小海子水庫監(jiān)測預報預警系統(tǒng)研究

梁江梅，侯 奔

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師圖木舒克市水利工程管理服務(wù)中心，新疆 圖木舒克 843900；2.山東省調(diào)水工程運行維護中心濱州分中心，山東 濱州 256600）

0 引言

近年來，極端惡劣天氣頻現(xiàn)，工程措施依然不能完全抵御水庫水患災(zāi)害；小海子水庫為病險水庫，大壩為三類壩，因此根據(jù)水庫實際情況，在人民至上、生命至上的安全發(fā)展理念指引下，建立水庫預報預警機制尤為重要。

1 水庫基本概況

小海子水庫位于喀什地區(qū)巴楚縣縣城東南方麻扎山下，水庫西臨巴楚縣縣城，北面與巴楚縣勝利鄉(xiāng)、恰瓦克鄉(xiāng)接壤，是葉爾羌河中游的一座大型攔河式平原水庫[1]。設(shè)計水位水面面積147 km2，設(shè)計灌溉面積8.33 萬hm2。小海子水庫現(xiàn)狀主要指標：壩線總長為25.45 km，其中南壩主壩11.8 km、副壩0.45 km、北壩主壩13.2 km，設(shè)計壩頂高程1 117.20 m。死水位1 111.13 m，死庫容0.1514 億m3，汛限水位1 115.31 m，對應(yīng)庫容3.07億m3，設(shè)計水位1 115.50 m，相應(yīng)庫容為3.29 億m3。

水庫原為引水式平原水庫，由艾里克塔木樞紐小海子水庫進水閘引水。因葉河上游部分洪水由沙浪河直接進入小海子水庫，再加上艾里克塔木樞紐以下河道泄洪能力不足，故小海子水庫需承擔艾里克塔木分洪及沙浪河洪水進庫流量兩部分的分洪任務(wù)，洪水下泄通道主要為突來買提河、夏可河。

2 流域水文特征

葉爾羌河[2]，發(fā)源于喀喇昆侖山北坡的喀喇昆侖山口，大致有3 個分支，即由上至下自左岸匯入的克勒青河、塔什庫爾干河，以及歷史上曾從平原山區(qū)流入、自干流右岸匯入的提孜那甫河。

提孜那甫河發(fā)源于昆侖山區(qū)北坡科克阿特達板，主要水源為上游冰雪消融。河源附近遍布了數(shù)量豐富的現(xiàn)代大陸冰川、永久冰雪，以及季節(jié)性降雪，其中河源冰川規(guī)模為350.7 km2，冰川存量為2.2×1010m3，冰河消融量約為1.7×108m3，冰河覆蓋面為6.5%。海拔3 500 m 以上地區(qū)降雨量多以雪的形式下降。提孜那甫河出山口玉孜門勒克站的年平均徑流量為 8.14×108m3。

2.1 徑流季節(jié)變化特征

葉爾羌河徑流中大部分靠融雪供給，所以最明顯的特點就是在年內(nèi)分布上極不平衡。從喀群水文站的四季變化規(guī)律來看，春季(3～5 月)和冬季（12～2月）水量占比接近，分別為7%、6.2%，夏季(6～8 月)最多，占68.3%，秋季(9～11 月)占18.5%，年徑流四季分配見表1。

表1 葉爾羌河年徑流季節(jié)分配表

2.2 洪水

根據(jù)洪水類型劃分，葉爾羌河洪水可分為融雪消融型洪災(zāi)、暴雨洪水、冰川湖突發(fā)洪水、混合型洪水[3]。其中，冰川湖突發(fā)洪水(又稱冰川“潰壩型”洪水)，峰型單一，雖然洪水規(guī)模不大，但洪峰流量高，持續(xù)時間較短，且洪水過程線陡漲陡跌，以異常高洪峰流量值和高起漲速率而著稱。

圖1 1984 年卡群站“潰壩型”洪水過程線

圖2 1987 年7 月卡群站暴雨型洪水過程線

圖3 1971 年8 月卡群站混合洪水過程線

3 水庫目前存在的問題

北壩4+000～8+000 壩后積水較嚴重；南、北壩上游護坡塊石普遍偏小，護坡厚度不滿足設(shè)計要求；南壩壩頂寬度不足；滲流觀測設(shè)施部分損壞，監(jiān)測項目設(shè)置及監(jiān)測頻次不符合規(guī)范要求；下游河道多年來運行淤積嚴重，長期未進行疏浚，過流能力不足。

4 水庫測報系統(tǒng)現(xiàn)狀

水庫水情測報正處于調(diào)試試運行過程，初步發(fā)揮著作用，建設(shè)移交后可以實現(xiàn)大壩區(qū)域的自動化測報；但水庫上游缺乏水情、氣象等監(jiān)測設(shè)施。水情測報系統(tǒng)由中心站、流量站(入庫站)、壩上水位站、雨量站組成。

流量站系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星將前端采集設(shè)備數(shù)據(jù)遠傳到中心站，中心站通過接收軟件將數(shù)據(jù)進行處理和整合，計算出流量數(shù)據(jù)并入庫。前端設(shè)備包含：雷達表面流速儀，雷達水位計，采集終端RTU，供電系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星傳輸發(fā)射終端等。中心站設(shè)備包含：服務(wù)器，北斗衛(wèi)星傳輸接收終端，數(shù)據(jù)接收及綜合處理平臺。前端主要設(shè)備功能：雷達表面流速儀通過雷達發(fā)射反射原理測量河道水面流速；雷達水位計通過雷達波原理測量水面高度；采集終端接收水位計及流速儀數(shù)據(jù)并內(nèi)部處理后通過北斗衛(wèi)星傳輸?shù)街行恼?。系統(tǒng)優(yōu)點：無線傳輸，抗干擾性能好，北斗衛(wèi)星解決無網(wǎng)通信號缺點，組網(wǎng)方便、維護簡單。

雨量站使用翻斗式雨量傳感器檢測自然界降水量，并將降水量轉(zhuǎn)化為顯示的數(shù)字信息量輸出，以適應(yīng)信號傳輸、處理、記錄和顯示等要求。

5 預測與預警方案制定原則

建立健全水庫安全預測與預警系統(tǒng)，并加強對水庫工程的巡視檢查，特別是在突發(fā)天氣來臨時加派人力開展巡邏，做到第一時間發(fā)現(xiàn)、立刻報告、最早處理。針對現(xiàn)階段洪澇災(zāi)害點多面廣，而且危害程度不盡相同的特點，在制定水庫監(jiān)測預報預警方案時遵循以下要求：

（1）充分利用已建成的水文、氣象等監(jiān)測站網(wǎng)，向水庫提供準確的水雨情資料。所有措施及預案建立在小海子水庫現(xiàn)有設(shè)施、設(shè)備及人員配置上，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上采取有效手段掌握水雨情信息、上游水量變化、入庫水量及庫水位變化，并利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)信息傳送及預警，根據(jù)預警機制完成相關(guān)工作。

（2）預警及時、迅速、準確，實時性強?？紤]警報發(fā)出、響應(yīng)的效率，第一時間把預警信息準確傳遞至可能受災(zāi)地區(qū)，為采取相應(yīng)措施贏得更多時間。

（3）投資合理、因地制宜。按照經(jīng)濟社會發(fā)達程度和水平要求的差異，綜合考慮水庫的自然地理、現(xiàn)有通信條件、電力供應(yīng)狀況、影響區(qū)居民居住地分布等情況，在確保預警信號可以有效發(fā)送的情況下，充分發(fā)揮已有優(yōu)勢，確保預警信號能以穩(wěn)定、適當、合理的形式傳遞。

（4）將自動監(jiān)控系統(tǒng)和群策群防相結(jié)合。受現(xiàn)時經(jīng)濟技術(shù)條件的影響，水庫洪水災(zāi)害預警工作還需群策群防預警，并與水情、氣象監(jiān)測系統(tǒng)預警工作相結(jié)合。為有效補充水庫上游地區(qū)缺少監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施的影響，必須在該區(qū)域內(nèi)安排工作人員，直接觀察雨情、水情，以準確及時了解上游來水的狀況，一旦發(fā)生險情能夠及時報告并通知下游群眾做好轉(zhuǎn)移疏散。

6 預警體系構(gòu)建

根據(jù)水庫特點，建立基于監(jiān)測系統(tǒng)預警和群策群防體系預警的雙體系預警機制。

6.1 基于監(jiān)測系統(tǒng)的預警

根據(jù)預先設(shè)定的預警程序與響應(yīng)方法，綜合分析雨情、水情及氣象等設(shè)備監(jiān)測的與洪水災(zāi)情有關(guān)的資料數(shù)據(jù)，進行會商研究、綜合分析和判斷，評估確定警報等級并啟動對應(yīng)的應(yīng)急預案，使警報信號迅速、精確地傳遞至洪水可能威脅的居民居住區(qū)和其他受災(zāi)區(qū)，引導接受警報的居民或其他人員按照洪水災(zāi)害防范措施，適時采取避難措施，最大程度地降低人員傷亡和財產(chǎn)損失。

（1）預警組成。基于信息監(jiān)測系統(tǒng)的預警模式主要由信息監(jiān)測、信息匯集與會商決策、預警信息發(fā)布3 部分組成，見圖4。

圖4 預警構(gòu)成圖

（2）信息監(jiān)測。通過監(jiān)測系統(tǒng)及時獲取水情、雨情及氣象有關(guān)信息并將其匯集到中心平臺。監(jiān)測系統(tǒng)通常包含水情、雨情、天氣資料等遙測臺站的前端設(shè)備和軟件平臺，以及利用水雨情遙測臺站和巴楚縣氣象站的前端設(shè)備，進行斷面水位、降水、圖像、天氣資料等數(shù)據(jù)的收集與傳遞。通過與氣象局、國土局等單位的網(wǎng)上聯(lián)系進行數(shù)據(jù)互動，實現(xiàn)信息共享。

（3）信息匯集與會商決策。基于通信網(wǎng)絡(luò)把由各種途徑獲取的信息匯集到信息中心，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，完成對數(shù)據(jù)的分析處理；師市防洪預警指揮中心經(jīng)過會商決策，確認預警級別，為預警信息發(fā)布及預警指揮提供支撐依據(jù)。

（4）預警信息發(fā)布。對信息中心獲取的信息進行綜合評估、決策后，如果認為達到了一定的警報級別，則需啟動相應(yīng)的應(yīng)急機制，進入預警指揮階段，實現(xiàn)對會商決策與應(yīng)急指揮的信息發(fā)布。依據(jù)事先編制的對應(yīng)突發(fā)事件分級和潰壩事件發(fā)生的可能性，洪水和工程事故造成的預警級別分為Ⅰ～Ⅳ級，Ⅰ級為特別嚴重，并制定了對應(yīng)等級的應(yīng)急響應(yīng)方案。當預警反應(yīng)啟動，經(jīng)會商決策并確定了預警等級后，由有關(guān)領(lǐng)導或負責人確定啟用對應(yīng)等級響應(yīng)，發(fā)出指揮命令，并全程監(jiān)視指令實施過程。同時根據(jù)實際情況及時修改方案和命令，達到防災(zāi)減災(zāi)的目的。通過公眾信息發(fā)布平臺，將水情、雨情、氣象、洪水等各種災(zāi)害信息及應(yīng)急預案對外發(fā)布。

（5）預警通信。災(zāi)情信息預警通信是向受到洪水災(zāi)情威脅的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)、居民點等適時、正確地發(fā)出水文情報、洪水預警信息和疏散指令等，同時及時獲取反饋信息。處于危險或受威脅的居民點、單位是接受由上逐級下達的警報信號的最基礎(chǔ)單位，需要及時通知到。因此作為洪水警報傳遞和信息反饋的主要途徑和通路，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當合理、實用，以適應(yīng)突發(fā)通信的需要。主要包括預警信息通信方式和預警通信組網(wǎng)兩個部分。

6.2 群策群防體系預警

基于目前水庫上游區(qū)域缺少水情、氣象等觀測設(shè)備的現(xiàn)狀，首先在上游一定區(qū)域內(nèi)設(shè)置了作業(yè)點并明確專人，以最直接的手段觀察記錄雨情、水情。隨時了解上游來水的狀況，同時根據(jù)洪水災(zāi)害調(diào)查評價結(jié)果，修訂完善防汛指揮中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村的洪水預警指標。

（1）設(shè)立簡易監(jiān)測點。在上游一定范圍內(nèi)的重點防治區(qū)、危險易發(fā)區(qū)及沿河自然村均設(shè)立簡易監(jiān)測點。原來沒設(shè)置的加以補充，洪水災(zāi)情調(diào)查新增設(shè)的危險區(qū)域也應(yīng)補設(shè)簡易監(jiān)測點，對風險區(qū)規(guī)模較大的地區(qū)可加大監(jiān)測點的數(shù)量。每個測點應(yīng)有一個監(jiān)測預警人員，主要任務(wù)為：查看簡易降雨或簡易水位設(shè)備上的降雨或水位讀數(shù)；當降雨或水位超過警戒區(qū)域及時向上一級防汛部門報告，實施防汛調(diào)度或其他防洪預案措施；當降雨或水位達到或超過危險警戒位置后，通過手搖報警器、銅鑼發(fā)送警報信息，告知大伙轉(zhuǎn)移或撤離，并通過通信工具向下游行政村、組團發(fā)送警報信息；當接到上一級防汛部門的警報提醒后，通過手搖報警器、銅鑼發(fā)送警報信息，告知大伙撤離。

（2）完善防洪預案。①建立責任制度：健全水庫洪水災(zāi)害防控組織機制，由獨三師防洪抗旱指揮機構(gòu)統(tǒng)一指揮，政府主要領(lǐng)導擔任指令首長，組員由有關(guān)職能部門領(lǐng)導構(gòu)成。防汛指揮機構(gòu)內(nèi)設(shè)辦公室、技術(shù)組、信息組、轉(zhuǎn)移組、調(diào)度組、保障組和緊急搶險組。辦公室設(shè)立專門人員管理，并明確了師防汛抗旱指揮部各工作組任務(wù)。完善師市的指揮部門組織人員的通信錄或聯(lián)系方式，緊急情況時能采用電話、短信的方法聯(lián)絡(luò)到相關(guān)人員。管理區(qū)域內(nèi)的建筑場地、旅游景點、企事業(yè)單位及重要防范區(qū)要配備相應(yīng)的人員負責防洪防御工作，有準確的聯(lián)系方式。②逐步完善水庫防洪防御預案：依據(jù)對洪水災(zāi)害調(diào)查評估的結(jié)果，以及實際狀況變化趨勢，對水庫、連隊和企事業(yè)單位的防洪防御預案加以修改完善。防洪防御預案重點包含以下內(nèi)容：依據(jù)近期洪水災(zāi)害調(diào)查評估的結(jié)果，劃定風險區(qū)、轉(zhuǎn)移路徑、安置場所和預警指標等，并測繪洪水災(zāi)害風險區(qū)分布圖；各個風險區(qū)分別確定一處避災(zāi)安置場所；規(guī)定預警工作人員的職責和分工，規(guī)定預警信號，明確需要轉(zhuǎn)移人員花名冊和聯(lián)系方式等；標明上游庫區(qū)或沿河組團、行政村，將監(jiān)測預警信息直接向下游組團、連隊傳送的方案。③完善預警隊伍結(jié)構(gòu)及指標：將簡易監(jiān)測點的預警信息員全部列入預警隊伍；依據(jù)調(diào)查評估的結(jié)果，制定各個簡易雨量、水情監(jiān)測站點的預警指標。

（3）群策群防預警。對基層監(jiān)測工作人員開展各項技術(shù)培訓，讓他們熟悉基本的防洪防御知識、能利用監(jiān)測設(shè)備收集信息數(shù)據(jù)，并積累相應(yīng)基本防汛知識，從而具有及時發(fā)布、接受、傳遞預警信息的技能；對遭受洪水威脅人群開展簡易避災(zāi)訓練和轉(zhuǎn)移演習，幫助民眾提高避災(zāi)能力、了解基本避災(zāi)信息、熟悉避災(zāi)道路和緊急避難地點位置，確保遇險時可以安全有序地迅速疏散。水庫所屬師市的防汛中心、水庫管理單位、鄉(xiāng)鎮(zhèn)或以上簡易監(jiān)測站都是群策群防預警信息的主要獲取渠道；各組團、連隊和居民居住區(qū)接收防汛部門或監(jiān)測點發(fā)出的預警信息；上游連隊、組團的警報信號，應(yīng)及時向下游連隊、組團傳達。

7 預警預報系統(tǒng)的應(yīng)用效果

水庫防汛預警預報體系從成立以來不斷完善，連續(xù)經(jīng)過多次融雪消融洪水、暴雨洪水的檢驗，極大減輕了值班值守的負擔，提高了專業(yè)人員技術(shù)和水平；增強了水庫的災(zāi)情預警功能，大大減少了水災(zāi)帶來的自然災(zāi)害損失。

8 結(jié)束語

水庫預報與預警系統(tǒng)的建設(shè)，大大提高了防洪工作的科學化、信息化與管理水平，根據(jù)不同程度的洪水預報，師市防汛中心發(fā)出相應(yīng)級別的預報預警信息，相關(guān)部門啟動相應(yīng)級別的防洪預案，做好充分準備，通過水庫調(diào)度運用開閘泄洪、下游沿河各級防指做好抗洪搶險準備，減少了災(zāi)害損失。建議逐步完善水庫及上游水情、氣象等監(jiān)測設(shè)備布局，并逐漸取代傳統(tǒng)人工的簡易監(jiān)控點，以提升預測預警系統(tǒng)效能與可靠性；同時累積與整理各種參數(shù)及實測資料，隨時收集與整理有關(guān)的信息資源，并適時修正預報圖表，增強預警預報系統(tǒng)的適用性，提高預警準確度，確保水庫安全。