許弟兵 楊軍 鄧頌霖

摘要：卡洛特水電站施工期水文工作包括水文監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃、設計和建設，水文泥沙觀測，水文氣象保障服務。電站壩址以上流域年內有雙雨季，徑流及洪水組成復雜;山區(qū)性河流產(chǎn)匯流快，預見期短，施工期河道水文條件多變;可供利用的歷史資料有限，近一半?yún)^(qū)域無資料可用;且地理位置特殊，施工安全風險巨大。水文工作實踐中，針對綜合復雜的現(xiàn)實條件，靈活選擇技術方案，妥善運用管理手段，有效應對了資料收集、方案編制、作業(yè)實施中的特殊困難，滿足了施工期技術服務及設計復核對水文工作的要求。該電站的水文工作經(jīng)驗，可供該流域其他梯級電站及條件相似地區(qū)的工程水文工作參考。

關鍵詞：水文監(jiān)測;施工期;監(jiān)測站網(wǎng);泥沙觀測;氣象保障;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：P332 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.002

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(jīng)濟走廊”優(yōu)先實施能源合作項目。電站壩址位于印度河一級支流吉拉姆河上，壩址以上流域面積26 700 km2，裝機容量720 MW（4×180MW），設計年發(fā)電量32.1億kW·h。在卡洛特水電站施工期防洪度汛重點防護對象防洪設計標準中，導流洞進出口圍堰為5 a一遇（4 660 m3/s），大壩上下游圍堰、廠房圍堰和溢洪道上下游圍堰為10 a一遇（6 740 m3/s）。流域多為高山峽谷，為典型的山區(qū)性河流，徑流以融雪水和季節(jié)性降雨補給為主。流域全年降雨比較集中，干濕季節(jié)明顯，呈雙雨季特征。壩址處多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3?？色@取歷史資料并規(guī)劃建設水文測站的流域面積僅13 200 km2，加之境內安全環(huán)境、河道條件相對較差，施工期水文工作面臨諸多問題。通過科學布設站網(wǎng)、建設可靠自動測報系統(tǒng)、充分利用預報技術與資源，開展有針對性的管理與服務，以滿足工程水文氣象保障工作需求。

1 水文工作總體布局

1.1 水文工作主要內容

卡洛特水電站施工期水文工作主要包括：工區(qū)及壩址以上流域水文監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃、設計和建設;水文監(jiān)測站網(wǎng)觀測、工程河段及壩上（庫區(qū)）河道觀測和河床組成調查等水文泥沙觀測，為電站建設提供實時水文氣象信息，為設計復核及電站運行積累基礎資料;現(xiàn)場水文預報，為工程施工提供水文氣象保障服務。

1.2 水文工作原則

水文監(jiān)測站網(wǎng)布設及建設，采用系統(tǒng)工程的設計理念，充分考慮卡洛特水電站工區(qū)及壩址以上流域的自然地理和洪水特性，結合巴基斯坦經(jīng)濟社會條件，充分利用可研階段的工作成果，科學規(guī)劃，合理布局，因地制宜，經(jīng)濟實用[1-2]。在滿足水電站施工期防洪要求的同時，兼顧建成后的運行需要，避免重復建設[3-4]。測站站址選擇，除滿足工作需要外，還需兼顧交通、生活和管理。水雨情自動測報系統(tǒng)及預報系統(tǒng)設計與建設中，各種構件優(yōu)選符合標準的型材和通用件，以利于施工的質量控制和系統(tǒng)運行的維護管理;系統(tǒng)的開發(fā)具有兼容性、開放性和可擴展性。

水文工作以中國技術標準為依據(jù)。水文泥沙觀測著眼施工期需要，重點保障水文預報需求，兼顧運行期資料需求。水文氣象保障以滿足工程建設短期預報需要為主，在技術條件允許時兼顧工程特定階段的中長期預報需求，重點關注施工各階段、工程各部位防洪度汛標準對應的水雨情變化。

2 主要工作實踐

2.1 站網(wǎng)規(guī)劃與建設

著眼于施工期水文工作需要布設站網(wǎng)，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?，F(xiàn)場查勘并與業(yè)主溝通后，對站網(wǎng)規(guī)劃方案進行了兩次優(yōu)化調整，論證并確定最終方案。整個站網(wǎng)包括中心站及14個水文（位）站（其中新建2個水文站、4個壩區(qū)水位站，在巴方水文測站基礎上改建8個水位站）、20個雨量站，雨量站站網(wǎng)密度約為480 km2/站，站網(wǎng)布置見圖1。主要建設內容包括查勘選址、方案設計、征（租）地、設施建設、設備安裝調試、軟件系統(tǒng)開發(fā)等。

在站網(wǎng)規(guī)劃的基礎上，確定了幾個關鍵站進行重點保障：①根據(jù)水系分布特征及洪水傳播特性，確定卡拉斯站為上游關鍵節(jié)點站，對該站進行水位觀測儀器雙備份，流量實行駐巡結合，確保準確掌握上游來水量;②確定卡洛特站作為壩址流量依據(jù)站，建設水文纜道，采用駐測的方式，保障其測驗能力;③庫尾帕坦附近河段測驗條件相對較好，在該處設立的巡測斷面加強流量測驗，其成果可與卡洛特站流量作測驗精度相互驗證;④吉拉姆河干流的恰可迪站為可設站區(qū)域邊緣的控制站，穆扎為主要支流尼拉姆河控制站，塔哈塔為支流昆哈河控制站，宜伺機巡測，校準水位流量關系，支撐水文預報。

2.2 信息傳輸

由于規(guī)劃流域內部分測站（如雨量站1、雨量站2、雨量站6、雨量站8、巴拉水文站等）根本無PSTN或移動通訊信號，流域自動測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息僅能選用北斗衛(wèi)星單信道。為使數(shù)據(jù)可靠存儲，并滿足異地協(xié)同作業(yè)需求，除現(xiàn)場中心站自動收集遙測站網(wǎng)傳來的信息外，同時，北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心經(jīng)因特網(wǎng)網(wǎng)絡每5 min推送一次數(shù)據(jù)并備份，建立前后方VPN共享通道。只要遙測站正常，當現(xiàn)場水情中心站接受數(shù)據(jù)異常時，通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)推送也可保證數(shù)據(jù)及時入庫。信息傳輸總體構架見圖2。

2016年10月至今，測報系統(tǒng)運行正常，月平均通暢率均達95%以上，滿足SL 61-2015《水文自動測報系統(tǒng)技術規(guī)范》要求。為了確保工程度汛安全，還建立并實施了現(xiàn)場預報人員和后方技術支撐團隊會商機制，有效應對特殊水雨情。

2.3 歷史資料的收集與運用

吉拉姆河流域水文資料由巴基斯坦水電發(fā)展署（WAPDA）負責收集管理，流域干流設有帕坦、多邁爾、穆扎等站。水文要素以人工觀測為主，且大部分測站僅在每日09：00～16：00實施逐時觀測，其他時段無資料。水位基面系不固定的測站基面，年際間水位起算點不完全一致;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，絕大部分站主要依托斷面附近橋梁渡河開展流量測驗，僅極少數(shù)站有水文纜道專用渡河設施和動力設施。

WAPDA發(fā)布的數(shù)據(jù)基本以日資料為主，難以全面掌握河流水文特性，編制水文預報方案可利用的資料有限，需采用日均值與瞬時值的轉換技術，并輔以實測資料驗證。水文工作團隊在了解歷史資料基本情況后，結合預報分區(qū)，選擇部分測站大洪水、豐、平、枯及年內分布有代表性的部分年份的資料，在三性分析[5]基礎上，率定預報模型，研制預報方案。在運用過程中，及時分析2016年以來收集的站網(wǎng)實測資料，優(yōu)化預報模型。歷史資料分析所得結論也作為編制水文測站觀測方案的重要依據(jù)。

2.4 洪水特性分析

根據(jù)歷史資料分析，1976年、1992年、1995～1997年、2010年和2014年為大水年，其中1992年洪水為歷年最大洪水，帕坦站日平均流量達10 900 m3/s。為分析歷史大洪水徑流組成，選擇“1992·9”大洪水為典型進行洪水組成分析，卡洛特壩址洪水主要由全流域強降雨或局部暴雨形成，干流多邁爾站和支流尼拉姆河穆扎站1 d、2 d和7 d洪量都超過帕坦站對應洪量的30%以上，支流昆哈河占比10.5%，上述測站至卡洛特壩址區(qū)間占近20%，洪水組成見表1。由于施工期防洪標準僅5 a或10 a一遇，若多邁爾或穆扎以上任一區(qū)域發(fā)生類似量級洪水，都將威脅施工安全。

施工期內更多地關注現(xiàn)時洪水情況，特別是與設計防洪標準對應量級的洪水，更是施工防洪度汛決策關注的焦點，其中壩址附近區(qū)間來水威脅最大。譬如在應對2017年4月6日、2018年8月7日洪水時，分析發(fā)現(xiàn)帕坦至卡洛特區(qū)間暴雨洪水占比較大，因局部小區(qū)間降雨預報困難、匯流時間短，對電站施工安全度汛影響更大，是水文工作重點關注的對象。圖3為2018年8月7日洪水過程。

2.5 水文預報

根據(jù)卡洛特水電站施工保障需求，結合壩址以上流域的自然地理特征、降雨及洪水特性，確定預報對象為各種預見期（3 h、6 h、12 h）內的壩址流量和施工期不同階段壩區(qū)各組水尺相應預見期的水位，據(jù)此將壩址以上流域劃分8個降雨徑流計算分區(qū)（見圖4）。預報方案充分考慮現(xiàn)有水文資料條件，選用簡便、實用、可靠的產(chǎn)匯流模型。流域產(chǎn)匯流模型分別選用API模型、新安江模型、經(jīng)驗單位線;河道匯流選用馬斯京根法，壩區(qū)水位預報采用相關圖和水位系數(shù)法[6]。對部分沒有布設水文站網(wǎng)的區(qū)域，采用相似流域水文比擬法[7-8]進行預測預報，并根據(jù)已建測站實測資料，不斷進行預報方案修正和完善。水情預報實際運用效果較好。

為了提高預報智能化程度和時效性，設計了卡洛特水電站洪水預報系統(tǒng)。洪水預報系統(tǒng)總體上由數(shù)據(jù)支撐層、系統(tǒng)應用層和人機交互層構成[9-10]。預報系統(tǒng)做到了實用、可靠、標準化，體現(xiàn)用戶特點，滿足用戶要求;同時，在系統(tǒng)結構設計、功能開發(fā)和軟件編程等方面均實現(xiàn)標準化和通用化，充分考慮流域梯級電站開發(fā)的需要，具有較強的擴展性[11-12]。

2.6 水文泥沙觀測

所有水文要素從觀測至整編均采用中國標準，并考慮工程移交后巴基斯坦相關部門的實際需要，并預留相關接口。為了適應吉拉姆河陡漲陡落、流速大等水文特性，設計了簡易纜道牽引加強型三體船載ADCP和配置測流機器人等新設備和新技術（見圖5）。水文纜道剛建成，就搶測到了建站以來最大流量，使實測水位流量關系得到可靠延展。上游關鍵測站及河流節(jié)點站也開展了流量巡測，校準了部分水位流量關系，有效提高了預報精度。卡洛特站建成即開展懸移質泥沙觀測，為將來運行期的水庫排沙調度積累基礎資料。

針對施工期壩址河段斷面多變的實際情況，及時開展導流洞進出口、上下流圍堰附近等控制斷面測量及水位觀測，以卡洛特站流量為基準，實時修正工區(qū)河段重點部位的水位流量關系，保證水位預報精度及代表性。河道斷面及地形測量中，陸上斷面地形測量主要采用單基站GNSS RTK法施測，對于光禿的懸崖峭壁、淤泥灘地、陡巖等一般采用免棱鏡全站儀施測。水下地形測量平面位置采用GNSS RTK實時差分測定，水深采用HY1601單頻數(shù)字測深儀施測。固定斷面測量采用了GNSS RTK水位控制測量方法，逐個接測水位。成果精度均滿足規(guī)范規(guī)定。

懸移質及推移質泥沙均為入庫泥沙的重要組成部分。為了解入庫泥沙特性，除在水文站開展懸移質泥沙測驗外，還進行了庫區(qū)河段河床組成調查工作。調查范圍涵蓋吉拉姆河干流40 km及主要支流口門，主要采用坑測、散點床沙取樣，分析級配，判別巖性，結合洲灘調查，分析床沙垂向分布特點及沿程變化。調查表明：卡洛特水庫泥沙主要來源于上游干流，推移質以沙推移質為主，卵石推移質量少，庫區(qū)河段輸沙能力極強。

3 管理實踐

卡洛特項目中，水文、安全監(jiān)測和物探檢測以“三專項”聯(lián)合體對水電站施工期相關工作進行保障服務，作用相近，優(yōu)勢互補，是類似項目管理的一次創(chuàng)新嘗試。水文專項涉及水文測驗、河道勘測、自動化、網(wǎng)絡信息和水情預報等專業(yè)，集規(guī)劃、設計、建設、測繪、勘察、測站運行管理、水文情報預報工作于一體。按有序實施、重點突出的原則，水文專項提出的管理思路為：水文測驗為基礎，水文預報為重點，充分發(fā)揮測驗對預報的支撐作用和預報對測驗的指導作用;統(tǒng)籌考慮河道地形斷面測量、河床組成調查等工作，在保證安全前提下，按電站施工需要保證工作質量、成果質量、服務質量。

3.1 安全管理

3.1.1 度汛安全

為水電站施工度汛安全提供專業(yè)支撐是水文工作的第一要務。根據(jù)電站每年防洪度汛要求，水文工作團隊及時制定預案，從預報方案、測站駐巡監(jiān)測、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡保障、水情信息發(fā)布等方面細化處置預案并進行演練。基于流域洪水預報預見期短的實際情況，實施24 h水文氣象值班，特殊水雨情及關鍵時刻開展?jié)L動預報，按需啟動前后方會商和專家技術支撐保障。積極參與業(yè)主防汛決策會商，發(fā)揮技術支撐作用，確保度汛安全。不定期對信息發(fā)布接收方進行回訪，保證信息發(fā)布渠道暢通。當遇超標洪水時，根據(jù)預報預警發(fā)布流程及時采用中、英、烏爾都語通知相關單位和部門。

3.1.2 高風險地區(qū)作業(yè)安全

水文工作作業(yè)范圍涉及整個流域，工作點多面廣。為實現(xiàn)安全優(yōu)質高效管理，加強安全學習教育，現(xiàn)場嚴格遵循業(yè)主安全管理規(guī)章，出行安排向導并指定安全責任人。聘請熟悉當?shù)孛袼住⑿叛龅壬鐣攸c和環(huán)境的巴方員工，并對其開展技能培訓工作，作為水文專業(yè)團隊的必要補充，增加了工作靈活性，解決了一些中方人員無法解決的難題。

3.2 質量管理

3.2.1 ISO質量管理

按照業(yè)主和水文部門內部ISO9001：2015管理，識別并控制各產(chǎn)品生產(chǎn)過程和相關管理過程[13]。水文工作從人力資源、內部審核、管理評審、糾正措施、風險管控等方面進行具體的規(guī)定。水文泥沙測驗都按照由業(yè)主相關部門審批的任務書進行，水文預報基于預報方案，實行作業(yè)預報會商及發(fā)布審批制度，嚴格管控質量。水文預報產(chǎn)品控制流程見圖6。

3.2.2 業(yè)主工程師管理

水文工作嚴格遵循業(yè)主工程師管理，按照中國標準，積極配合業(yè)主工程師進行現(xiàn)場檢查驗收，對重點設計方案或預案及時報送業(yè)主工程師審批，響應各項技術要求和檢查。

3.2.3 水文工作成果質量

水文泥沙觀測成果，按日清月結要求管控，并按《水文測驗成果質量評定辦法》，以優(yōu)等目標進行控制，各年度均實現(xiàn)質量目標。水文預報方面，除做好日常例行預報外，及時響應特殊需求，并密切關注與施工關鍵度汛決策相關的重大水文氣象變化。譬如在2017年4月6日和2018年8月7日洪水期間，在大壩截流期工作中，與總承包方高級顧問、技術部及后方團隊協(xié)同會商，保障了正確決策。表2為2018年雨季3～9月6 h預報精度成果統(tǒng)計。

3.3 管理難點應對

（1）水文測驗方面。測驗采用駐巡結合方式進行，但因點多面廣，并存在眾多自然和社會因素限制，在遇測站故障或水位快速上漲時，出行時效性不強。為了克服上述問題，以水文氣象預報信息為指導，提前多天審批出行;另外，強化巴方員工技能培訓，應對社會因素限制。

（2）氣象預報方面。水文與氣象相結合是延長預見期的基本途徑。但由于吉拉姆河流域面積較小和缺乏流域內氣象資料，該國氣象預報無法滿足水文預報需要。為實現(xiàn)水文與氣象相結合延長預見期目的，滿足工區(qū)施工對氣象的要求，尋求當?shù)貧庀缶种С?，運用當?shù)貎?yōu)勢資源實現(xiàn)本地化服務。

（3）水庫水情信息共享方面。壩址以上建有尼拉姆吉拉姆、帕春等水電站，其水庫調度直接影響卡洛特水文情勢。由于上游水電站隸屬不同管理部門，水情信息溝通較為困難。目前正在與相關水電站溝通，并尋求WAPDA的協(xié)調支持，推動信息共享。

4 探 討

通過卡洛特水文工作近4 a實踐，提出以下幾個值得思考的問題，以利持續(xù)改進。

（1）吉拉姆河流域為典型的山區(qū)性河流，當前水文測驗手段在應對漲率快、漲幅和流速大的水情時還略顯吃力，在電站運行階段，需加強自動化、智能化方面新技術、新方法的研究[14-15]，提高測驗效率，將專業(yè)人員從復雜環(huán)境中解放出來。

（2）卡洛特站位于壩址下游約2 km，水電工程施工對河床的擾動在所難免，易發(fā)生局部產(chǎn)沙，影響泥沙測驗成果的代表性，在后期施工干擾變小后，宜加強泥沙測驗，適當增加測次，控制泥沙變化過程。

（3）卡洛特上游仍有13 500 km2無資料地區(qū)，可根據(jù)衛(wèi)星在此區(qū)域的覆蓋情況，開展定量遙感測雨研究[16]，有望延長遇見期。另外，小流域強降雨洪水預報是難點，若有條件可與本地水文氣象部門合作研究，提高預報精度。

（4）卡洛特水文預報方案主要依據(jù)歷史資料編制，以滿足建設期預報需要為主要考慮。在運行初期，宜根據(jù)建設期收集的實測資料開展優(yōu)化分析，進行方案修編，提高預報系統(tǒng)精度。

（5）對綜合性的水文工作，應統(tǒng)籌協(xié)調好水文預報、測驗和其他工作之間的相互關系。面對外部自然和社會因素對技術工作的影響和制約，水文工作應根據(jù)建設需要和實際可能，充分整合技術與管理，多種方案耦合分析，探索用技術解決管理難題，用管理解決技術難題，因地制宜地采取可操作措施。

（6）質量是企業(yè)的生命，職工生命是安全的核心。在海外高風險環(huán)境下開展水文工作，應在安全與質量間作權衡，根據(jù)需要和可能，建立有效的內部管理和外部管控，實現(xiàn)質量和安全控制的可操作性。如何有效預防安全及質量風險值得深入研究。

（7）隨著“一帶一路”倡議向縱深推進，為進一步適應國際化管理，推進技術交流，輸出新方法及水文觀測儀器，需加強水文技術標準的英文翻譯、審批、發(fā)布工作，推進標準國際化。

5 結 語

卡洛特水電站作為“一帶一路”重點建設項目和樣板示范工程，對水文工作要求較高。此外，水文氣象歷史資料可用性差、社會限制因素多等情況加大了現(xiàn)場工作難度。通過采用新技術新方法，充分利用當?shù)貎?yōu)勢資源、強化當?shù)貑T工培訓，實施技術與管理耦合措施，有效保障了施工期水文工作實施，為卡洛特水電站施工期安全度汛提供了強有力的技術支持。隨著國家“走出去”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的實施，中國企業(yè)走出國門，承攬的國外水電站建設項目也越來越多，卡洛特水電站施工期水文工作實踐可為該流域其他梯級電站和條件相似地區(qū)的工程水文提供示范經(jīng)驗和參考。

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（編輯：李曉濛）

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