大藤峽水利樞紐工程截流龍口流速監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

田蘇茂 曾雅立 黃童

摘要：2019年11月，廣西大藤峽水利樞紐工程進(jìn)行大江截流。截流過(guò)程中，受龍口流速測(cè)驗(yàn)環(huán)境限制，無(wú)法使用傳統(tǒng)方法施測(cè)，因此采用了無(wú)人機(jī)載電波流速儀、側(cè)掃雷達(dá)、電子浮標(biāo)等新型測(cè)驗(yàn)方法。在截流期間，通過(guò)新方法獲得了大量以截流龍口流速為代表的重要參數(shù)，為工程截流決策提供了重要依據(jù)，施測(cè)效果良好，同時(shí)也顯示出3種新型測(cè)驗(yàn)方式在龍口流速測(cè)驗(yàn)方面的適用性和局限性。綜合來(lái)看，在傳統(tǒng)方法無(wú)法施測(cè)時(shí)，這些方法可作為獲取水文數(shù)據(jù)的重要手段，并根據(jù)實(shí)際情況在應(yīng)用過(guò)程中不斷優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：龍口流速;側(cè)掃雷達(dá);無(wú)人機(jī)載電波流速儀;電子浮標(biāo);大江截流;廣西大藤峽水利樞紐

中圖法分類號(hào)：P335文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.003

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）04 - 0020 - 05

1 測(cè)區(qū)概況

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端大藤峽出口弩灘處（即廣西壯族自治區(qū)桂平市南木鎮(zhèn)弩灘村），控制面積19.86 萬(wàn)km2，占西江流域面積的56.4%，西江水資源量的56.0%，控制洪水總量占梧州站洪量的65.0%。地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°01′、北緯23°28′。

大藤峽水利樞紐工程作為國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，集防洪、航運(yùn)、發(fā)電、水資源配置、灌溉等綜合效益于一體，是珠江流域防洪關(guān)鍵控制性工程和水資源配置骨干工程，被譽(yù)為珠江上的“三峽工程”。 大江截流采用從右岸一側(cè)單戧堤進(jìn)占、立堵截流方式[1]。

2 截流龍口流速監(jiān)測(cè)特性

合龍前期，采用走航式ADCP進(jìn)行龍口上下游流速場(chǎng)測(cè)驗(yàn)，收集到了從截流開(kāi)始至龍口形成這段時(shí)間內(nèi)龍口斷面、龍口上游100 m、龍口下游100，200 m等各處流速場(chǎng)值。龍口形成后，形成落差達(dá)2 m以上的水跌，流速超過(guò)4 m/s，考慮到安全因素，測(cè)船無(wú)法施測(cè)龍口附近流速，傳統(tǒng)流速測(cè)驗(yàn)方法失效。因此及時(shí)啟動(dòng)了水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)是應(yīng)對(duì)突發(fā)性水事件的非常規(guī)狀態(tài)下的水文應(yīng)急工作，具有緊迫性、艱巨性、復(fù)雜性和非常規(guī)性等特點(diǎn)。由于水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)效性較高，需在短時(shí)間內(nèi)提交監(jiān)測(cè)信息，要求水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、精度高、便于攜帶等。

此次，大藤峽龍口截流就是在特殊條件下（如龍口浪大、流速大、常規(guī)設(shè)備無(wú)法進(jìn)入測(cè)區(qū)、戧堤裹頭坍塌嚴(yán)重、安全隱患多等）開(kāi)展的水文應(yīng)急測(cè)驗(yàn)工作，測(cè)量人員面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)測(cè)區(qū)具體情況和目前我國(guó)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)所應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)，主要采用了流速矢量場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（由電子浮標(biāo)、側(cè)掃雷達(dá)、無(wú)人機(jī)攜載電波流速儀等高新技術(shù)設(shè)備組成）監(jiān)測(cè)龍口河段流場(chǎng)變化和龍口水面流速大小。側(cè)掃雷達(dá)和無(wú)人機(jī)載電波流速儀測(cè)驗(yàn)屬于非接觸式測(cè)驗(yàn)，只需在上游指定位置投放浮標(biāo)儀器即可記錄軌跡數(shù)據(jù)，均可替代傳統(tǒng)法進(jìn)行龍口流速施測(cè)。

3 無(wú)人機(jī)載電波流速儀監(jiān)測(cè)龍口水面流速

3.1 工作原理

無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、雷達(dá)測(cè)流儀、便攜計(jì)算機(jī)等組成，通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載雷達(dá)測(cè)速儀在河道指定斷面開(kāi)展非接觸性測(cè)流，將表面流速傳回便攜式計(jì)算機(jī)的測(cè)流軟件并計(jì)算流量。測(cè)流前，根據(jù)河道斷面情況和實(shí)地勘察周圍環(huán)境預(yù)設(shè)航線，包括起點(diǎn)距、空中高度和懸停時(shí)間。測(cè)流時(shí)，無(wú)人機(jī)依次在指定垂線處懸停測(cè)流，實(shí)時(shí)傳回表面流速數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)流軟件計(jì)算斷面流速流量數(shù)據(jù)，并生成成果報(bào)表，測(cè)流完成后，無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)軌跡返回指定位置[2]。測(cè)速工作原理如圖1所示。

電波流速儀發(fā)出一個(gè)微波能量束（無(wú)線電波），當(dāng)波的能量撞擊到水面時(shí)，部分能量返回到雷達(dá)設(shè)備天線，返回信號(hào)的頻率變化與目標(biāo)的速度成比例，根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)的頻率不同測(cè)定水面流速，計(jì)算公式為

[V=C2f0cosθf(wàn)D]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：V是水面流速，m/s;C為電波在空氣中傳播速度，m/s;[θ]為發(fā)射波與水流方向的夾角，[f0]為雷達(dá)頻率，Hz;[fD]為電波的多普勒頻移。

3.2 數(shù)據(jù)代表性分析

測(cè)量龍口流速時(shí)，無(wú)人機(jī)位于龍口下游25 m。無(wú)人機(jī)地面控制站能夠?qū)崟r(shí)顯示坐標(biāo)信息，測(cè)量完成后，無(wú)人機(jī)往下游飛行實(shí)時(shí)測(cè)量各點(diǎn)流速，尋找最大流速位置，并懸停15 s以上采集流速信息。根據(jù)無(wú)人機(jī)軟件計(jì)算顯示流速，并取其平均值統(tǒng)計(jì)最大流速及其位置。數(shù)據(jù)顯示，龍口最大流速在龍口下游28 m處，與三峽工程大江截流時(shí)龍口最大流速位置范圍較為相似，說(shuō)明合龍時(shí)，龍口一帶最大流速并非在龍口處，而是位于龍口水舌下沿。

2019年10月26日，無(wú)人機(jī)測(cè)得表面流速與手持電波流速儀測(cè)得流速誤差在0.2 m/s以內(nèi)，說(shuō)明無(wú)人機(jī)測(cè)量龍口數(shù)據(jù)具有一定精度，基本能代表龍口當(dāng)時(shí)水面流速變化實(shí)際情況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，龍口下游水舌處流速比龍口軸線上流速大，兩者比值平均為1.14，水舌間距龍口軸線下游30 m以內(nèi)。

4側(cè)掃雷達(dá)監(jiān)測(cè)龍口水面流速

4.1 工作原理

雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射（或散射）現(xiàn)象來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置和速度等信息的。雷達(dá)利用接收回波與發(fā)射波的時(shí)間差來(lái)測(cè)定距離，利用電波傳播的多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，并利用目標(biāo)回波在各天線通道上幅度或相位的差異來(lái)判別其方向[3]。超高頻雷達(dá)河流流速（流量）監(jiān)測(cè)技術(shù)還用到布拉格（Bragg）散射理論。

[Δf=2VSλ=2Vcr+Vpλ=2VcrfB]? ? ? ? ?（2）

[fB=2Vpλ=2λgλ4π=g4π≈0.102f0]? ? （3）

式中：[fB]為多普勒頻率，Hz;[Δf]為一階Bragg峰位置偏離標(biāo)準(zhǔn)Bragg峰的程度，Hz。

對(duì)于等寬的順直河道，河水流向與河岸是平行的。如圖2所示，河道為順直河道。如果A、B點(diǎn)與河岸的垂直距離相同，理論上有[VA=VB]。

基于側(cè)掃雷達(dá)的測(cè)流系統(tǒng)采用非接觸式雷達(dá)技術(shù)，超高頻雷達(dá)可以獲得表面徑向流，通過(guò)矢量投影與合成的方法就可以得到矢量流。利用多普勒原理測(cè)量河流表面多個(gè)單元流速，建立單元表面流速與斷面平均流速的關(guān)系，經(jīng)流速面積法計(jì)算得到斷面流量。

單站超高頻雷達(dá)可以獲得表面徑向流，系統(tǒng)野外站結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

4.2 監(jiān)測(cè)情況

（1）設(shè)備安裝及校準(zhǔn)。項(xiàng)目選用單臺(tái)超高頻雷達(dá)RISMAR-U開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作。

2019年10月13～14日在左岸完成基座選址及供電線路等查勘工作，由于前期考慮到電源供電以及調(diào)試方便等，將儀器選址在縱向圍堰頂戧堤軸線上游12 m處，與最后形成的龍口方向重合。安裝后按儀器使用規(guī)程，利用校準(zhǔn)天線對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。

2019年10月19日晚得到實(shí)時(shí)流速場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，與ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)側(cè)掃雷達(dá)計(jì)施測(cè)的流速偏小，原因如下：儀器對(duì)測(cè)驗(yàn)河道的順直條件和水流分布條件要求較為苛刻。在截流過(guò)程中，龍口形成后，流場(chǎng)呈現(xiàn)流速變大且流向隨龍口推進(jìn)方向改變等復(fù)雜多變的特點(diǎn)。雷達(dá)計(jì)掃測(cè)范圍內(nèi)的流場(chǎng)分布需滿足儀器原理所需要的順直流場(chǎng)，因此儀器需距離龍口足夠近，且高度足夠低，且雷達(dá)天線朝向需時(shí)刻與流場(chǎng)方向垂直。

綜上，改進(jìn)了安裝方案，雷達(dá)計(jì)重新選址在右岸縱向圍堰下方前期建筑殘余的土堆上，其高程約為30 m，距水面高度3～5 m，距龍口右岸約5 m。另外，根據(jù)儀器測(cè)驗(yàn)原理，其天線朝向必須時(shí)刻調(diào)整以保證垂直于斷面流向。具體調(diào)整方法為：根據(jù)電子浮標(biāo)在同一時(shí)間段內(nèi)多次施測(cè)的龍口流速路徑計(jì)算斷面流向與戧堤軸線的偏角，根據(jù)三角形相似原理以此偏角修正天線朝向，修正頻次視流向改變速率而定，即是以戧堤推進(jìn)的施工進(jìn)度而定。具體安裝及修正情況如圖4所示。

（2）儀器基本參數(shù)設(shè)置。儀器測(cè)量距離范圍為400 m，扇面范圍的圓心角角度為120°，距離分辨率為10 m，每間隔10 m測(cè)量1組表面流速，監(jiān)測(cè)頻次約20 s施測(cè)1次。根據(jù)側(cè)掃雷達(dá)測(cè)得的回波信號(hào)，經(jīng)應(yīng)用程序軟件濾波處理后，截取龍口附近區(qū)域信號(hào)進(jìn)行流速流向計(jì)算，得到整個(gè)龍口區(qū)域的流速分布圖，再?gòu)闹羞x取最大流速數(shù)據(jù)與ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、電子浮標(biāo)及無(wú)人機(jī)載電波流速儀施測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后上報(bào)信息中心。

（3）監(jiān)測(cè)資料。自2019年10月20日08：00開(kāi)始，經(jīng)與ADCP數(shù)據(jù)對(duì)比，側(cè)掃雷達(dá)計(jì)已工作正常，能實(shí)時(shí)得到正確的龍口附近區(qū)域流速場(chǎng)數(shù)據(jù)，截止25日17：00，側(cè)掃雷達(dá)共收集129 h流速數(shù)據(jù)。側(cè)掃雷達(dá)主要監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表2。

4.3 應(yīng)用優(yōu)化方案

（1）單站設(shè)站方式的優(yōu)化。采用單站方式布置的側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)，由于只有1組測(cè)量數(shù)據(jù)，只能施測(cè)區(qū)域內(nèi)流速矢量的一個(gè)分量，即不能完整施測(cè)流場(chǎng)的流速分布情況。從測(cè)驗(yàn)斷面來(lái)看，只能測(cè)量表面流速垂直于斷面的分量，不能測(cè)量水平分量。因此，雖然單站雷達(dá)也能覆蓋扇形區(qū)域，測(cè)量每個(gè)位置的徑向流速，但在映射到測(cè)驗(yàn)斷面時(shí)，只有一個(gè)統(tǒng)一的角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)表面流速紊亂時(shí)，單站側(cè)掃雷達(dá)不能較好測(cè)量流速實(shí)際情況，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

單站方式一般適用于區(qū)域流場(chǎng)平穩(wěn)、順直的河段，流向相對(duì)均勻，可以根據(jù)斷面實(shí)際情況，將側(cè)掃雷達(dá)所測(cè)的徑向流速數(shù)據(jù)統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)到正確的水流方向，就能夠真實(shí)反映監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的流場(chǎng)分布。如果現(xiàn)場(chǎng)流速流向比較亂，且只能以單站方式設(shè)站時(shí)，可以考慮以下途徑加強(qiáng)合理性分析，優(yōu)化解算方法： 通過(guò)編寫(xiě)小軟件，直接處理側(cè)掃雷達(dá)原始數(shù)據(jù)文件，旋轉(zhuǎn)不同角度，得到不同的矢量流場(chǎng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，按照流場(chǎng)流速變化規(guī)律，分析確定各個(gè)小區(qū)域的流場(chǎng)，將不同的小區(qū)域流場(chǎng)組合為最終的側(cè)掃雷達(dá)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)。

（2）監(jiān)測(cè)流速處理。當(dāng)水面流速較大（一般大于2 m/s）時(shí)，由于受到水面橫向波動(dòng)、船舶等因素的干擾，目前采用的側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件還不能較好地消除干擾，實(shí)測(cè)的水面流速可能會(huì)偏小。

5電子浮標(biāo)監(jiān)測(cè)龍口水面流速

5.1 工作原理

電子浮標(biāo)主要用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水面表層的流場(chǎng)情況，是一種集RTK定位模塊、無(wú)線通訊傳輸模塊、wifi模塊等為一體的實(shí)時(shí)定位通訊系統(tǒng)[4]。電子浮標(biāo)有漂流設(shè)備內(nèi)置RTK模塊，確保定位精度達(dá)到厘米級(jí);客戶端中加入底圖能夠直觀化定位每一個(gè)漂流設(shè)備和測(cè)量船自身的位置，采用千尋系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)定位;直立式漂流設(shè)備在存儲(chǔ)自身定位數(shù)據(jù)的同時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)端，數(shù)據(jù)的安全性得到保障。

主要技術(shù)參數(shù)如下：

衛(wèi)星系統(tǒng)為GNSS、GLONASS、北斗;

定位精度單點(diǎn)為2 m，CORS定位為2cm+1ppm;

網(wǎng)絡(luò)模塊為3.5G WCDAM;

入水深度大于0.5 m。

5.2數(shù)據(jù)分析

電子浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可揭示2019年10月24～26日流速變化與龍口附近流速隨戧堤口門和落差變化的實(shí)際情況：24～25日流速逐漸增大，26日流速已開(kāi)始逐漸減小，龍口最大流速出現(xiàn)在25日。具體可見(jiàn)表3。根據(jù)電子浮標(biāo)施測(cè)龍口水面流態(tài)成果，統(tǒng)計(jì)計(jì)算龍口軸線最大流速與下游水舌處最大流速，總體上，水舌流速大于龍口軸線流速，兩者比值平均為1.102，也就是說(shuō)水舌流速比龍口軸線流速約大10%，水舌距離龍口軸線平均為42.2 m。

從單個(gè)電子浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)看，在龍口上下250 m范圍內(nèi)，浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)反映水流實(shí)際變化，受來(lái)水、龍口水力因子即河道邊界條件影響明顯。浮標(biāo)懸浮在水面（大部分在水下），直立方式向下游運(yùn)動(dòng)，真實(shí)記錄水面流態(tài)變化。從數(shù)據(jù)分析，龍口上60 m左右水流方向開(kāi)始變化，逐漸向中軸線聚集，最后達(dá)到龍口時(shí)，基本在寬度約10 m主泓范圍繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到下游70 m區(qū)域，流向又開(kāi)始散開(kāi)，并主要向河道右側(cè)運(yùn)動(dòng)，并在下游右側(cè)形成局部回流（圖5～6）。

從流速變化看，浮標(biāo)在接近龍口10 m左右區(qū)域，流速突然增大約20%，最大流速出現(xiàn)在下游 約30 m區(qū)域，與前面流速測(cè)量等反映的河段最大流速區(qū)域基本一致。

6 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)及結(jié)論

在特殊情況下的流速測(cè)驗(yàn)（如截流龍口流速測(cè)驗(yàn)）中，受測(cè)驗(yàn)環(huán)境限制無(wú)法使用傳統(tǒng)方法施測(cè)時(shí)，可采用無(wú)人機(jī)載電波流速儀、側(cè)掃雷達(dá)、電子浮標(biāo)等測(cè)驗(yàn)方式，施測(cè)結(jié)果良好，但同時(shí)也存在各自的局限性。

（1）無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)組裝操作簡(jiǎn)單，能夠有效解放人力，提高工作效率，可輕易抵達(dá)人力所不及的危險(xiǎn)地帶開(kāi)展工作，大大提高安全系數(shù)，隨時(shí)隨地開(kāi)展定點(diǎn)測(cè)量水面流速。在本次應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)應(yīng)用中存在不足：①應(yīng)加入姿態(tài)改正系統(tǒng)，通過(guò)姿態(tài)改正數(shù)據(jù)獲取的理論實(shí)測(cè)位置更加準(zhǔn)確;②應(yīng)加入成像系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)確定測(cè)流所在位置;③應(yīng)完善軟件系統(tǒng)，將地面控制站與測(cè)流系統(tǒng)整合到一起，同時(shí)可加入導(dǎo)入自定義底圖的功能，能夠更有效地開(kāi)展工作。另外定點(diǎn)懸停受風(fēng)力影響較大，精度較低，無(wú)人機(jī)定點(diǎn)位置并非實(shí)際測(cè)流位置，需要對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步解算和分析。因此無(wú)人機(jī)測(cè)量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員操作及判斷水平要求較高。

（2）側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)能不間斷實(shí)時(shí)測(cè)得大面積的高精度流速數(shù)據(jù)，通過(guò)形成的流速場(chǎng)成果，可清晰地觀察到目標(biāo)范圍內(nèi)流速場(chǎng)的變化，但儀器安裝條件較為苛刻，解算后處理難度較大。需做好儀器選型、站點(diǎn)查勘、測(cè)站特性分析、合理安裝、建立流量計(jì)算模型、比測(cè)率定及檢驗(yàn)、投產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)工作。

（3）電子浮標(biāo)測(cè)流能實(shí)時(shí)直觀地得到流速場(chǎng)中某一條流速線的數(shù)據(jù)，操作較為簡(jiǎn)單，且在理論上精度最高。但是在測(cè)量中也存在以下問(wèn)題：①數(shù)據(jù)通道打開(kāi)后，不能及時(shí)了解數(shù)據(jù)收集情況，只能等浮標(biāo)上岸下載數(shù)據(jù)時(shí)才知道采集數(shù)據(jù)的情況，影響流態(tài)及時(shí)收集;②設(shè)備不靈活輕便，使用中需要一定體力，在投放或移動(dòng)過(guò)程中，顯得較為笨拙;③測(cè)量中只能了解單一浮標(biāo)流態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)情況，不能完整了解河道完整水流變化，耗時(shí)較多。

綜上所述，3種流速測(cè)驗(yàn)方法適用于特殊水情，是傳統(tǒng)方法無(wú)法施測(cè)時(shí)的有益補(bǔ)充，效果良好，也都有自身的適用條件和局限性。使用時(shí)應(yīng)因地制宜，視條件變化來(lái)選擇合適的測(cè)驗(yàn)方法。

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（編輯：唐湘茜）

Research and application of key technology of velocity monitoring

in river closure gap of Datengxia Hydroproject

TIAN Sumao，ZENG Yali ， HUANG Tong

（Three Gorges Bureau of Hydrological and Water Resources Survey ， Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources， Yichang 443000，China）

Abstract： In November 2019， the main channel was closed for Datengxia hydroproject construction in Guangxi Zhuang Autonomous Region. During the period of river closure， because of adverse velocity measurement condition， the velocity in the gap cannot be measured by traditional ways. Therefore， three measurement methods of UAV radio wave current meter， side scan radar and electronic buoy were adopted. By the new methods， a large number of important parameters mainly containing the velocity in the gap were obtained， which provided an important basis for decision-making of the river closure. The measurement showed good effect and the adaptability and limitations of these three new methods. Generally， three new methods can be used as important substitutions to gain hydrological data when traditional ways are unavailable， and also can be continuously optimized according to the actual situation in the application process.

Key words： gap velocity measurement;? side scan radar; UAV radio wave current meter; electronic buoy; river closure; Datengxia Hydroproject of Guangxi Zhuang Autonomous Region