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        浩口水電站施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2018-03-23 23:28:22
        四川水利 2018年6期
        關(guān)鍵詞:水情施工期壩址

        (重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,重慶 北部新區(qū),401120)

        水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))是利用遙測(cè)、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù),完成流域或測(cè)區(qū)內(nèi)水文、汛情、工情等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理,為工程防洪、興利、優(yōu)化調(diào)度提供服務(wù)的自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地采集、傳輸、處理流域內(nèi)的水雨情信息,并及時(shí)作出準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào);能有效提高洪水預(yù)報(bào)精度,增長(zhǎng)預(yù)見期;是確保水電工程安全度汛和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要非工程措施,已在國(guó)內(nèi)外水利水電工程施工和運(yùn)行中得到廣泛運(yùn)用,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

        1 工程基本情況

        芙蓉江流域位于貴州高原東北邊緣,下游接近四川盆地。發(fā)源于貴州省遵義市綏陽縣黃枧鄉(xiāng),自南向北流經(jīng)正安、道真兩縣后進(jìn)入重慶市彭水縣和武隆縣境內(nèi),于武隆的江口鎮(zhèn)匯入烏江。干流全長(zhǎng)233.7km,河床平均比降4.81‰,全流域面積7886km2。

        浩口電站位于武隆縣浩口鄉(xiāng)浩口村,為芙蓉江干流(小河口~江口)梯級(jí)開發(fā)中的第11級(jí),主要任務(wù)是發(fā)電。樞紐工程距下游江口電站約23km,距武隆縣城32km。壩址處控制集水面積7400km2,占全流域面積的93.8%,電站裝機(jī)容量13.5萬kW,調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié)。

        角木塘水電站位于芙蓉江干流下游河段,地處貴州省遵義市道真仡佬族苗族自治縣境內(nèi)忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪,上銜官莊電站,下接浩口電站。該電站為河床式電站,距上游官莊電站廠址約15km,距下游浩口電站約20km,壩址在角木塘大橋下游約2.3km處芙蓉江河段上。壩址以上控制流域集水面積6886km2,占芙蓉江全流域面積(貴州省境內(nèi))的87.3%,電站裝機(jī)容量7萬kW,調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié)。

        由于浩口水電站和角木塘水電站為同一業(yè)主,基本上同步施工建設(shè),且為上下游關(guān)系,因此,浩口水電站施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)覆蓋角木塘水電站,一并實(shí)施。

        2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

        2.1 現(xiàn)有測(cè)站基本情況

        由于芙蓉江上游已經(jīng)建成多個(gè)水電站,目前,上游距離浩口及角木塘梯級(jí)水電站最近的魚塘水電站具有周調(diào)節(jié)性能,具有調(diào)節(jié)洪水的能力,在魚塘電站壩址以上流域沒有必要再布設(shè)遙測(cè)站點(diǎn)。因此,為滿足各梯級(jí)工程施工、運(yùn)行和流域梯級(jí)調(diào)度對(duì)水情預(yù)報(bào)預(yù)見期的要求,本測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬在魚塘電站至浩口電站壩址區(qū)間,測(cè)報(bào)面積為2065km2。

        目前本次測(cè)報(bào)系統(tǒng)范圍內(nèi),在芙蓉江流域建設(shè)有五家院子、長(zhǎng)壩等國(guó)家基本水文站,同時(shí)下游江口水電站建設(shè)有浩口水文站,在整個(gè)芙蓉江流域建設(shè)有17個(gè)遙測(cè)雨量站,在測(cè)報(bào)系統(tǒng)范圍內(nèi)有5個(gè)遙測(cè)雨量站。其中長(zhǎng)壩水文站在電站完工后將會(huì)被淹沒,五家院子水文站將受到角木塘回水影響。浩口水文站處于浩口水電站壩址處,在電站開工后拆除。

        2.2 測(cè)站布設(shè)

        根據(jù)系統(tǒng)功能、流域河系情況、降雨洪水特性、現(xiàn)有測(cè)站分布情況、支流的梯級(jí)布設(shè)情況,以及測(cè)站交通環(huán)境條件,進(jìn)行浩口水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)布設(shè)。站網(wǎng)布設(shè)遵循以下基本原則:

        (1)遙測(cè)站網(wǎng)應(yīng)滿足洪水預(yù)報(bào)要求,應(yīng)同時(shí)充分考慮電站施工期和運(yùn)行期洪水預(yù)報(bào)調(diào)度的要求;

        (2)雨量站網(wǎng)密度應(yīng)能較好地控制流域內(nèi)降水的時(shí)空分布情況,分布基本均勻;

        (3)充分考慮山脈、高程等對(duì)降水時(shí)空分布的影響,便于通信組網(wǎng);

        (4)庫(kù)區(qū)測(cè)站應(yīng)不受水庫(kù)淹沒或回水影響,重要河段應(yīng)有水文、水位站控制;

        (5)應(yīng)符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、《水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》及《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)范、規(guī)程及規(guī)定;

        (6)測(cè)站盡可能設(shè)在交通、生活方便的地方,便于建設(shè)和維護(hù)管理。

        另外,站網(wǎng)兼顧系統(tǒng)施工期和運(yùn)行期各自的特點(diǎn)和需要進(jìn)行布設(shè),力爭(zhēng)測(cè)站建設(shè)一次到位,節(jié)約投資。

        根據(jù)以上水文站網(wǎng)布設(shè)原則,結(jié)合系統(tǒng)測(cè)報(bào)范圍論證結(jié)果,兼顧施工期和運(yùn)行期,施工期水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)共建立了1個(gè)中心站(浩口);5座雨量站,分別為大矸、三橋、梅江、洛龍、濯水雨量站;2座水文站:五家院子、魚塘水文站;2座水位雨量站:浩口導(dǎo)流洞、角木塘導(dǎo)流洞水位雨量站;2016年3月,增設(shè)魚塘出庫(kù)水位站1座。

        2.3 水情預(yù)報(bào)方案

        浩口、角木塘水電站施工期洪水預(yù)報(bào)斷面包括:角木塘電站壩址、浩口電站壩址2個(gè)斷面。

        根據(jù)芙蓉江流域徑流、暴雨洪水特性、流域開發(fā)情況以及梯級(jí)電站運(yùn)行及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的需要,施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)洪水期水情預(yù)報(bào)方案,宜采用河系預(yù)報(bào)和降雨徑流預(yù)報(bào)(施工期采用API模型)相結(jié)合的方法,由于各個(gè)斷面均設(shè)立了水位雨量站,河系預(yù)報(bào)精度較高。

        但是對(duì)于角木塘電站,根據(jù)洪水傳播時(shí)間和降雨徑流預(yù)報(bào)初步分析,魚塘電站至角木塘洪水傳播時(shí)間較短(1h~3h)、區(qū)間(含梅江支流)產(chǎn)匯流至洪峰出現(xiàn)時(shí)間也較短(1h左右),對(duì)施工期洪水預(yù)報(bào)來說預(yù)見期較短。區(qū)間預(yù)見期根據(jù)流域特性已經(jīng)固定,因此,對(duì)于施工期安全運(yùn)行來說,必須時(shí)刻關(guān)注天氣預(yù)報(bào)以及實(shí)時(shí)降雨和水位變化,做好趨勢(shì)預(yù)報(bào),同時(shí)關(guān)注雨量和水位預(yù)警指標(biāo)。

        2.3.1 角木塘壩址預(yù)報(bào)方案

        (1)常規(guī)方案

        魚塘電站出庫(kù)至角木塘電站區(qū)間有較大支流梅江匯入,角木塘電站入庫(kù)洪水由兩部分組成:魚塘電站出庫(kù)流量,區(qū)間流量(含梅江流域)。

        角木塘水電站壩址流量預(yù)報(bào)方案:由魚塘出庫(kù)和五家院子流量經(jīng)河系預(yù)報(bào)演算至角木塘壩址,同時(shí)疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量。

        Qt+τ=f(Q五家院子t,Q魚塘t,P區(qū)t)

        式中:Q——預(yù)報(bào)流量;

        f——預(yù)報(bào)函數(shù);

        t——時(shí)間;

        τ——相應(yīng)的預(yù)見期,

        P區(qū)——區(qū)間降雨徑流量。下標(biāo)漢字為相應(yīng)的斷面名稱。

        角木塘電站預(yù)見期較短,由于上游魚塘水電站出庫(kù)流量已經(jīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在預(yù)報(bào)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注梅江流域預(yù)報(bào),本次施工期將采用API模型進(jìn)行降雨徑流預(yù)報(bào)。

        (2)預(yù)警指標(biāo)

        對(duì)于角木塘電站常規(guī)預(yù)報(bào)來說,區(qū)間產(chǎn)匯流時(shí)間較短,為盡可能地提高預(yù)見期和大洪水反應(yīng)時(shí)間,在施工期預(yù)報(bào)方案編制時(shí)可探索引入水位和雨量預(yù)警指標(biāo),為施工期服務(wù)。

        ①魚塘出庫(kù)水文站預(yù)警指標(biāo)

        在《角木塘水電站可行性研究報(bào)告》提供的角木塘電站圍堰設(shè)計(jì)洪水流量的基礎(chǔ)上,確定魚塘出庫(kù)站實(shí)時(shí)水位或者流量預(yù)警指標(biāo),當(dāng)達(dá)到預(yù)警指標(biāo)后,立即向相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員發(fā)送預(yù)警短信。

        S預(yù)=f(Q角設(shè),Q魚,P區(qū))

        式中:S預(yù)——預(yù)警短信發(fā)送條件指標(biāo);

        f——發(fā)送條件判斷函數(shù);

        Q角設(shè)——壩址圍堰設(shè)計(jì)洪水流量;

        Q魚——魚塘出庫(kù)水文站實(shí)時(shí)流量(也可用水位代替);

        P區(qū)——區(qū)間面平均降雨。

        預(yù)警指標(biāo)根據(jù)輸入條件的大小分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩種,在預(yù)報(bào)方案編制過程中完善。

        ②導(dǎo)流洞水位預(yù)警指標(biāo)

        由于本次方案在電站導(dǎo)流洞進(jìn)口處設(shè)立了遙測(cè)水位站,根據(jù)導(dǎo)流洞進(jìn)口水位建立預(yù)警指標(biāo),作為第一種預(yù)警指標(biāo)的補(bǔ)充,在實(shí)際施工過程中觀測(cè)和完善。

        S預(yù)=f(Z導(dǎo))

        式中:S預(yù)——預(yù)警短信發(fā)送條件指標(biāo);

        Z導(dǎo)——導(dǎo)流洞實(shí)時(shí)水位;

        f——發(fā)送條件判斷函數(shù)。

        應(yīng)實(shí)時(shí)判斷水位上漲趨勢(shì),將指標(biāo)分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩種,實(shí)際過程中結(jié)合天氣預(yù)報(bào)以及上游來水不斷完善。

        2.3.2 浩口壩址預(yù)報(bào)方案

        浩口壩址流量采用河系預(yù)報(bào)結(jié)合流域預(yù)報(bào)為主。

        (1)采用五家院子和魚塘出庫(kù)流量通過時(shí)變線性匯流模型演算至浩口壩址,同時(shí)疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量。

        Qt+τ=f(Q五家院子t,Q魚塘t,P區(qū)t)

        式中:Q——預(yù)報(bào)流量;

        f——預(yù)報(bào)函數(shù);

        t——時(shí)間;

        τ——相應(yīng)的預(yù)見期;

        P——區(qū)間降雨。下標(biāo)漢字為相應(yīng)的斷面名稱。

        (2)采用魚塘實(shí)測(cè)出庫(kù)流量和五家院子流量經(jīng)河系預(yù)報(bào)或線性演算至角木塘壩址,同時(shí)疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量,得出角木塘預(yù)報(bào)流量,然后采用預(yù)報(bào)流量通過河道演算并疊加區(qū)間降雨徑流預(yù)報(bào)流量得出。

        Qt+τ=f(Q角木塘t,P區(qū)t)

        式中:Q——預(yù)報(bào)流量;

        f——預(yù)報(bào)函數(shù);

        t——時(shí)間;

        τ——相應(yīng)的預(yù)見期;

        P——區(qū)間降雨。下標(biāo)漢字為相應(yīng)的斷面名稱。

        枯期預(yù)報(bào)區(qū)間采用退水曲線法,上游仍然關(guān)注魚塘電站的發(fā)電計(jì)劃和出庫(kù)水文站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

        3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

        芙蓉江流域浩口、角木塘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)共設(shè)立了1個(gè)中心站,10個(gè)遙測(cè)站,其中水文站2個(gè),水位站1個(gè),水位雨量站2個(gè),雨量站5個(gè)。2016年3月,增設(shè)魚塘出庫(kù)水位站1座。施工期間,浩口導(dǎo)流洞水位站于2016年3月12日05時(shí)06分損壞,于4月25日由導(dǎo)流洞進(jìn)水口撤至導(dǎo)流洞壩體測(cè)量高水位,中心站設(shè)備、各遙測(cè)站設(shè)備運(yùn)行良好,均無故障記錄。

        2015年遙測(cè)站布設(shè)運(yùn)行以來,所有水情信息均為自動(dòng)采集,自動(dòng)傳輸,自動(dòng)生成報(bào)文,專業(yè)人員復(fù)核發(fā)送,保障了報(bào)汛的時(shí)效性和準(zhǔn)確性,共向施工各部門負(fù)責(zé)人發(fā)報(bào)365×4×(發(fā)送人數(shù)52人)份。正常水情時(shí),每日02∶00、08∶00、14∶00、20∶00時(shí)發(fā)送當(dāng)前水情信息,出現(xiàn)異常水情時(shí),均第一時(shí)間向相關(guān)負(fù)責(zé)人匯報(bào)水情信息,報(bào)訊時(shí)效性達(dá)100%,內(nèi)容準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。

        值班人員在每次水情信息報(bào)送后都建立審核制度,形成文檔。所有水情信息都建立了數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存,數(shù)據(jù)庫(kù)中包括了實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史水情數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)。水情數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)錄入每次都執(zhí)行初校、復(fù)校等制度,所有水情信息均永久保存,并實(shí)行異地存放。

        項(xiàng)目施工期間,值班人員嚴(yán)格執(zhí)行防汛紀(jì)律,掌握崗位相關(guān)技術(shù)規(guī)定和要求,熟悉水文預(yù)報(bào)理論與方法,堅(jiān)持24h值班制。采用短信傳送方式第一時(shí)間將水情變化信息匯報(bào)給項(xiàng)目負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo),發(fā)生較大水情時(shí),及時(shí)地以電話方式匯報(bào),為施工部門防汛提供了科學(xué)依據(jù),有效地保護(hù)了人身財(cái)產(chǎn)安全,減輕了洪水災(zāi)害損失。

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