水庫泄洪放水影響調查評價及預警系統建設
發布時間：2021-08-31 閱讀量：4849
何秉順1,2 嚴建華3 陳曉龍4
（1 中國水利水電科學研究院 北京100038 ；2 水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心 北京 100038； 3 北京國信華源科技有限公司 北京 100053；4 北京恒華科技有限公司 北京 100011 )
摘要：我國在水庫泄洪（放水）預警法規、制度、規范以及系統建設方面基本是一片空白，每年因水庫泄洪向下游預警不及時或沒有預警而造成的河道內外人員財產損失頻頻發生。本文首先介紹了國內、國際水庫泄洪（放水）預警系統建設的情況，針對我國以山區小型水庫為主、下游基礎地理資料收集困難、水庫多種管理體制并存、部分水庫管理能力薄弱或無人值守等實際，提出了泄洪（放水）影響調查評價及預警系統建設建議，具體為“飛、測、切、算、展、布、檢、宣”八字方案，此方案具有“技術成套、低價高效、全面覆蓋、人機互補、宣預結合”的特點，可滿足有人值守或無人值守的水庫泄洪（放水及時向河道內及河道外可能受淹區域及時發布預警信息、傳遞信息到戶到人的需求。
關鍵詞：水庫，泄洪，河道，調查，評價，預警，系統
1 前言
水庫安全事關人民群眾生命財產安全和社會穩定，事關當地經濟社會發展?，F階段的水庫大壩安全管理只是針對水庫大壩本身的安全進行管理，并未涉及到大壩放水、泄洪時對下游的調查評估、提前預警等工作。我國在水庫泄洪（放水）預警法規、制度、規范以及系統建設方面基本是一片空白，而每年因水庫泄洪向下游預警不及時或沒有預警而造成的洪水上岸或河道內休閑、游泳人員死傷頻頻發生。本文分析了我國水庫泄洪（放水）的特點，提出了適合我國實際情況的泄洪（放水）影響調查評價及預警系統建設“飛、測、切、算、展、布、檢、宣”八字方案，此方案能夠滿足有人值守或無人值守的水庫泄洪（放水）時及時向河道內及河道外可能受淹區域及時發布預警信息、傳遞信息到戶到人的需求。
2 國內外水庫泄洪（放水）預警情況
2.1 國內
我國在水庫泄洪（放水）預警法規、制度、規范以及系統建設方面基本是一片空白，《防洪法》、《水庫大壩安全管理條例》等法律法規，都沒有提到水庫、水電站在非汛期、汛期時放水是否要對下游可能的影響區域預警[1]。部分地區已經逐步出臺政策，建立水庫泄洪（放水）上下游聯動機制，及時將預警信號傳遞至下游受影響區域。如貴州省防汛指揮部印發了《貴州省大型水庫（水電站）泄洪預警管理暫行辦法》[2]，《浙江省防汛抗旱應急預案》[3]提出，當水庫大流量泄洪時，水庫工程管理單位應向下游發出預警，浙江省已有部分水庫正著手編制水庫泄洪上下游聯動應急響應預案。
臺灣地區共有39座水庫，每座水庫都配備了相應的預警廣播系統，泄洪預警可通過防汛指揮平臺發布，水庫放水影響區域精確到鄉。臺灣新北市翡翠水庫無線電泄洪泄洪廣播系統沿翡翠水庫流域布設20多公里，共有3個主站，28個報警站[4]。
2.2 國際
2.2.1 美國
幾乎美國所有的州都已立法，要求水庫泄洪時對下游進行預警。美國墾務局下屬的戴維斯水壩和帕克水壩，其發布的計劃表包括未來三天的放水計劃，放水時間精確到每小時，放水量精確到立方尺/每秒。即使泄洪不按計劃進行，還有泄洪預警系統來疏散危險區域人群，美國田納西流域管理局旗下31個水電站在其危險部位都安裝有泄洪預警系統全部設有警示牌，預警系統包括：警報器、頻閃燈、警示牌、以及帶有頻閃燈與警示牌的電子泄洪屏[1]。
2.2.2 澳大利亞
澳大利亞部分水庫借助于早已普及的現代通信技術，向受影響公眾推送水庫放水信息，方式有電話、短信、電子郵件，可以隨時增刪。當地居民或游客只需在其官網上注冊賬號，選擇全部或者特定幾座水庫，就可以收到閘門大壩每小時放水量以及停止放水的時間等信息，或者是無閘門水庫每小時溢出流量的提醒消息。當下游水位太高可能出現危險時，這項服務會特別提醒注意安全。注冊用戶還可以更改提醒發送的頻率，例如只在放水量發生重大變化時進行提醒[1]。
2.2.3 日本
日本高度重視水庫泄洪（放水）預警，國土交通省出臺了《水庫放水預警指南》[5]，作為強制標準，已經實現了所有的水庫都開展泄洪影響調查評價并安裝以預警廣播為主的預警系統，并按照計劃進行檢測。
3 水庫泄洪（放水）影響調查評價與預警系統建設方案
3.1 水庫泄洪（放水）基本情況
根據第一次水利普查以及實地調查成果，我國水庫泄洪（放水）基本情況如下：
（1）大中小型水庫（水電站）共存，以小型水庫（水電站）為主，多種管理體制并存。根據第一次水利普查的成果，據第一次全國水利普查，全國共有小2型以上水庫98002座，其中大1型水庫127座，大2型水庫629座，中型水庫3938座，小1型水庫17949座，小2型水庫75359座，為世界之最。小型水庫（水電站）占絕大多數。
（2）各水庫管理單位包括省級水利部門、地市水利部門、縣級水利部門、中央企業、地方民營企業等，多種類型的管理機構并存。
（3）水庫有計劃和隨機性放水共存、有閘門和無閘門水庫并存。水庫（水電站）放水主要有以下三種情況，一是水庫調節性放水，二是水庫發電，根據用電量的情況調整放水流量，三是緊急情況下泄洪。對于第一種情況，多有計劃性，第二和第三種情況則相對隨機。此外，相當一部分水庫沒有閘門，采用自由溢流的方式泄洪。
（4）水庫下游下游河道地理測繪資料收集困難。為了確定不同下泄流量而對應的淹沒范圍，首先要收集水庫下游河道地理測繪資料，而水庫在設計階段一般僅留存壩址上游有關測繪資料，再加上水庫管理機構復雜，給資料收集工作帶來很大困難。
（5）部分水庫管理能力薄弱。一些水庫在責任制落實、汛前準備、等方面還存在一些突出問題，甚至于出現無人值守、脫崗脫位的現象。
3.2 方案目標
全面查清水庫泄洪（放水）影響范圍，建立水庫泄流量與下游河段水位、淹沒范圍的對應關系。確定水庫泄洪（放水）預警指標和預警范圍，建設覆蓋河道親水空間及沿河村落的預警系統，最大限度減少因水庫泄洪（放水）而帶來的人員和財產損失。
3.3 調查評價與預警系統建設
3.3.1 工作流程
根據我國以山區小型水庫為主、下游基礎地理資料收集困難、水庫多種管理體制并存、部分水庫管理能力薄弱或無人值守等實際情況，提出了水庫泄洪（放水）影響調查評價與預警系統建設的工作流程，具體為 “測、算、展、布、檢、建、驗、宣”八字：
（1）測。采用無人機攜帶CCD照相機、激光雷達沿水庫下游河道進行飛行，采用激光雷達測量河道地形及沿河村落宅基地高程。對激光點云進行處理，按照100米的間距剖切河道橫斷面，識別沿河村落宅基地高程。
（2）算。采用水力學方法進行輸入泄洪量的河道水面線、洪水演進時間等要素計算。
（3）展。生成正射影像和三維模型數據，逼真展現水庫下游河道形態與沿河村落分布情況。
（4）布。以影像圖和三維模型數據為基礎，結合實際預警對象數量配置以預警廣播、頻閃燈、顯示屏為主的預警設備，形成預警范圍及預警設備分布圖。
（5）檢。根據預警范圍及預警設備分布圖開展音達試驗，檢驗預警音頻覆蓋度，以確保水庫最大泄量對應的淹沒區都可聽到預警音頻信號。根據檢測結果修正預警設備布設站址。
（6）建。根據修正后的預警范圍及預警設備分布圖進行預警系統建設。
（7）驗。根據調查評價確定的預警指標對預警系統進行放水預警驗證。
（8）宣。結合預警設備安裝布設，同步配備水庫泄洪（放水）宣傳欄，告知涉水群眾防范常識。圖1為根據日本四國地區整備局水庫放水宣教材料樣式制作的警示牌示例[5]。
圖1 水庫泄洪（放水）警示牌示例
3.3.2 預警指標
水庫泄洪（放水）致災主要分為常規放水和緊急泄洪兩種情形。結合現有防汛預警指標及水庫放水（泄洪）特點制定Level-1、Level0、Level1、Level2四級預警指標。
（1）Level-1 提前預警信號
預警范圍：河道范圍內水位陡漲部位。
信號說明：水庫放水前1-2個小時，提示河道及下游可能影響的區域即將放水。
適用條件：此級別僅適合于有人值守、具有人工發布預警條件的水庫。
（2）Level0常規放水預警信號
預警范圍：河道范圍內水位陡漲部位。
信號說明：水庫開始放水或水流量突然增大時需要對河道內進行游泳、釣魚、運動以及要進入河流內的人群發出安全提示警告。
注意事項：由于Level0信號發布的頻率較高，應采用功率適中、不擾民的預警方式告警。Level0預警設備一般布設在沿河兩岸親水空間等地點，目的是提醒河道中和沿岸人群遠離河道。
（3）Level1準備轉移預警信號
預警范圍：對應的預警范圍為沿河村落。
信號說明：水庫泄洪量較大，即將達到下游成災水位。一般是指洪水到達致災水位前30分鐘的水位線，因資料不足或其它原因無法精準預判時間的情況下，可將致災水位線以下1m作為準備轉移水位線。結合調查評價成果綜合運用洪峰演進理論、一維水動力學逆推下游準備轉移水位所對應的上游采集站點水位。發布Level1預警表示險情可能發生，應提醒危險區人員做好轉移準備。
注意事項：應采用大功率預警廣播發布準備轉移通知，確保最大泄量對應的淹沒區都可聽到預警音頻信號。
（4）Level2立即轉移預警信號
預警范圍：沿河村落。
信號說明：一般以下游村落河堤高度或村落地勢最低的住宅地腳線所對應的水位（成災水位）作為預警指標基準。結合調查評價成果綜合運用洪峰演進理論、一維水動力學逆推下游成災水位所對應的上游采集站點水位。發布Level2預警表示情況緊急，需要立即轉移。
注意事項：應采用大功率預警廣播發布緊急轉移通知，確保最大泄量對應的淹沒區都可聽到預警音頻信號。
3.3.3 預警區間
僅對水庫放水（泄洪）對下游河道水位升高占主導因素的河段進行預警。
預警區間起點：水庫溢洪道出口下游河段
預警區間終點：以不受泄洪影響或者影響很小的區域為終點。一般具備以下特征：（1）主干河流或支干河流的匯流點或分流點；（2）下游水庫尾水區；（3）河流橫截面突然變寬的地點。
3.3.4 預警設備
水庫預警系統主要由水位監測站、預警主控機、電子警示牌、預警廣播、移動預警車等部分組成。
（1）水位監測站
在溢洪道出口附近安裝水位監測站實時監測水位變化，水位監測設備采用電子水尺傳感器采集水位。電子水尺具有實時采集水位數據功能的高精度設備，其單支量程為1m，需要高量程時一般選擇多支級聯來擴展量程。
（2）預警主控機
對于有人值守的水庫應安裝預警主控機，水庫管理員根據水庫放水計劃對下游發布預警。水庫管理員可根據放水計劃規定的流量提前1-2小時發布對應的預警級別。
（3）電子警示牌
電子警示牌是針對Level0預警點安裝的中等功率預警設備。主要以文字顯示、警燈閃爍、小功率預警音廣播的方式向在河道中和沿河游玩、洗衣、宿營的人員發出警示。電子警示牌平時處于低功耗值守狀態，接到Level0報警后開啟文字、閃光、警笛多種方式報警。
（4）預警廣播
預警廣播用于下游沿河居民區，大功率輸出。當上游水庫泄洪，水庫管理人員可通過預警主控機遠程通知當地居民注意安全。預警廣播布設應進行音達實驗保證預警廣播覆蓋范圍?？蓪ξｋU區現有預警廣播進行升級改造接入水庫預警系統以節省建設經費。
（5）移動預警廣播車
應急預警設備主要用于極端情況下的應急預警發布，具有大功率輸出、大范圍覆蓋、多信號源輸入、機動靈活的特點。
圖5.1 水庫泄洪（放水）預警系統拓撲圖
4 方案特點
本文所提出的技術方案具有“技術成套、低價高效、全面覆蓋、人機互補、宣預結合”的特點，可滿足水庫泄洪（放水）時向河道內及河道外可能受淹區域及時發布預警信息、傳遞信息到戶到人的需求。
（1）技術成套：方案涵蓋了從水庫下游河道基礎地理信息獲取到預警設備布設及檢測的全過程，通過無人機航測及水力學計算，為預警設施設備布設提供預警指標、預警響應時間、最大預警范圍等關鍵參數，解決了大量中小水庫下游河道基礎地理數據和水文資料欠缺的問題，該成套技術可快速復制推廣。
（2）低價高效：相比傳統測量方式，采用無人機及機載雷達測量河道，效率提高40%以上，成本降低20%以上。
（3）全面覆蓋。首先針對河道范圍內，對水庫放水時警告河道內釣魚、游泳等人員離開；其次是沿河村落，開展音達試驗，檢驗預警音頻覆蓋度，以確保水庫最大泄量對應的淹沒區都可聽到預警音頻信號。
（4）人機互補。針對部分水庫有人值守、部分水庫無人值守的實際情況，開發了技防和人防互補的預警系統。為有人值守的水庫配備人工預警發送設備，可在實際放水前1小時或2小時一鍵發射預警信息（人防）；同時還配備以水位、流量自動監測和預警發布系統（技防），無人值守的水庫根據實時泄流量自動對下游發布預警信息，人防和技防互補、互備。
（4）宣預結合。既注重預警設施設備建設，也同步開展宣傳欄、警示牌等安裝布設，向下游群眾告知水庫泄洪預警信號所代表的意義，提示群眾泄洪時遠離河道。
5 參考文獻
[1]http://news.163.com/special/reviews/dam0123.html
[2]貴州省水利廳.貴州省大型水庫（水電站）泄洪預警管理暫行辦法[C].2015
[3]浙江省防汛抗旱指揮部辦公室.浙江省防汛抗旱應急預案[C].2015
[4]www.feitsui.gov.taipei/
[5]日本國土交通省.水庫放水預警指南[C].2009
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