英布魯水電站水文特性及水文設(shè)計(jì)特點(diǎn)

馮德光 郝福良 史世平 李 林

1 流域氣象特點(diǎn)

1.1 流域下墊面

英布魯水電站位于剛果河支流萊菲尼河,距河口14 km。萊菲尼河發(fā)源于巴泰凱高原,流經(jīng)峽谷、沼澤地和茂盛林區(qū),河長(zhǎng)280 km,沿程坡度平緩。分水嶺高程為600～800 m,壩址河段河谷深300～400 m,河道比降為0.2‰～0.3‰,庫(kù)區(qū)河段兩岸較平緩,局部岸坡較陡。河谷多為熱帶森林,沿河流呈帶狀分布,超出兩岸一定范圍后,森林稀疏,逐步過(guò)渡到草原地帶。流域植被良好,表層土壤為砂壤土。居民很少,人類(lèi)活動(dòng)少,未修建任何水利工程,流域下墊面條件變化不大。

1.2 氣象條件

萊菲尼河流域?qū)儆谔K丹—幾內(nèi)亞的赤道幾內(nèi)亞氣候,全年分旱、雨兩季。旱季有氣壓高、氣溫低、多云天氣、雨量稀少等特點(diǎn)。雨季由于受東部印度洋的水汽影響,經(jīng)常發(fā)生降雨,雨量充沛,氣溫高。

英布魯電站壩址處沒(méi)有氣象站,氣象資料較少。以位于河口北部的姆布亞氣象站1981—2002年實(shí)測(cè)氣象要素值為電站設(shè)計(jì)依據(jù),多年平均降雨量1 598 mm,多年平均水面蒸發(fā)量為769.6 mm。

2 水文資料

2.1 用于分析的區(qū)域測(cè)站

萊菲尼河流域內(nèi)分布有雷卡那、姜巴拉、贊加、恩果、恩庫(kù)木、恩薩、依諾尼、恩加貝、姆貝、姆布亞等氣象 (雨量)站,它們建立于20世紀(jì)50～60年代。

水電站壩址上游45 km處1949年設(shè)立布旺貝水文站,控制流域面積13 500 km2。為了滿足電站設(shè)計(jì)要求,瑞士UNEFICO于1981年在壩址處設(shè)置1臺(tái)自記水位計(jì)觀測(cè)水位并施測(cè)流量。后因戰(zhàn)爭(zhēng)影響,布旺貝水文站、壩址專(zhuān)用站停測(cè)。

萊菲尼河附近的恩凱尼河、阿里馬河,也位于巴泰凱高原,氣象、下墊面情況與萊菲尼河相似,分別設(shè)有甘博馬水文站、柴卡皮卡水文站。

依據(jù)對(duì)上述測(cè)站資料情況、所處位置的分析,確定以布旺貝水文站為設(shè)計(jì)依據(jù)站。

2.2 資料情況

姜巴拉、姆布亞等各站的降雨量資料系列不連續(xù)。布旺貝水文站和壩址專(zhuān)用站因戰(zhàn)爭(zhēng)影響部分資料遺失,有1971—1980年水文年鑒,有收集的零散流量資料?？捎糜诜治龅臄?shù)據(jù)有:1952—1993年間斷的日、月、年平均流量,年最大洪峰流量。該站H—Q關(guān)系線穩(wěn)定,施測(cè)垂線、測(cè)點(diǎn)、測(cè)流設(shè)備、測(cè)次符合規(guī)范要求,認(rèn)為流量資料精度可靠。

該站實(shí)測(cè)流量資料特點(diǎn)是:平均流量數(shù)據(jù)較多,最大、最小極值流量數(shù)據(jù)缺乏,給下述的設(shè)計(jì)洪水推求帶來(lái)一定的難度。

另外,臨近河流的甘博馬水文站、柴卡皮卡水文站1971—1980年的日平均流量數(shù)據(jù)。

3 徑 流

3.1 降雨特性

依諾尼、雷卡那、姜巴拉、姆布亞等站年平均降雨量在1 393～2 538 mm之間。全年各月都會(huì)降雨,雨季降雨量多,占全年降雨量的比例約89%。降雨量年際變化不大。在空間上流域內(nèi)的降雨量差別較大,恩庫(kù)木站降雨量最大,恩加貝站最小,分布趨勢(shì)是由東南向西北、從下游向上游降雨量逐漸增加。

3.2 徑流特性

根據(jù)萊菲尼河布旺貝站實(shí)測(cè)的1971—1980年日平均流量過(guò)程分析,流域年內(nèi)有明顯的旱季 (6月中旬～9月末)、雨季 (10月初～6月上旬)之分。

統(tǒng)計(jì)插補(bǔ)后的布旺貝站1952—1993年月年徑流系列,多年平均年徑流量為131.85億m3,最大年徑流量為152.3億m3(1959年),最小年徑流量為118.6億m3(1993年),最大、最小年徑流量比值為1.3。不同時(shí)期相比,近期徑流量有所減小。雨季、旱季徑流量分別占年徑流量的69.7%、30.3%,最大月徑流量約占年徑流量的9.2%,最小月徑流量約占年徑流量的7.4%。可見(jiàn),徑流年內(nèi)分配均勻,年際變化不大。

3.3 代表性、一致性分析

系列代表性通過(guò)布旺貝站1952—1993年徑流差積曲線進(jìn)行分析。差積曲線上,年際變化較穩(wěn)定,1958—1974年為豐水年組,1952—1957年、1975—1980年為平水年組,1981—1992年為枯水年組；豐、平、枯水年組交替出現(xiàn),因此,42年徑流系列具有一定代表性。

流域內(nèi)居民很少,人類(lèi)活動(dòng)較少,未修建任何水利工程,流域降雨特性、產(chǎn)流匯流條件基本沒(méi)有變化,徑流系列的一致性很好。

3.4 壩址徑流

布旺貝站集水面積13 500 km2,占英布魯電站壩址以上流域面積16 000 km2的84.4%。

在以往設(shè)計(jì)中,瑞士人曾進(jìn)行過(guò)布旺貝水文站、壩址專(zhuān)用站的流量同步觀測(cè),分析兩者的流量換算系數(shù)為1.155。據(jù)此換算系數(shù),推得英布魯電站壩址1952—1993年共42年的月、年徑流系列,多年平均流量為484 m3/s,多年平均徑流量為152.4億m3。在水電站施工階段,在原布旺貝站址和壩址處,又建專(zhuān)用站進(jìn)行了同步觀測(cè),經(jīng)分析兩者之間的流量換算系數(shù)取1.155是合理的。

布旺貝站以上流域平均徑流深為976.7 mm。布旺貝站—壩址區(qū)間平均徑流量為20.55億m3,集水面積2 500 km2,徑流深為822 mm。前者徑流深大于后者,這與流域內(nèi)降雨量的分布趨勢(shì)一致,符合降雨量上游大于下游的水文特性。

英布魯電站壩址設(shè)計(jì)年徑流采用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算,P-Ⅲ型適線。50%,75%,95%設(shè)計(jì)年徑流流量分別為480,463,446 m3/s。

4 洪 水

4.1 雨洪特性

流域雨季由于受東部印度洋的水汽影響,經(jīng)常發(fā)生暴雨,暴雨持續(xù)時(shí)間一般為1～2 h,降雨時(shí)間多在午后。根據(jù)姆布亞氣象站1981—2002年降雨資料統(tǒng)計(jì),該站最大24 h降雨量為209.7 mm。

流域洪水的發(fā)生時(shí)間與暴雨相應(yīng)。統(tǒng)計(jì)布旺貝站實(shí)測(cè)資料,36年中有18年的年最大洪峰發(fā)生在5月、11月兩個(gè)月份,占年最大洪水次數(shù)的50%。由于流域植被良好,覆蓋層為巴代蓋砂,因此降雨的入滲能力很強(qiáng),對(duì)河流基流有很強(qiáng)的補(bǔ)給作用。因?yàn)槿R菲尼河具有這種下墊面特點(diǎn)和地下水補(bǔ)給排泄特點(diǎn),因此流域內(nèi)年平均流量較為均勻,洪水變幅不大,洪水過(guò)程以多峰、肥胖型居多,洪水起漲緩慢,一次洪水歷時(shí)約20 d；一次洪水過(guò)程的最大1 d洪量是最大10 d洪量的10%～11%,最大10 d洪量是最大20 d洪量的50%～53%。年際之間,據(jù)布旺貝站1971—1993年逐日流量資料統(tǒng)計(jì),歷年實(shí)測(cè)最大洪峰流量670 m3/s(1961年11月),歷年實(shí)測(cè)最小洪峰流量450 m3/s(1988年3月),比值為1.5倍。最枯流量約為334 m3/s(1992年)。

4.2 洪水要素選取

一般情況下,水利水電樞紐的壩址洪水系列要統(tǒng)計(jì)洪峰、洪量等不同洪水要素的若干個(gè)洪水系列。

英布魯水電站為徑流式電站,調(diào)節(jié)能力小,設(shè)計(jì)洪峰流量是影響電站大壩泄洪建筑物規(guī)模的主要洪水要素,因此英布魯水電站設(shè)計(jì)洪水只統(tǒng)計(jì)壩址洪峰流量系列,推求壩址設(shè)計(jì)洪峰流量,即可滿足設(shè)計(jì)需要,這是本水電站水文設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。

根據(jù)同步觀測(cè)分析,在布旺貝站—壩址河段,洪峰流量變幅小,且與日平均流量相差不大,因此,壩址洪峰流量系列也按1.155系數(shù)由布旺貝站洪峰流量系列推求。該站實(shí)測(cè)的平均流量數(shù)據(jù)較多,缺乏最大洪峰流量數(shù)據(jù),通過(guò)建立歷年最大日、月平均流量—年最大洪峰流量的相關(guān)關(guān)系,插補(bǔ)缺測(cè)年份的年最大洪峰流量,得到該站1952—1980、1987—1993年共36年年最大洪峰流量系列,并換算得到英布魯水電站36年不連序的年最大洪峰流量系列。

4.3 設(shè)計(jì)洪峰流量

4.3.1 頻率分析

萊菲尼河河谷罕有人跡,除布旺貝村外很少有居民,調(diào)查清楚歷史大洪水很難。英布魯水電站壩址有36年洪峰流量系列,采用P-Ⅲ型線型進(jìn)行頻率分析,以優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行目估適線,1 000年一遇(P=0.1%)洪峰流量為962 m3/s,10 000年一遇 (P=0.01%)的洪峰流量為1 070 m3/s。洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪峰流量見(jiàn)表1。

表1 英布魯電站壩址設(shè)計(jì)洪水成果表 m3/s

因?yàn)樗娬舅畮?kù)沒(méi)有調(diào)節(jié)能力,下游沒(méi)有防洪要求,洪水調(diào)節(jié)時(shí),按入庫(kù)洪峰查泄流能力曲線即可,因此不必推求設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

4.3.2 合理性分析

萊菲尼河與北部相鄰河流恩凱尼河、阿利馬河,均位于巴泰凱高原,氣象、下墊面及植被情況相近。英布魯水電站設(shè)計(jì)洪峰的統(tǒng)計(jì)參數(shù),Cv值0.12、Cs/Cv=8.0,與恩凱尼河的甘博馬水文站(Cv=0.13、Cs/Cv=6.9)、阿利馬河的柴卡皮卡水文站的洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù) (Cv=0.08、Cs/Cv=6.3),基本一致。

4.4 校核洪水修正

萊菲尼河缺乏歷史大洪水資料,設(shè)計(jì)洪水 Cv值又小,上述方法分析的英布魯水電站壩址設(shè)計(jì)洪水有偏小的可能,對(duì)10 000年一遇校核洪水增大20%修正,洪峰流量為1 280 m3/s；1 000年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量不變?nèi)詾?62 m3/s。

這與國(guó)外設(shè)計(jì)洪水一般采用PMP、PMF進(jìn)行設(shè)計(jì)是不同的,這是英布魯水電站洪水設(shè)計(jì)按我國(guó)規(guī)范計(jì)算的一個(gè)特點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

英布魯水電站水文特性、水文分析計(jì)算內(nèi)容與國(guó)內(nèi)外其他水電站相比,特點(diǎn)明顯,可供國(guó)外水電站設(shè)計(jì)借鑒。主要特點(diǎn)為:

(1)英布魯水電站所在流域覆蓋層為巴代蓋砂,植被良好,降雨入滲能力很強(qiáng),對(duì)河流基流有很強(qiáng)的補(bǔ)給作用。

(2)降雨徑流特性:雨季、旱季分界明顯。降雨量分布西北高東南低、上游大下游小。徑流分配年內(nèi)均勻,年際變化不大。

(3)洪水年內(nèi)、年際變幅不大,洪水過(guò)程平緩。

(4)僅采用洪峰流量一個(gè)洪水要素。未用PMF設(shè)計(jì),采用10 000年一遇校核洪水加安全值。