北斗卫星数据处理中心每5 min推送一次数据进行备份。如流域内遥测站正常，当水情中心站接受数据仪器出现故障时，通过国内网络数据推送也可保证数据及时入库。自2016年10月至今，测报系统运行正常，月平均通畅率都达95%以上，满足SL 61-2015《水文自动测报系统技术规范》要求。

同时，为确保工程度汛安全，在特殊水雨情时，实现了现场预报人员和国内技术支撑团队前后方信息共享和会商的功能。

2.4 洪水预报系统

洪水预报系统总体上由数据支撑层、系统应用层和人机交互层构成[4]。预报系统做到了实用、可靠、标准化[5]，反映用户特点，满足用户要求;在系统结构设计、功能开发和软件编程等方面都实现了标准化和通用化，充分考虑流域梯级电站开发的需要[6-7]，具有较强的可扩展性。

3 水情預报服务的组织实施

3.1 实施中遇到的困难

实施中遇到的困难包括：①因安全因素导致上游已建干流控制水文站不能及时测流报汛，无法准确把握上游来水流量，对水情预报造成较大困难。②水电站所处位置交通、电力、通信等环境相对较差，水情信息发布不畅通，发布方式单一。③由于吉拉姆河流域面积较小且巴基斯坦国内气象预报缺乏该流域内气象资料，气象预报无法满足水情预报需要。④由于受施工场地限制，近500万m3渣场均在坝区周边，且坝区位于暴雨中心区，确保坝区安全度汛面临挑战。⑤水文历史资料不完整，且流域50%的面积无法建站，为无控区间，预报方案精度不高。

3.2 组织实施

3.2.1 人员配置

水文预报服务与管理是一项专业性较强的工作，结合流域水情和国外工作特点，为确保工作的顺利开展，保障卡洛特水电站施工期安全度汛，水情预报相关人员配置如下：枯季现场配置2名专业水文预报人员，汛期现场配置3名专业水文预报人员;现场配置网络信息管理人员（兼自动测报系统运行维护管理人员）1名;在国内配置若干水情和气象预报人员对预报产品进行校核和会商。

为保障水情站点平稳运行，测站能准确率定水位一流量关系，因此均采用巡测方式，只有坝区专用站有中方人员3人驻测。

3.2.2 技术培训

为解决现场设备维护与水文测验问题，中方对巴方员工开展相关技能培训工作，努力实现巡测和驻测工作技术人员的本地化。经过培训，巴方员工基本掌握了遥测站安装维护、常规水文测验仪器使用等，解决了测站维护和水文测验问题，实现坝区以上水文站巴方员工驻测、中方人员巡检的模式，做到及时测流报汛，准确把握上游来水流量。

3.2.3 水情信息发布

由于卡洛特水电站建设采用国际化标准管理，对其在社会、环境和安全方面要求较高，保证信息发布畅通显得尤为重要。卡洛特水电站施工区基本无电话通信，网络通信速度较慢且不稳定，并时常面临通信管制，水情预报成果常需人工送至相关单位。2017年后，工区新建通信基站，水情信息发布采用短信、邮件、QQ和微信等即时通信工具，大大提高了水情信息时效性。

根据预报预警发布流程，当遇超标洪水（5a-遇洪水4 660 m3/s）时，水情气象信息采用中、英、乌尔都语及时对当地政府及社会公众发布，便于其了解水情气象信息，减少当地居民因语言、理解等差异而造成的不必要恐慌。

3.2.4 水文气象预报服务

水文与气象相结合是延长预见期的基本途径[8-9]。为实现水文与气象相结合延长预见期，满足工区施工对气象服务的要求，与当地气象部门开展了沟通和合作，基本可满足工程施工期水文气象预报需求。

在预报法案配置中，重点考虑了印控克什米尔地区没有布设水文站网的特殊情况。该流域面积大，来水量无法忽略，因此对该地区采用相似流域水文比拟法[9]进行预测预报，并根据测站实测资料，对预报方案不断修正和完善。经分析可知水情预报实际运用效果良好。

通过对2016年4月-2018年8月收集到的水雨情数据进行分析，近2a汛期坝区发生暴雨和特大暴雨次数达7次，其中2018年8月7日02： 00～ 06： 00，坝区平均降雨量为97.4 mm，单站最大降水量达到170.5 mm。为确保安全度汛，当预报和监测到有大到暴雨时及时发布预警，施工现场根据预警等级，通过组织人员和设备进行及时清障、排水和关键部位巡查。气象预报、预警服务在工程防灾避灾中发挥了重要作用。

4 施工水文气象服务实践

4.1 预报精度

按照GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》，对2017年3-9月6h预报成果进行统计，水位预报平均误差-0.05～ 0.16 m，合格率都在80%以上;坝址流量预报相对误差-0.66%～2.52%，合格率都在7 1%以上。水文预报为水电站施工期安全防洪度汛提供了较好保障。统计结果详见表1。

4.2 典型洪水预报及其在工程度汛中的应用

由于受巴基斯坦北部地区的过境强西风波影响，吉拉姆河流域于2017年4月5-6日发生了2次大范围持续性的强降雨过程，其中5日17：55-6日0：00流域普降大到暴雨，6日11： 00-13：00流域普降中到大雨，降水中心位于卡拉斯一帕坦之间，距卡洛特坝址较近，2次降雨过程单站最大降水量达137 mm。

受暴雨影响，穆扎、多迈尔、卡拉斯、坝址站流量开始相继快速上涨，其他站点来水也呈缓慢增加的态势。至4月6日16：00坝址以上千支流各站来水相继现峰，上述各站洪峰分别为635 m3/s（4月6日15：00）、969 m3/s（4月6日15：00）、2 370 m3/s（4月6日16： 00）和3 280 m3/s（4月6日17：40）。各控制站逐时流量过程见图2。

卡洛特水电站施工期洪水预报采用预报系统中的预报模型及方法，采用考虑预见期降雨方案的交互预报模式，逐级预报演算。图3为坝址预报流量过程与实际流量过程线对比，分析可知，预报洪水过程与实际过程基本一致，洪峰时间相当，预报精度较高。洪峰流量与峰现时间误差统计见表2。

由于当时正处于导流洞紧张施工阶段，导流洞施工围堰堰顶高程尚未达到设计高程，此时即将经受第一次洪水考验。洪峰时水面距堰顶仅0.7 m，面对导流洞内是否坚持施工和人员设备是否全部撤离的关键时刻，水情预报人员根据水雨情分析得出预报成果：洪水已达到洪峰，人员可先撤离，设备可不撤离。对水雨情信息的准确判断避免了设备撤离造成的损失。

5 结语

由于水文气象资料条件匮乏、国内安全形势不稳等问题，作为“一带一路”重点建设项目的卡洛特水电站在施工期水文气象服务方面面临诸多困难。通过强化当地员工培训，与当地气象部门合作等措施，基本建立了满足需求的水文预报方案体系，为该电站安全度汛提供了强有力的技术支持。卡洛特水电站施工期水文气象服务实践可为类似项目提供经验并起到一定的示范效应。

参考文献：

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