巴基斯坦卡洛特水电站施工期水文工作实践与研究探讨

许弟兵 杨军 邓颂霖

摘要：卡洛特水电站施工期水文工作包括水文监测站网规划、设计和建设，水文泥沙观测，水文气象保障服务。电站坝址以上流域年内有双雨季，径流及洪水组成复杂;山区性河流产汇流快，预见期短，施工期河道水文条件多变;可供利用的历史資料有限，近一半区域无资料可用;且地理位置特殊，施工安全风险巨大。水文工作实践中，针对综合复杂的现实条件，灵活选择技术方案，妥善运用管理手段，有效应对了资料收集、方案编制、作业实施中的特殊困难，满足了施工期技术服务及设计复核对水文工作的要求。该电站的水文工作经验，可供该流域其他梯级电站及条件相似地区的工程水文工作参考。

关键词：水文监测;施工期;监测站网;泥沙观测;气象保障;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：P332 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.002

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。电站坝址位于印度河一级支流吉拉姆河上，坝址以上流域面积26 700 km2，装机容量720 MW（4×180MW），设计年发电量32.1亿kW·h。在卡洛特水电站施工期防洪度汛重点防护对象防洪设计标准中，导流洞进出口围堰为5 a一遇（4 660 m3/s），大坝上下游围堰、厂房围堰和溢洪道上下游围堰为10 a一遇（6 740 m3/s）。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。流域全年降雨比较集中，干湿季节明显，呈双雨季特征。坝址处多年平均流量819 m3/s，多年平均年径流量258.3亿m3。可获取历史资料并规划建设水文测站的流域面积仅13 200 km2，加之境内安全环境、河道条件相对较差，施工期水文工作面临诸多问题。通过科学布设站网、建设可靠自动测报系统、充分利用预报技术与资源，开展有针对性的管理与服务，以满足工程水文气象保障工作需求。

1 水文工作总体布局

1.1 水文工作主要内容

卡洛特水电站施工期水文工作主要包括：工区及坝址以上流域水文监测站网规划、设计和建设;水文监测站网观测、工程河段及坝上（库区）河道观测和河床组成调查等水文泥沙观测，为电站建设提供实时水文气象信息，为设计复核及电站运行积累基础资料;现场水文预报，为工程施工提供水文气象保障服务。

1.2 水文工作原则

水文监测站网布设及建设，采用系统工程的设计理念，充分考虑卡洛特水电站工区及坝址以上流域的自然地理和洪水特性，结合巴基斯坦经济社会条件，充分利用可研阶段的工作成果，科学规划，合理布局，因地制宜，经济实用[1-2]。在满足水电站施工期防洪要求的同时，兼顾建成后的运行需要，避免重复建设[3-4]。测站站址选择，除满足工作需要外，还需兼顾交通、生活和管理。水雨情自动测报系统及预报系统设计与建设中，各种构件优选符合标准的型材和通用件，以利于施工的质量控制和系统运行的维护管理;系统的开发具有兼容性、开放性和可扩展性。

水文工作以中国技术标准为依据。水文泥沙观测着眼施工期需要，重点保障水文预报需求，兼顾运行期资料需求。水文气象保障以满足工程建设短期预报需要为主，在技术条件允许时兼顾工程特定阶段的中长期预报需求，重点关注施工各阶段、工程各部位防洪度汛标准对应的水雨情变化。

2 主要工作实践

2.1 站网规划与建设

着眼于施工期水文工作需要布设站网，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。现场查勘并与业主沟通后，对站网规划方案进行了两次优化调整，论证并确定最终方案。整个站网包括中心站及14个水文（位）站（其中新建2个水文站、4个坝区水位站，在巴方水文测站基础上改建8个水位站）、20个雨量站，雨量站站网密度约为480 km2/站，站网布置见图1。主要建设内容包括查勘选址、方案设计、征（租）地、设施建设、设备安装调试、软件系统开发等。

在站网规划的基础上，确定了几个关键站进行重点保障：①根据水系分布特征及洪水传播特性，确定卡拉斯站为上游关键节点站，对该站进行水位观测仪器双备份，流量实行驻巡结合，确保准确掌握上游来水量;②确定卡洛特站作为坝址流量依据站，建设水文缆道，采用驻测的方式，保障其测验能力;③库尾帕坦附近河段测验条件相对较好，在该处设立的巡测断面加强流量测验，其成果可与卡洛特站流量作测验精度相互验证;④吉拉姆河干流的恰可迪站为可设站区域边缘的控制站，穆扎为主要支流尼拉姆河控制站，塔哈塔为支流昆哈河控制站，宜伺机巡测，校准水位流量关系，支撑水文预报。

2.2 信息传输

由于规划流域内部分测站（如雨量站1、雨量站2、雨量站6、雨量站8、巴拉水文站等）根本无PSTN或移动通讯信号，流域自动测报系统数据信息仅能选用北斗卫星单信道。为使数据可靠存储，并满足异地协同作业需求，除现场中心站自动收集遥测站网传来的信息外，同时，北斗卫星数据处理中心经因特网网络每5 min推送一次数据并备份，建立前后方VPN共享通道。只要遥测站正常，当现场水情中心站接受数据异常时，通过网络数据推送也可保证数据及时入库。信息传输总体构架见图2。

2016年10月至今，测报系统运行正常，月平均通畅率均达95%以上，满足SL 61-2015《水文自动测报系统技术规范》要求。为了确保工程度汛安全，还建立并实施了现场预报人员和后方技术支撑团队会商机制，有效应对特殊水雨情。

2.3 历史资料的收集与运用

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、穆扎等站。水文要素以人工观测为主，且大部分测站仅在每日09：00～16：00实施逐时观测，其他时段无资料。水位基面系不固定的测站基面，年际间水位起算点不完全一致;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，绝大部分站主要依托断面附近桥梁渡河开展流量测验，仅极少数站有水文缆道专用渡河设施和动力设施。

WAPDA发布的数据基本以日资料为主，难以全面掌握河流水文特性，编制水文预报方案可利用的资料有限，需采用日均值与瞬时值的转换技术，并辅以实测资料验证。水文工作团队在了解历史资料基本情况后，结合预报分区，选择部分测站大洪水、豐、平、枯及年内分布有代表性的部分年份的资料，在三性分析[5]基础上，率定预报模型，研制预报方案。在运用过程中，及时分析2016年以来收集的站网实测资料，优化预报模型。历史资料分析所得结论也作为编制水文测站观测方案的重要依据。

2.4 洪水特性分析

根据历史资料分析，1976年、1992年、1995～1997年、2010年和2014年为大水年，其中1992年洪水为历年最大洪水，帕坦站日平均流量达10 900 m3/s。为分析历史大洪水径流组成，选择“1992·9”大洪水为典型进行洪水组成分析，卡洛特坝址洪水主要由全流域强降雨或局部暴雨形成，干流多迈尔站和支流尼拉姆河穆扎站1 d、2 d和7 d洪量都超过帕坦站对应洪量的30%以上，支流昆哈河占比10.5%，上述测站至卡洛特坝址区间占近20%，洪水组成见表1。由于施工期防洪标准仅5 a或10 a一遇，若多迈尔或穆扎以上任一区域发生类似量级洪水，都将威胁施工安全。

施工期内更多地关注现时洪水情况，特别是与设计防洪标准对应量级的洪水，更是施工防洪度汛决策关注的焦点，其中坝址附近区间来水威胁最大。譬如在应对2017年4月6日、2018年8月7日洪水时，分析发现帕坦至卡洛特区间暴雨洪水占比较大，因局部小区间降雨预报困难、汇流时间短，对电站施工安全度汛影响更大，是水文工作重点关注的对象。图3为2018年8月7日洪水过程。

2.5 水文预报

根据卡洛特水电站施工保障需求，结合坝址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，确定预报对象为各种预见期（3 h、6 h、12 h）内的坝址流量和施工期不同阶段坝区各组水尺相应预见期的水位，据此将坝址以上流域划分8个降雨径流计算分区（见图4）。预报方案充分考虑现有水文资料条件，选用简便、实用、可靠的产汇流模型。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[6]。对部分没有布设水文站网的区域，采用相似流域水文比拟法[7-8]进行预测预报，并根据已建测站实测资料，不断进行预报方案修正和完善。水情预报实际运用效果较好。

为了提高预报智能化程度和时效性，设计了卡洛特水电站洪水预报系统。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[9-10]。预报系统做到了实用、可靠、标准化，体现用户特点，满足用户要求;同时，在系统结构设计、功能开发和软件编程等方面均实现标准化和通用化，充分考虑流域梯级电站开发的需要，具有较强的扩展性[11-12]。

2.6 水文泥沙观测

所有水文要素从观测至整编均采用中国标准，并考虑工程移交后巴基斯坦相关部门的实际需要，并预留相关接口。为了适应吉拉姆河陡涨陡落、流速大等水文特性，设计了简易缆道牵引加强型三体船载ADCP和配置测流机器人等新设备和新技术（见图5）。水文缆道刚建成，就抢测到了建站以来最大流量，使实测水位流量关系得到可靠延展。上游关键测站及河流节点站也开展了流量巡测，校准了部分水位流量关系，有效提高了预报精度。卡洛特站建成即开展悬移质泥沙观测，为将来运行期的水库排沙调度积累基础资料。

针对施工期坝址河段断面多变的实际情况，及时开展导流洞进出口、上下流围堰附近等控制断面测量及水位观测，以卡洛特站流量为基准，实时修正工区河段重点部位的水位流量关系，保证水位预报精度及代表性。河道断面及地形测量中，陆上断面地形测量主要采用单基站GNSS RTK法施测，对于光秃的悬崖峭壁、淤泥滩地、陡岩等一般采用免棱镜全站仪施测。水下地形测量平面位置采用GNSS RTK实时差分测定，水深采用HY1601单频数字测深仪施测。固定断面测量采用了GNSS RTK水位控制测量方法，逐个接测水位。成果精度均满足规范规定。

悬移质及推移质泥沙均为入库泥沙的重要组成部分。为了解入库泥沙特性，除在水文站开展悬移质泥沙测验外，还进行了库区河段河床组成调查工作。调查范围涵盖吉拉姆河干流40 km及主要支流口门，主要采用坑测、散点床沙取样，分析级配，判别岩性，结合洲滩调查，分析床沙垂向分布特点及沿程变化。调查表明：卡洛特水库泥沙主要来源于上游干流，推移质以沙推移质为主，卵石推移质量少，库区河段输沙能力极强。

3 管理实践

卡洛特项目中，水文、安全监测和物探检测以“三专项”联合体对水电站施工期相关工作进行保障服务，作用相近，优势互补，是类似项目管理的一次创新尝试。水文专项涉及水文测验、河道勘测、自动化、网络信息和水情预报等专业，集规划、设计、建设、测绘、勘察、测站运行管理、水文情报预报工作于一体。按有序实施、重点突出的原则，水文专项提出的管理思路为：水文测验为基础，水文预报为重点，充分发挥测验对预报的支撑作用和预报对测验的指导作用;统筹考虑河道地形断面测量、河床组成调查等工作，在保证安全前提下，按电站施工需要保证工作质量、成果质量、服务质量。

3.1 安全管理

3.1.1 度汛安全

为水电站施工度汛安全提供专业支撑是水文工作的第一要务。根据电站每年防洪度汛要求，水文工作团队及时制定预案，从预报方案、测站驻巡监测、数据中心网络保障、水情信息发布等方面细化处置预案并进行演练。基于流域洪水预报预见期短的实际情况，实施24 h水文气象值班，特殊水雨情及关键时刻开展滚动预报，按需启动前后方会商和专家技术支撑保障。积极参与业主防汛决策会商，发挥技术支撑作用，确保度汛安全。不定期对信息发布接收方进行回访，保证信息发布渠道畅通。当遇超标洪水时，根据预报预警发布流程及时采用中、英、乌尔都语通知相关单位和部门。

3.1.2 高风险地区作业安全

水文工作作业范围涉及整个流域，工作点多面广。为实现安全优质高效管理，加强安全学习教育，现场严格遵循业主安全管理规章，出行安排向导并指定安全责任人。聘请熟悉当地民俗、信仰等社会特点和环境的巴方员工，并对其开展技能培训工作，作为水文专业团队的必要补充，增加了工作灵活性，解决了一些中方人员无法解决的难题。

3.2 质量管理

3.2.1 ISO质量管理

按照业主和水文部门内部ISO9001：2015管理，识别并控制各产品生产过程和相关管理过程[13]。水文工作从人力资源、内部审核、管理评审、纠正措施、风险管控等方面进行具体的规定。水文泥沙测验都按照由业主相关部门审批的任务书进行，水文预报基于预报方案，实行作业预报会商及发布审批制度，严格管控质量。水文预报产品控制流程见图6。

3.2.2 业主工程师管理

水文工作严格遵循业主工程师管理，按照中国标准，积极配合业主工程师进行现场检查验收，对重点设计方案或预案及时报送业主工程师审批，响应各项技术要求和检查。

3.2.3 水文工作成果质量

水文泥沙觀测成果，按日清月结要求管控，并按《水文测验成果质量评定办法》，以优等目标进行控制，各年度均实现质量目标。水文预报方面，除做好日常例行预报外，及时响应特殊需求，并密切关注与施工关键度汛决策相关的重大水文气象变化。譬如在2017年4月6日和2018年8月7日洪水期间，在大坝截流期工作中，与总承包方高级顾问、技术部及后方团队协同会商，保障了正确决策。表2为2018年雨季3～9月6 h预报精度成果统计。

3.3 管理难点应对

（1）水文测验方面。测验采用驻巡结合方式进行，但因点多面广，并存在众多自然和社会因素限制，在遇测站故障或水位快速上涨时，出行时效性不强。为了克服上述问题，以水文气象预报信息为指导，提前多天审批出行;另外，强化巴方员工技能培训，应对社会因素限制。

（2）气象预报方面。水文与气象相结合是延长预见期的基本途径。但由于吉拉姆河流域面积较小和缺乏流域内气象资料，该国气象预报无法满足水文预报需要。为实现水文与气象相结合延长预见期目的，满足工区施工对气象的要求，寻求当地气象局支持，运用当地优势资源实现本地化服务。

（3）水库水情信息共享方面。坝址以上建有尼拉姆吉拉姆、帕春等水电站，其水库调度直接影响卡洛特水文情势。由于上游水电站隶属不同管理部门，水情信息沟通较为困难。目前正在与相关水电站沟通，并寻求WAPDA的协调支持，推动信息共享。

4 探 讨

通过卡洛特水文工作近4 a实践，提出以下几个值得思考的问题，以利持续改进。

（1）吉拉姆河流域为典型的山区性河流，当前水文测验手段在应对涨率快、涨幅和流速大的水情时还略显吃力，在电站运行阶段，需加强自动化、智能化方面新技术、新方法的研究[14-15]，提高测验效率，将专业人员从复杂环境中解放出来。

（2）卡洛特站位于坝址下游约2 km，水电工程施工对河床的扰动在所难免，易发生局部产沙，影响泥沙测验成果的代表性，在后期施工干扰变小后，宜加强泥沙测验，适当增加测次，控制泥沙变化过程。

（3）卡洛特上游仍有13 500 km2无资料地区，可根据卫星在此区域的覆盖情况，开展定量遥感测雨研究[16]，有望延长遇见期。另外，小流域强降雨洪水预报是难点，若有条件可与本地水文气象部门合作研究，提高预报精度。

（4）卡洛特水文预报方案主要依据历史资料编制，以满足建设期预报需要为主要考虑。在运行初期，宜根据建设期收集的实测资料开展优化分析，进行方案修编，提高预报系统精度。

（5）对综合性的水文工作，应统筹协调好水文预报、测验和其他工作之间的相互关系。面对外部自然和社会因素对技术工作的影响和制约，水文工作应根据建设需要和实际可能，充分整合技术与管理，多种方案耦合分析，探索用技术解决管理难题，用管理解决技术难题，因地制宜地采取可操作措施。

（6）质量是企业的生命，职工生命是安全的核心。在海外高风险环境下开展水文工作，应在安全与质量间作权衡，根据需要和可能，建立有效的内部管理和外部管控，实现质量和安全控制的可操作性。如何有效预防安全及质量风险值得深入研究。

（7）随着“一带一路”倡议向纵深推进，为进一步适应国际化管理，推进技术交流，输出新方法及水文观测仪器，需加强水文技术标准的英文翻译、审批、发布工作，推进标准国际化。

5 结 语

卡洛特水电站作为“一带一路”重点建设项目和样板示范工程，对水文工作要求较高。此外，水文气象历史资料可用性差、社会限制因素多等情况加大了现场工作难度。通过采用新技术新方法，充分利用当地优势资源、强化当地员工培训，实施技术与管理耦合措施，有效保障了施工期水文工作实施，为卡洛特水电站施工期安全度汛提供了强有力的技术支持。随着国家“走出去”战略和“一带一路”倡议的实施，中国企业走出国门，承揽的国外水电站建设项目也越来越多，卡洛特水电站施工期水文工作实践可为该流域其他梯级电站和条件相似地区的工程水文提供示范经验和参考。

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（编辑：李晓濛）

Practice and discussion of hydrological work in construction period of

Karot Hydropower Station in Pakistan

XU Dibing， YANG Jun， DENG Songlin

（Jingjiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Changjiang Water Resources Commission， Jingjiang 434000， China ）

Abstract： During the construction period of Karot Hydropower Station， hydrological work includes the planning， design and construction of hydrological monitoring network， hydrological and sediment observation， and hydro-meteorological support services. There are two rainy seasons in the upstream basin of the hydropower station throughout the year， the composition of runoff and flood is complex; runoff of mountain rivers yields and confluences fast and the forecast lead time is short， the river course changes frequently during the construction period; the available historical data is limited with nearly half of the area ungauged; the station has unique geological location， so the construction bears tremendous safety risks. In the practice of special hydrological work， in view of the complex practical conditions， flexible technical schemes were selected and management means were properly and effectively adopted， which coped with the special difficulties in data collection， scheme programming and operation implementation， and met the requirements of technical services and design re-check in the construction period for hydrological work. The hydrological work experience of the power station can be used as a reference for engineering hydrological work with similar conditions of other cascade hydropower stations in the basin.

Key words： hydrological monitoring; construction period; monitoring network; sediment observation; meteorological support; Karot Hydropower Station; Pakistan