國外水電站水文分析計算及幾點思考

摘 要：以南沐1水電站水文分析計算工作為例，結(jié)合其他項目設(shè)計實踐，闡述了國外水電項目水文工作情況、存在的問題，探討了中西方設(shè)計理念差異，提出利用網(wǎng)絡(luò)共享3S數(shù)據(jù)輸入水文模型進行計算，解決水電站前期設(shè)計中“無米下鍋”的難題。

關(guān)鍵詞：水文分析計算；無資料地區(qū)；ArcGIS；DEM；3S；水文模型

近期國內(nèi)大型水電站已陸續(xù)完工，少數(shù)處于建設(shè)期，在研水電站項目越來越少，國內(nèi)水電市場已呈現(xiàn)出逐年萎縮的趨勢。國內(nèi)水電設(shè)計公司紛紛走出國門，將水電站市場經(jīng)營重心轉(zhuǎn)移到國外。本文以老撾南沐1電站為例，闡述國外水電站設(shè)計咨詢工作情況及存在的問題，并提出了幾點思考。

1 流域概況及基礎(chǔ)資料收集

1.1 流域概況

南沐1電站位于老撾川壙省南沐河上。南沐河為流經(jīng)老撾和越南的國際河流，其發(fā)源于兩國國界處普賽萊楞山南麓。流域地形以山區(qū)為主，地勢南高北低，地形高差較大，溝谷深切，水系發(fā)育，流域平均坡降約為33‰。南沐河流域?qū)贌釒Ъ撅L型氣候，降水量較為豐富，森林覆蓋率較高，主要植被類型為熱帶季雨林。

1.2 基礎(chǔ)資料收集

1）數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)：收集了SRTM90m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，其由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量。

2）水文站點資料：南沐河老撾境內(nèi)河段無水文站點分布，越南境內(nèi)河段設(shè)有孟森水文站，距南沐1壩址河道距離約56km，其流域面積為2629km2，該站自1969年起有水文觀測記錄資料。由于越南對水文資料較為保密，且對中國公司警惕性較高，可研前期未從越南收集到該站點的水文資料；可研后期經(jīng)過合作方協(xié)調(diào)，才從越南方面收集到該站點資料，該站具有1969年至2015年共47年的日水位、日流量和日降水系列。本文還收集南沐河流域鄰近老撾境內(nèi)的4個水文站點資料。

3）雨量相關(guān)資料：收集南沐河流域及鄰近的18個雨量站點資料；收集了由湄公河委員會整編的老撾降水等值線圖及鄰近電站的相關(guān)設(shè)計資料。

2 水文分析計算

綜合考慮后，選取本流域內(nèi)孟森站作為設(shè)計依據(jù)站，其系列長度滿足規(guī)范要求。

2.1 復(fù)核流域面積

1）利用1：5萬地形圖量算壩址及廠址控制流域面積，分別為900km2、1020km2；2）利用90m分辨率DEM借助ArcGIS軟件，提取水系，面積量算成果分別898km2、1000km2。兩種方法所得成果變幅均小于2%，故推薦采用1：5萬地形圖量算成果。壩址以上流域平均高程為1382m，河長約75km，河道比降約24.5‰。

2.2 壩址設(shè)計徑流

南沐河流域的徑流補給全部來源于降水，受降水時程分配的影響，流域內(nèi)徑流的年際變化不大，年內(nèi)分配不均勻，6月～10月徑流占全年的75%，11月～次年5月徑流占全年的25%。

根據(jù)收集的雨量站點資料，利用ArcGIS軟件的空間插值功能繪制區(qū)域降水量等值線圖，同時參考老撾降水等值線圖，量算得南沐1壩址和孟森站以上流域多年平均降水量成果，分別為1751mm、1365mm。根據(jù)孟森水文站多年平均流量成果，采用面積加降水量修正的水文比擬法推求電站壩址多年平均流量，成果為30.3m3/s。壩址月徑流過程以孟森站過程為典型按兩者多年平均流量比值縮放得到。

合理性分析：1）利用鄰近流域2個系列較長的波利站及叢彤站采用水文比擬法計算得壩址多年平均流量分別為30.1m3/s、31.1m3/s，變幅僅為-0.7%、2.6%，成果均較為接近。2）壩址徑流分配過程同孟森站；對比南沐河流域孟森站與波利站和叢彤站多年平均徑流年內(nèi)分配過程，如圖1所示，可見三者相似性較高，最大月平均流量均出現(xiàn)在8月，最小值則出現(xiàn)在3月至4月。綜上，本次徑流計算成果是合理的。

2.3 壩址設(shè)計洪水

流域洪水主要由暴雨形成，多發(fā)生于6月至9月。洪水陡漲陡落，一次洪水過程一般在1天至3天左右，洪水過程以單峰型為主。

孟森站站于2011年6月25日發(fā)生了一場排位第一的特大洪水，洪峰流量為3680m3/s，是第二位洪峰流量2050m3/s的1.80倍，是多年平均洪峰流量712m3/s的5.2倍。經(jīng)由本站及鄰近站降水量、水位資料進行復(fù)核，當天降水量均達到150mm以上，水位為有記錄以來最高值；查閱歷年臺風資料，2011年6月24日20時臺風“海馬”在穿越雷州半島和北部灣后于越南北部沿海登陸，帶來了大暴雨。綜上，該場次洪水量級基本可靠。

利用孟森站47年洪峰系列采用P-Ⅲ型頻率曲線適線，因2011年洪峰為特大值，其重現(xiàn)期還有待進行洪水調(diào)查考證，故適線時經(jīng)過第二大洪峰點據(jù)，頻率曲線見圖2。采用水文比擬法（面積比的n次方）計算壩址各頻率設(shè)計洪峰流量；根據(jù)孟森站及下游另一水文站同期洪峰系列分析得n為2/3。由此得到壩址校核標準（P=0.2%）洪峰為2600m3/s，設(shè)計標準（P=2%）洪峰為1360m3/s。

3 設(shè)計工作的幾點思考

3.1 基礎(chǔ)資料收集

南沐1電站可研初期依據(jù)原越南公司可研報告附錄月值和40年洪峰資料開展水文分析計算；直到第二次咨詢會后，才收集到孟森站逐日流量系列，并延長了2011年至2015年系列。但新增系列中2011年洪峰流量為特大值，復(fù)核后校核標準洪峰較原成果增大24%，導(dǎo)致需要重新調(diào)整樞紐布置，進而影響后續(xù)所有專業(yè)，調(diào)整工作量較大。

目前國外指標較優(yōu)的水電站項目資源往往已被西方設(shè)計公司掌握，我國設(shè)計公司能進入的基本為經(jīng)濟發(fā)展落后、進場條件較差、政治形勢不穩(wěn)定的東南亞、非洲和拉美地區(qū)，這些地區(qū)大多對基礎(chǔ)資料觀測工作不重視。故在設(shè)計工作中，應(yīng)積極收集研究流域的水文觀測資料，必要時建立專用站積累水文資料，便于計算徑流洪水，保證工作順利推進，避免返工。

3.2 中西方設(shè)計理念差異

西方設(shè)計或咨詢公司重視設(shè)計工作過程，報告論述詳細，且大多不太認同中國常用的水文比擬法，而采用水文模型來確定設(shè)計徑流和洪水成果。

而中國設(shè)計報告較少關(guān)注過程，更注重結(jié)果，且傳統(tǒng)設(shè)計中較少采用水文模型方法。對于南沐1水文分析計算，擬在保留水文比擬法的同時，增加水文模型方法，在中西融合中擴大中國設(shè)計規(guī)范的影響。

3.3 無資料或短缺資料地區(qū)的前期水文分析計算

在水電項目前期規(guī)劃工作中，往往來不及收集水文氣象和地形資料，而又要估算設(shè)計流量，便于判斷項目可行性及指標優(yōu)劣程度，若按傳統(tǒng)工作模式，則往往無法進行水文分析計算。利用網(wǎng)絡(luò)共享的DEM、土地覆蓋影像、土壤柵格、衛(wèi)星測雨數(shù)據(jù)、空間插值的格點降水數(shù)據(jù)以及鄰近站點流量系列，采用GIS軟件可以提取流域水系，確定壩址流域面積，繪制降水量等值線圖；采用水箱模型、SWAT模型等，可以由降水推求徑流，將參數(shù)移植到研究流域推求壩址設(shè)計徑流，解決無資料或短缺資料地區(qū)水文分析計算“無米下鍋”難題，為項目判斷決策提供較為可靠的參考。

4 結(jié)語

在國外水電項目設(shè)計工作中，應(yīng)重視水文基礎(chǔ)資料收集工作，并充分利用3S軟件及網(wǎng)絡(luò)共享3S數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)資源，建立一套新的水文分析計算模式，適應(yīng)國際水電項目設(shè)計工作要求。

參考文獻：

[1] 詹道江，葉守澤.工程水文學[M].中國水利水電出版社，2000，10.

[2] 王中根，劉昌明，等.SWAT模型的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究[J].2003，01.

作者簡介：唐亞松（1985-），男，湖南臨武人，工程師，從事水利水電勘測設(shè)計工作。