巴基斯坦卡洛特水電站施工期水情自動測報系統(tǒng)建設(shè)及管理

黃晶晶 孫明元 鄧頌霖

摘要：為了滿足巴基斯坦卡洛特水電站施工期水文預(yù)報需求，確保工程安全度汛，在電站壩址以上流域建成了一定數(shù)量的水情測報站網(wǎng)。針對施測區(qū)域內(nèi)交通不便、自然條件惡劣、軍事沖突時有發(fā)生等困難情況，通過建設(shè)水情自動測報系統(tǒng)以及推進(jìn)技術(shù)人員本土化，采用“無人值守，有人看管”的站網(wǎng)管理模式及靈活多樣的測驗方式，保證了水情測報站網(wǎng)的平穩(wěn)運行。結(jié)果表明，系統(tǒng)通暢率滿足自動測報系統(tǒng)設(shè)計要求，水文監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。水情測報站網(wǎng)的建成可為卡洛特水電站建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)的水情保障服務(wù)。

關(guān)鍵詞：水文測驗;水情自動測報系統(tǒng);遙測站網(wǎng);站網(wǎng)管理;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：P332文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.002

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0007- 05

1 工程及流域概況

巴基斯坦卡洛特水電站是“一帶一路”倡議的首個大型水電投資項目，也是中國在“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”的首個水電項目?？逄厮娬緣沃肺挥诎突固古哉谄帐】逄卮?，是印度河一級支流吉拉姆（Jhelum）河上規(guī)劃的第4個梯級電站。工程為Ⅱ等大（2）型工程，電站裝機(jī)容量72萬kW（720 MW），設(shè)計年發(fā)電量32.1億kW·h?？逄厮姽こ淘O(shè)計壩高469.5 m，水庫正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，設(shè)計洪水位461.13 m，校核洪水位467.06 m。

吉拉姆河是印度河流域水系最大的河流之一，發(fā)源于克什米爾山谷的韋爾納格深泉，干流全長725 km，徑流以融雪和季節(jié)性降雨為主要補給。流域位于季風(fēng)區(qū)，夏季季風(fēng)季節(jié)易發(fā)生強降雨，降雨多集中在流域南部和西部。卡洛特水電站位于吉拉姆河干流下游，壩址處控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3 億m3。壩址上游分別約170 km和160 km處有重要支流尼拉姆（Neelun）河和昆哈（Kunhar）河匯入吉拉姆河。

卡洛特水電站于2015年12月1日正式開工。為了改善該地區(qū)水文資料匱乏的現(xiàn)狀，為水電站建設(shè)提供較為詳實的水文氣象等資料，水情自動測報系統(tǒng)與工程建設(shè)同步展開，并于2016年9月試運行。

2 水情自動測報系統(tǒng)及水情測報站網(wǎng)

經(jīng)調(diào)查，在卡洛特水電站工程建設(shè)前，吉拉姆河流域內(nèi)已有9個水文站[1]，均由巴基斯坦水電發(fā)展署（WAPDA）的水文部門（SWHP）設(shè)立與管理。其中，吉拉姆河干流上有恰那勒（Chinari）、哈丁巴拉（HattianBala）、多邁爾（Domel）、查特克拉斯（ChattarKallas）、科哈拉（Kohala）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）和卡洛特7個站，支流昆哈河、尼拉姆河上分別設(shè)有加希哈比布拉（Garhi Habibullah）站和木扎巴拉法特（Muzaffarabad）站。各站均有日、月、年平均流量資料，年瞬時最大流量及泥沙資料。巴基斯坦水文部門所建站網(wǎng)見圖1。

巴基斯坦水文部門設(shè)立的水文站網(wǎng)大多數(shù)采用人工觀測，為英制標(biāo)準(zhǔn)，無報汛要求，觀測精度和段次無法滿足水電站建設(shè)期水文預(yù)報需求。為了滿足水電工程設(shè)計、洪水預(yù)報、施工及運行期安全、電站發(fā)電調(diào)度等需求，卡洛特水電站建設(shè)初期即同步規(guī)劃建設(shè)了水情測報系統(tǒng)[2]。

卡洛特水電站水情自動測報系統(tǒng)全部以中國標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，包括32個遙測站和1個中心站，站網(wǎng)布置見圖2，主要建設(shè)內(nèi)容包括：①遙測站配套設(shè)施土建及設(shè)備采購集成安裝;②建設(shè)遙測站至中心站的數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng);③建設(shè)中心站計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng);④開發(fā)應(yīng)用軟件;⑤編制洪水預(yù)報方案。水情自動測報系統(tǒng)可實現(xiàn)遙測站自動采集、存儲水情信息;按定時/事件自報方式自動將水情信息發(fā)送至中心站;水情中心站可根據(jù)需要對所屬遙測站遠(yuǎn)地編程，主動查詢、召測水情信息[3]。

2.1 遙測站結(jié)構(gòu)

巴基斯坦卡洛特水電站水情遙測站具有自動采集、傳輸、控制等功能，可保證系統(tǒng)可靠、有效運行。系統(tǒng)各遙測站采用測、報、控一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以YAC9900遙測終端為核心，配置相應(yīng)的水位傳感器、雨量傳感器、北斗衛(wèi)星通信終端、蓄電池及充電控制器等設(shè)備。遙測站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)見圖3。

遙測站通過編程實現(xiàn)水位、雨量的自動采集、現(xiàn)場存儲、自動發(fā)送。數(shù)據(jù)采集具有定時采樣和指令查詢兩種啟動工作方式。數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過處理，按一定的存貯格式存入現(xiàn)場固態(tài)存貯器，可在現(xiàn)場和遠(yuǎn)地對固態(tài)存儲器的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索與批量下載。

2.2 遙測站功能

巴基斯坦卡洛特水電站水情自動測報系統(tǒng)采用國內(nèi)成熟技術(shù)[4]，遙測站可以實現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程設(shè)置及讀取本站站號、雨量初值、水位初值、傳感器類別、水位采樣間隔、定時段次、水位雨量變化閾值、通信信道等參數(shù)。系統(tǒng)具有自動采集、存儲與傳輸數(shù)據(jù)，隨機(jī)自報，定時自報，雙向傳輸，自動測試工作狀態(tài)，設(shè)備故障、異常自動報警，自動對時等功能。所有外部接口均有光電隔離，可防雷電破壞及外部電磁信號影響，能在雷電、暴雨、停電等惡劣條件下正常工作。

2.3 遙測站供電

為了使遙測站在長期無人值守的情況下穩(wěn)定可靠運行，在卡洛特水電站水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計之初，根據(jù)遙測站設(shè)備實際功耗以及當(dāng)?shù)厝照罩笖?shù)等條件，選擇了太陽能自動控制浮充，蓄電池直流供電方式。

遙測雨量站和遙測水位站分別選用12V/65Ah和12V/100Ah蓄電池，太陽能電池組件為分別為40 W和50 W。為防止蓄電池在供電過程中出現(xiàn)過電和欠壓的現(xiàn)象，在蓄電池和太陽能板之間配置相應(yīng)的充電控制器。

2.4 水情測報站網(wǎng)分類

卡洛特水電站水情測報站網(wǎng)主要服務(wù)于工程建設(shè)[5]，滿足洪水預(yù)報、施工及運行期安全、設(shè)計復(fù)核等需要。按照水文觀測項目，水情測報站網(wǎng)主要分為雨量站網(wǎng)、水位站網(wǎng)、流量站網(wǎng)、泥沙站網(wǎng)和蒸發(fā)站網(wǎng)等[6]。

2.4.1 雨量站網(wǎng)

為滿足水文預(yù)報產(chǎn)匯流計算的需求，在卡洛特壩址以上流域建成遙測雨量站26個，在施工區(qū)域建成雨量站8個。因流域部分區(qū)域位于印控克什米爾地區(qū)，無法設(shè)站，所建雨量站全部集中在巴控克什米爾地區(qū)。目前，所建遙測雨量站可以滿足12 h預(yù)見期水文預(yù)報的需求。遙測雨量站多選擇在有人居住，地勢較為平坦、開闊的區(qū)域，并簽訂土地租賃協(xié)議、看管協(xié)議，以防遙測站遭受人為破壞，避免造成遙測站功能失效。

2.4.2 水位站網(wǎng)

吉拉姆河上游的兩條重要支流尼拉姆河和昆哈河，在克什米爾首府木扎巴拉法特匯入吉拉姆河。吉拉姆河來水受兩條支流影響顯著。在吉拉姆河干流及支流上設(shè)立了若干遙測水位站監(jiān)測水量變化。在施工區(qū)域設(shè)有上圍堰站、下圍堰站、導(dǎo)流洞入口站、導(dǎo)流洞出口站，實時監(jiān)測施工區(qū)不同部位水位，按照預(yù)報成果發(fā)布預(yù)警。

遙測水位站采用氣泡壓力式水位計作為主要水位采集設(shè)備，利用直立式水尺作為水位校核設(shè)施，在設(shè)備維護(hù)及水文巡測期間對水位計進(jìn)行校核。近壩區(qū)水位站采用統(tǒng)一的巴基斯坦國家高程系統(tǒng)作為凍結(jié)基面。距壩區(qū)較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)因無高程引測條件，遙測水位站采用假定基面作為測站高程系統(tǒng)。

2.4.3 流量站網(wǎng)

依托已建遙測水位站網(wǎng)，通過在每個水位站附近固定斷面施測流量確定遙測水位站水位流量關(guān)系，據(jù)此可動態(tài)掌握河段區(qū)間水量變化，提高水文預(yù)報精度。壩址以上測站以巡測模式開展流量測驗，測次主要集中在雨季中高水期，目標(biāo)是建立遙測水位站水位流量關(guān)系。利用馬斯京根法進(jìn)行河道洪水演算，對施工區(qū)域關(guān)鍵部位進(jìn)行洪水預(yù)報。流量測驗的主要設(shè)備為RiverSurveyor M9和雷達(dá)波測流機(jī)器人，前者采用簡易纜道系統(tǒng)作為牽引設(shè)施走航式測驗，后者沿布設(shè)的鋼纜在固定起點距自動測量表面流速，通過率定的水面系數(shù)計算斷面流量。

2.4.4 其他站網(wǎng)

在阿扎德帕坦站和卡洛特專用水文站開展泥沙觀測，阿扎德帕坦站主要為設(shè)計復(fù)核提供數(shù)據(jù)支撐，卡洛特專用水文站收集施工期河道泥沙成果，為大壩建成使用后庫區(qū)泥沙淤積問題研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。另外，在卡洛特專用水文站開展了蒸發(fā)量觀測。泥沙測驗采用調(diào)壓積時式采樣器取樣，在水文營地使用烘干法處理并計算含沙量。采用FFZ-01Z型自動蒸發(fā)站觀測蒸發(fā)量。

3 技術(shù)人員本土化管理

施工期水情服務(wù)是一項技術(shù)性很強的工作，涉及工作內(nèi)容繁多，包括：水情遙測站網(wǎng)建設(shè)、遙測站維護(hù)、水文測驗、水文預(yù)報等。卡洛特項目所在地毗鄰巴控克什米爾地區(qū)，壩址以上流域各有50%的區(qū)域分別位于印、巴實際控制區(qū)，遙測站網(wǎng)大部分分布于敏感區(qū)域，測區(qū)內(nèi)交通不便。

為了保證水情遙測站網(wǎng)建設(shè)工作順利開展，及時開展遙測站維護(hù)和水文測驗工作，積極推行了技術(shù)人員本土化管理，使之成為水情服務(wù)工作順利進(jìn)行的有效解決方案。為此，項目部按照業(yè)主規(guī)定，招聘巴基斯坦雇員充實技術(shù)人員隊伍，并進(jìn)行相關(guān)技能培訓(xùn)（圖4）。建立了薪酬福利及績效考核制度[7]和巴方員工工作制度、休假制度，對其進(jìn)行規(guī)范化管理。經(jīng)過5 a的運行，巴方員工已經(jīng)成為遙測站網(wǎng)維護(hù)和水文巡測的主要力量。

4 遙測站維護(hù)管理

卡洛特水電站遙測站網(wǎng)點多面廣，不少遙測雨量站及遙測水位站位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，路途遙遠(yuǎn)，自然環(huán)境惡劣，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，維護(hù)難度大、耗時長。特別是雨季，遙測站故障會導(dǎo)致水文預(yù)報工作無法正常開展，對維護(hù)人員快速處置能力提出了很高要求。

遙測站常見的故障包括：①人為破壞，如設(shè)備被盜或因軍事沖突造成的損壞。②極端天氣影響，巴基斯坦夏季氣溫最高可達(dá)40℃～50℃，且夏季較長，雨后空氣濕度大;冬季氣溫低，高海拔地區(qū)氣候寒冷。在極端環(huán)境下，部分設(shè)備電子元件容易出現(xiàn)故障。③供電系統(tǒng)故障，連續(xù)陰雨天氣導(dǎo)致蓄電瓶電壓過低，設(shè)備無法正常運行。④洪水造成的設(shè)備損壞，壓力式水位計水下部分容易被洪水沖毀。

中方人員前往遙測站網(wǎng)所在測區(qū)通關(guān)難度大，安全風(fēng)險高，巴方員工開展遙測站維護(hù)工作優(yōu)勢明顯。通過培訓(xùn)、考核，巴方員工能迅速熟悉遙測站儀器設(shè)備，并按照規(guī)范要求排除簡單的儀器故障（圖5）。針對疑難問題，巴方員工抵達(dá)現(xiàn)場后，在中方人員遠(yuǎn)程視頻指導(dǎo)下，可在最短時間內(nèi)排除設(shè)備故障，恢復(fù)遙測系統(tǒng)正常報汛。2019年，全流域32個遙測站，有24個測站通暢率大于99%，占比75.0%;30個測站通暢率大于95%，占比93.8%;只有新雨量站2和塔哈塔（Talhatta）站因地處高寒地區(qū)，印巴邊境關(guān)系緊張等因素導(dǎo)致不能及時維護(hù)，通暢率在80%～90%之間。系統(tǒng)通暢率滿足了自動測報系統(tǒng)設(shè)計要求，巴方員工在遙測系統(tǒng)的維護(hù)保障中發(fā)揮了重要作用。

5 水文巡測管理

除了遙測站維護(hù)工作，巴方員工另一項重要工作是水文巡測。巡測內(nèi)容主要包括：水位校核及流量、泥沙測驗。為了使巴方員工掌握水文測驗技術(shù)，對其開展了水準(zhǔn)測量、水尺校測、流量測驗、泥沙測驗、GNSS測量等專項培訓(xùn)，并建立起了考核制度，考核結(jié)果與薪酬待遇掛鉤，形成了有效的激勵機(jī)制[8]。

巡測期間施行清單化管理，巡測前為巴方巡測人員制定巡測計劃及任務(wù)清單，巡測中巴方員工每天通過短信報送任務(wù)完成情況及位置、安全等相關(guān)信息。中方人員時刻關(guān)注巡測人員動態(tài)，確保其人身安全及巡測任務(wù)的保質(zhì)保量完成。巡測完成后，巴方員工提交巡測報告，做到巡測記錄可追溯。

巴方員工開展水文巡測，收集了大量水文資料。2019年，巴方員工在壩址以上流量站網(wǎng)共施測流量58次，收集到了寶貴的高水期流量資料。吉拉姆河上游距壩址分別為16 km和82 km的阿扎德帕坦站和查特克拉斯站2019年水位流量關(guān)系線見圖6～7。

6 結(jié) 論

（1）卡洛特水電站水情自動測報系統(tǒng)有效解決了吉拉姆河流域水文資料匱乏的問題，為工程設(shè)計、防汛減災(zāi)、施工期安全度汛、水工建筑物設(shè)計復(fù)核、水電站運行調(diào)度提供了可靠的水情信息，水文預(yù)報及氣象服務(wù)工作為保障水電站建設(shè)期施工安全發(fā)揮了重要作用。

（2）在境外高風(fēng)險地區(qū)開展水電建設(shè)項目水情服務(wù)時，推進(jìn)了水情自動測報系統(tǒng)建設(shè)及人員本土化。在水文巡測時充分發(fā)揮了本土雇員的作用，為當(dāng)?shù)靥峁┝司蜆I(yè)崗位，培養(yǎng)了工程技術(shù)人員，促進(jìn)了中國標(biāo)準(zhǔn)的推廣普及，也推動了當(dāng)?shù)厮氖聵I(yè)的發(fā)展。

（3）卡洛特水電站在水情自動測報系統(tǒng)建設(shè)、水文測驗、遙測站網(wǎng)維護(hù)、水文巡測、技術(shù)人員本土化管理等過程中采用了國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新方法，其經(jīng)驗可以推廣運用到類似境外水電開發(fā)項目中。

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（編輯：李 慧）

Construction and management of automatic hydrological forecasting system during construction period of Karot Hydropower Station in Pakistan

HUANG Jingjing， SUN Mingyuan， DENG Songlin

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

Abstract： In order to meet the demand of hydrological forecast during construction period of Karot Hydropower Station in Pakistan and ensure the safety of the project in flood season， a network with a certain number of hydrological forecasting stations has been built in the basin above the dam site. In the light of inconvenient traffic， severe natural condition and military conflicts， by constructing automatic hydrological forecasting system， hiring and training local technical personnel， the management mode of "unattended， supervised" and flexible testing methods were adopted to ensure the stable operation of hydrological forecasting station network. The availability of the device met the design requirement and the hydrological monitoring data was accurate and reliable. The construction of the hydrological forecasting system can provide high-quality hydrological services for the construction of Karot Hydropower Station.

Key words： hydrological survey; automatic hydrological forecasting system; remote survey station network; station network management; Karot Hydropower Station; Pakistan