巴基斯坦卡洛特水電站施工期水文氣象服務實踐

鄧頌霖 楊軍 邴林 李清華

摘要：為克服和解決吉拉姆河流域所屬權的特殊性、安全環境的復雜性、水文資料的不完整性給卡洛特水電站施工期水情氣象服務造成的諸多困難，通過分析整理歷史資料，構建了代表性較強的自動測報與預報系統，對較大無控區間采用氣象形勢預測與水文比擬的方法進行了流量預測預報等工作，不斷提高預報精度。實際運行情況表明，該電站自動測報系統穩定，水情預報精度較高，取得了較好的社會和經濟效益，可為類似項目提供經驗借鑒并起到一定示范效應。

關鍵詞：水文氣象服務;無資料區;施工期;一帶一路;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：P331

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.08.004

巴基斯坦卡洛特水電站建設項目被列為“一帶一路”重點項目和“中巴經濟走廊”優先實施能源合作項目。卡洛特水電站所處吉拉姆河流域，絕大部分地區處于所屬權存在爭議的克什米爾地區，壩址以上流域面積26 700 km2.約50%的區域無法建站。巴基斯坦境內經濟、交通、電力、通信等環境相對較差，政治、宗教等關系復雜，給電站施工期水情服務帶來了諸多問題，甚至影響正常水文測報預報工作的開展。卡洛特水情中心需要通過優化站網布設、提高自動測報系統穩定性、充分利用現有資源，以滿足水電站施工期水文氣象服務工作要求。

1 流域概況及歷史資料分析

卡洛特水電站建設項目是巴基斯坦境內吉拉姆（Jhelum）河規劃的5個梯級電站的第4級。吉拉姆河流域多為高山峽谷，為典型的山區性河流，徑流以融雪水和季節性降雨補給為主，源頭沒有永久冰川覆蓋。流域全年降雨比較集中，干濕季節明顯，3-9月為雨季。壩址以上印控克什米爾地區無水文測站（水情測站布置詳見圖1）。壩址處多年平均流量819m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3。工程為單一發電任務的水利樞紐，水庫正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，設計洪水位461.13 m，校核洪水位467.06 m，為Ⅱ等大（二）型工程，電站裝機容量720MW（4x180 MW），設計年發電量32.13億kW-h。

1.1 歷史資料情況

吉拉姆河流域水文資料由巴基斯坦水電發展署（WAPDA）負責收集管理。流域干流設有帕坦、多邁爾、穆扎站，從1969年4月開始就有水文資料記錄，序列較長，資料一致性較好（卡洛特壩址以上流域在2018年4月以前無控制性水利工程投運）。水位觀測主要以人工觀測為主，大部分測站水位是參照常年水位下某根水尺零高的水深，水位基面不固定，年際間水位常出現系統偏差，且大部分測站僅在每日09：00-16：00采用人工逐時觀測，其他時段無資料;雨量資料絕大部分為人工觀測，僅有日雨量;流量采用流速儀法施測，絕大部分站無專用渡河設施（如水文纜道、機動船等）和動力設施，主要依托斷面附近橋梁渡河開展流量測驗。基于多年資料分析發現，當流量大于1 500m3/s后，上述各站流量資料不完整或基本沒有。

1.2 歷史資料使用與處理

對于水位數據，將巴方英制單位的水深轉換成公制單位，進行上下游對照，對漏測水位不進行插補，但對明顯異常數據進行合理性檢查，刪除不合理的數據。

對于流量數據，將巴方英制單位的水深、流量、面積、流速等轉換成公制單位，點繪逐站水深一流量關系圖，參照面積、流速對異常的測點進行修正或刪除。

針對年際間水位出現系統偏差的測站，采用2013～ 2015年數據綜合分析，結合中方實測點進行校核，分析率定水位一流量關系線。用率定的綜合水位一流量關系將水位轉換成流量。

因巴方水文部門高洪測驗能力有限，大水年僅觀測水位，在編制預報方案前，采用水位一流量關系線，按趨勢外延和曼寧公式法，對各測站水位一流量關系線進行中高水延長。

綜上，雖然卡洛特水電站有46 a的歷史資料，但因巴方水文部門測報能力有限，造成水文歷史資料不完整，時間間隔較大，如降水都為日平均資料，大大制約了水情預報方案的編制以及精度等級。

2 水情自動測報和預報系統

2.1 站網布設情況

在分析流域水文氣象特性的基礎上，結合自然地理條件和現場查勘及通信測試結果，遵循“臨時與永久相結合”，符合“容許最稀站網”原則，以滿足水文預報要求為主導，充分考慮水電站建設對水文特性的影響，論證并確定最終站網布設方案。其中，包括20個雨量站和14個水位（文）站（2個新建水文站、4個壩區新建水位站以及在巴方水文資料基礎上改建的8個水文站）。

2.2 預報方案

2.2.1 預報分區

為預報預見期（6h、12 h）內的壩址流量和施工期不同階段壩區各組水尺的水位，根據卡洛特水電站壩址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，將壩址以上流域劃分為8個降雨徑流計算分區。

2.2.2 預報方案配置

在預報方案中，充分考慮現有的水文資料條件，選用具有實用性、可靠性且簡便的產匯流模型。流域產匯流模型分別選用API模型、新安江模型、經驗單位線;河道匯流選用馬斯京根法，壩區水位預報采用相關圖和水位系數法[1]。

2.3 自動測報系統

測報系統建設以滿足水情預報為主要目標，兼顧電站發電調度的需求[2]，其主要內容為遙測水位（文）站、遙測雨量站及其避雷設施建設，中心站數據接收與網絡設備配置以及應用軟件等[3]。

由于壩址以上部分測站（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）通信資源有限，故卡洛特水電站測報系統測站數據傳輸僅采用中國北斗衛星作為數據傳輸信道，并利用國內北斗衛星數據處理中心每5 min推送一次數據進行備份。如流域內遙測站正常，當水情中心站接受數據儀器出現故障時，通過國內網絡數據推送也可保證數據及時入庫。自2016年10月至今，測報系統運行正常，月平均通暢率都達95%以上，滿足SL 61-2015《水文自動測報系統技術規范》要求。

同時，為確保工程度汛安全，在特殊水雨情時，實現了現場預報人員和國內技術支撐團隊前后方信息共享和會商的功能。

2.4 洪水預報系統

洪水預報系統總體上由數據支撐層、系統應用層和人機交互層構成[4]。預報系統做到了實用、可靠、標準化[5]，反映用戶特點，滿足用戶要求;在系統結構設計、功能開發和軟件編程等方面都實現了標準化和通用化，充分考慮流域梯級電站開發的需要[6-7]，具有較強的可擴展性。

3 水情預報服務的組織實施

3.1 實施中遇到的困難

實施中遇到的困難包括：①因安全因素導致上游已建干流控制水文站不能及時測流報汛，無法準確把握上游來水流量，對水情預報造成較大困難。②水電站所處位置交通、電力、通信等環境相對較差，水情信息發布不暢通，發布方式單一。③由于吉拉姆河流域面積較小且巴基斯坦國內氣象預報缺乏該流域內氣象資料，氣象預報無法滿足水情預報需要。④由于受施工場地限制，近500萬m3渣場均在壩區周邊，且壩區位于暴雨中心區，確保壩區安全度汛面臨挑戰。⑤水文歷史資料不完整，且流域50%的面積無法建站，為無控區間，預報方案精度不高。

3.2 組織實施

3.2.1 人員配置

水文預報服務與管理是一項專業性較強的工作，結合流域水情和國外工作特點，為確保工作的順利開展，保障卡洛特水電站施工期安全度汛，水情預報相關人員配置如下：枯季現場配置2名專業水文預報人員，汛期現場配置3名專業水文預報人員;現場配置網絡信息管理人員（兼自動測報系統運行維護管理人員）1名;在國內配置若干水情和氣象預報人員對預報產品進行校核和會商。

為保障水情站點平穩運行，測站能準確率定水位一流量關系，因此均采用巡測方式，只有壩區專用站有中方人員3人駐測。

3.2.2 技術培訓

為解決現場設備維護與水文測驗問題，中方對巴方員工開展相關技能培訓工作，努力實現巡測和駐測工作技術人員的本地化。經過培訓，巴方員工基本掌握了遙測站安裝維護、常規水文測驗儀器使用等，解決了測站維護和水文測驗問題，實現壩區以上水文站巴方員工駐測、中方人員巡檢的模式，做到及時測流報汛，準確把握上游來水流量。

3.2.3 水情信息發布

由于卡洛特水電站建設采用國際化標準管理，對其在社會、環境和安全方面要求較高，保證信息發布暢通顯得尤為重要。卡洛特水電站施工區基本無電話通信，網絡通信速度較慢且不穩定，并時常面臨通信管制，水情預報成果常需人工送至相關單位。2017年后，工區新建通信基站，水情信息發布采用短信、郵件、QQ和微信等即時通信工具，大大提高了水情信息時效性。

根據預報預警發布流程，當遇超標洪水（5a-遇洪水4 660 m3/s）時，水情氣象信息采用中、英、烏爾都語及時對當地政府及社會公眾發布，便于其了解水情氣象信息，減少當地居民因語言、理解等差異而造成的不必要恐慌。

3.2.4 水文氣象預報服務

水文與氣象相結合是延長預見期的基本途徑[8-9]。為實現水文與氣象相結合延長預見期，滿足工區施工對氣象服務的要求，與當地氣象部門開展了溝通和合作，基本可滿足工程施工期水文氣象預報需求。

在預報法案配置中，重點考慮了印控克什米爾地區沒有布設水文站網的特殊情況。該流域面積大，來水量無法忽略，因此對該地區采用相似流域水文比擬法[9]進行預測預報，并根據測站實測資料，對預報方案不斷修正和完善。經分析可知水情預報實際運用效果良好。

通過對2016年4月-2018年8月收集到的水雨情數據進行分析，近2a汛期壩區發生暴雨和特大暴雨次數達7次，其中2018年8月7日02： 00～ 06： 00，壩區平均降雨量為97.4 mm，單站最大降水量達到170.5 mm。為確保安全度汛，當預報和監測到有大到暴雨時及時發布預警，施工現場根據預警等級，通過組織人員和設備進行及時清障、排水和關鍵部位巡查。氣象預報、預警服務在工程防災避災中發揮了重要作用。

4 施工水文氣象服務實踐

4.1 預報精度

按照GB/T 22482-2008《水文情報預報規范》，對2017年3-9月6h預報成果進行統計，水位預報平均誤差-0.05～ 0.16 m，合格率都在80%以上;壩址流量預報相對誤差-0.66%～2.52%，合格率都在7 1%以上。水文預報為水電站施工期安全防洪度汛提供了較好保障。統計結果詳見表1。

4.2 典型洪水預報及其在工程度汛中的應用

由于受巴基斯坦北部地區的過境強西風波影響，吉拉姆河流域于2017年4月5-6日發生了2次大范圍持續性的強降雨過程，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間，距卡洛特壩址較近，2次降雨過程單站最大降水量達137 mm。

受暴雨影響，穆扎、多邁爾、卡拉斯、壩址站流量開始相繼快速上漲，其他站點來水也呈緩慢增加的態勢。至4月6日16：00壩址以上千支流各站來水相繼現峰，上述各站洪峰分別為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）。各控制站逐時流量過程見圖2。

卡洛特水電站施工期洪水預報采用預報系統中的預報模型及方法，采用考慮預見期降雨方案的交互預報模式，逐級預報演算。圖3為壩址預報流量過程與實際流量過程線對比，分析可知，預報洪水過程與實際過程基本一致，洪峰時間相當，預報精度較高。洪峰流量與峰現時間誤差統計見表2。

由于當時正處于導流洞緊張施工階段，導流洞施工圍堰堰頂高程尚未達到設計高程，此時即將經受第一次洪水考驗。洪峰時水面距堰頂僅0.7 m，面對導流洞內是否堅持施工和人員設備是否全部撤離的關鍵時刻，水情預報人員根據水雨情分析得出預報成果：洪水已達到洪峰，人員可先撤離，設備可不撤離。對水雨情信息的準確判斷避免了設備撤離造成的損失。

5 結語

由于水文氣象資料條件匱乏、國內安全形勢不穩等問題，作為“一帶一路”重點建設項目的卡洛特水電站在施工期水文氣象服務方面面臨諸多困難。通過強化當地員工培訓，與當地氣象部門合作等措施，基本建立了滿足需求的水文預報方案體系，為該電站安全度汛提供了強有力的技術支持。卡洛特水電站施工期水文氣象服務實踐可為類似項目提供經驗并起到一定的示范效應。

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